顯式算法和隱式算法,有時(shí)也稱為顯式解法和隱式解法,是計(jì)算力學(xué)中常見的兩個(gè)概念,但是它們并沒有普遍認(rèn)可的定義。
一、兩種算法的比較
1、顯式算法
基于動(dòng)力學(xué)方程,因此無需迭代;而靜態(tài)隱式算法基于虛功原理,一般需要迭代計(jì)算。顯式算法,最大優(yōu)點(diǎn)是有較好的穩(wěn)定性。
動(dòng)態(tài)顯式算法采用動(dòng)力學(xué)方程的一些差分格式(如廣泛使用的中心差分法、線性加速度法、Newmark法和wilson法等),不用直接求解切線剛度,不需要進(jìn)行平衡迭代,計(jì)算速度快,時(shí)間步長只要取的足夠小,一般不存在收斂性問題。因此需要的內(nèi)存也比隱式算法要少。并且數(shù)值計(jì)算過程可以很容易地進(jìn)行并行計(jì)算,程序編制也相對簡單。但顯式算法要求質(zhì)量矩陣為對角矩陣,而且只有在單元級(jí)計(jì)算盡可能少時(shí)速度優(yōu)勢才能發(fā)揮, 因而往往采用減縮積分方法,容易激發(fā)沙漏模式,影響應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算精度。
靜態(tài)顯式法基于率形式的平衡方程組與Euler向前差分法,不需要迭代求解。由于平衡方程式僅在率形式上得到滿足,所以得出的結(jié)果會(huì)慢慢偏離正確值。為了減少相關(guān)誤差,必須每步使用很小的增量。
2、隱式算法
隱式算法中,在每一增量步內(nèi)都需要對靜態(tài)平衡方程進(jìn)行迭代求解,并且每次迭代都需要求解大型的線性方程組,這以過程需要占用相當(dāng)數(shù)量的計(jì)算資源、磁盤空間和內(nèi)存。該算法中的增量步可以比較大,至少可以比顯式算法大得多,但是實(shí)際運(yùn)算中上要受到迭代次數(shù)及非線性程度的限制,需要取一個(gè)合理值。
二、求解時(shí)間
使用顯式方法,計(jì)算成本消耗與單元數(shù)量成正比,并且大致與最小單元的尺寸成反比,應(yīng)用隱式方法,經(jīng)驗(yàn)表明對于許多問題的計(jì)算成本大致與自由度數(shù)目的平方成正比,因此如果網(wǎng)格是相對均勻的,隨著模型尺寸的增長,顯式方法表明比隱式方法更加節(jié)省計(jì)算成本。
三、兩種方法的應(yīng)用范圍:
a)在求解動(dòng)力學(xué)問題時(shí),將方程在空間上采用有限元法(或其他方法)進(jìn)行離散后,變?yōu)槌N⒎址匠探MF=M(u)+C(u)+K(u)。求解這種方程的其中兩種方法為,中心差分法和Newmark法。采用中心差分法解決動(dòng)力學(xué)問題被稱為顯式算法,采用Newmark法解決動(dòng)力學(xué)問題被稱為隱式算法。
b)在求解動(dòng)力學(xué)問題時(shí),離散元法(也有其他方法)主要有兩種思想:動(dòng)態(tài)松弛法(向后時(shí)步迭代),靜態(tài)松弛法(每一步要平衡)。動(dòng)態(tài)松弛法是顯式算法,靜態(tài)松弛法是隱式算法。其中沖壓成型就是動(dòng)態(tài)松弛法的主要例子。
c)在求解靜力學(xué)問題時(shí),有時(shí)候?qū)⑵淇醋鲃?dòng)力學(xué)問題來處理而采用動(dòng)態(tài)松弛法,這是顯式算法。Flac就是主要例子。
| 顯式算法 | 隱式算法 |
每步求解方法 | 矩陣乘法 | 線性方程組 |
時(shí)步穩(wěn)定性 | 有條件 | 無條件 |
適用問題 | 動(dòng)力中心差分法 動(dòng)力動(dòng)態(tài)松弛法 靜力動(dòng)態(tài)松弛法 | 動(dòng)力Newmark法 動(dòng)力靜態(tài)松弛法 |
四、總結(jié):
1) 求解線性靜力學(xué)問題,雖然求解線性方程組,但是沒有時(shí)步的關(guān)系,所以不應(yīng)將其看作隱式算法。
2) 求解非線性靜力學(xué)問題,雖然求解過程需要迭代,或者是增量法,但是沒有明顯的時(shí)步問題,所以不應(yīng)將其看作隱式算法。
3) 靜態(tài)松弛法,可以認(rèn)為是將動(dòng)力學(xué)問題看作靜力學(xué)問題來解決,每一步達(dá)到靜力平衡,需要數(shù)值阻尼。
4) 動(dòng)態(tài)松弛法,可以認(rèn)為是將靜力學(xué)問題或者動(dòng)力學(xué)問題,分為時(shí)步動(dòng)力學(xué)問題,采用向后時(shí)步迭代的思想計(jì)算。對于解決靜力學(xué)問題時(shí),需要人工阻尼
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