第18卷第2期
2005年6月
振 动 工 程 学 报
JournalofVibrationEngineering
V01.18No.2
Jun.2005
快速子空间迭代法、迭代Ritz向量法与
迭代Lanczos法的比较
宫玉才,周洪伟,陈 璞,袁明武
(北京大学力学与工程科学系,北京100871)
摘要:以高效的细胞稀疏直接快速解法为核心步骤,实现了快速的固有振动广义特征值问题解法。并在相同的允
许模态误差的意义下检验了三种常用的大型矩阵特征模态算法——子空间迭代法、迭代Ritz向量法和迭代Lanc—
ZOS法的计算效率。迭代Ritz向量法平均最快。子空间迭代法最慢,三种解法效率相差不是太大。与ANSYS的子空
间迭代和Lanczos法相比,本文的子空间迭代比ANSYS的效率高很多,Lanczos法和ANSYS的效率差不多。大量
较大规模的例题显示,本文对特征值算法的改进是十分有效的,算法的健壮性,通用性都达到了高水平。
关键词:结构振动;特征值;子空间;迭代法
中图分类号:0327;0151.21文献标识码:A 文章编号:1004-4523(2005)02一0227—06
1振动特征值问题
在工程有限元分析中常常要求解广义代数特征
值问题
K妒一剐订P一0 (1)
的部分低阶特征值与特征向量。对于矩阵阶数超过
1000的大型问题,子空间迭代法、Ritz向量法和
Lanczos法被公认为求解部分低阶极端特征值和特
征向量的有效方法。尽管国内外的有限元软件都提
供广义代数特征值问题(1)的多种解法,但结果仍然
不能令人完全满意,漏根与多根、自由模态误判都时
有发生。
传统上,低端特征值问题求解过程极度依赖于
谱变换的线性方程组
(X—fYM)x=LDLTz=My(2)
的解法,移轴矩阵x一卢M的LDLl三角分解是计算
量最大的。在以变带宽解法为核心步骤的特征值解法
中,它常常占到特征值问题计算时间的70%~90%。
本文采用了文Ef]提出的一个效率非常高的有限元解
法——细胞稀疏直接快速解法(简称细胞解法)替换
变带宽解法,极大地提高了三角分解的效率。
如果要求不太多的特征模态,例如10个,通常
认为Ritz向量法和Lanczos法具有比子空间迭代
法更高的计算效率,Ritz向量法和Lanczos法比子
空间迭代法平均快4~10倍[2]。但是,标准的Ritz
向量法和Lanczos方法对收敛的判定是相对含糊
的,在实际工程计算中可能造成漏根或多根。
传统上,子空间迭代用特征值的两次迭代的相
对误差不等式
监丢I掣≤b (3)】(卜P1)l \。^ 、o7
控制收敛,而Lanczos法用其过程中的不等式
I酊1一可jl≤I成s。iI<% (4)
控制收敛。在大量的工程计算中,发现在允许误差
e。=£。=10叫的情形下,除最低的10多阶模态之外,
子空间迭代与Lanczos法所得到的特征向量精度都
可能不令人满意。这一现象对Lanczos方法尤为严
重,原因是采用逆迭代技术时,高阶的、密集的特征
值不易分离。
关于特征模态的收敛,不同的算法往往采用不
同的标准,相对速度的比较不是很客观。对于特征模
态的近似(瓦,磊),在各种算法中可以统一用模态误
差(5)代替特征值误差作为收敛判据,来衡量算法
的效率。等≈锗≤%㈣
模态误差有明显的物理意义,K像是振型毂的最大
弹性节点力,而九M豫是振型纷的最大惯性节点
力。式(5)的最左端是非平衡节点力与最大弹性节点
收稿日期:2004—08—23;修订日期:2004—12—15
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20030001112)
万方数据
228 振 动 工 程 学 报 第18卷
力之比,中间是非平衡节点力与最大惯性力之比[3]。
大量算例
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明,在模态误差的意义之下,收敛过
程平稳,三种解法效率相差不是太大。迭代Ritz向
量法平均最快,子空间迭代法最慢。
本文最后还与ANSYS8.1的子空间迭代法和
块Lanczos法进行了比较。
2算法描述
2.1子空间迭代法
子空间迭代法最初是由Clint和Jennings提
出,是反幂法的推广[4]。稍后,Bathe和Wilson在其
中加入了子空间上的Rayleigh—Ritz过程。它可以明
显地改善收敛速度[4’5]。以下是一个子空间迭代算法
的主要步骤。
I.初始化
(1)确定子空间的维数q;
(2)选取初始向量矩阵x∈RⅣ×9;
(3)设定每次移轴的最大迭代次数,。。。。
Ⅱ.移轴与Sturm序列校核
(1)计算移轴∥,应设法保证它不是特征值;
(2)分解移轴刚度矩阵K--,uM=LDLl;
(3)Sturm序列校核。
Ⅲ.迭代J。。,次,完成后转向I
(1)将X进行M一正交归一化;
(2)解试向量矩阵X1一(LDLT)_‘MX;
(3)计算K和肘在x。上的投影,
K。一X'[KXl,M。一XTMXl;
(4)求解q阶广义特征值问题K。西’一
M+西。A’;
(5)形成新的近似特征向量x=x,西。;
(6)按模态误差判断特征值和特征向量的收敛,
移出已收敛的特征向量,并在x中加入随机向量或
减缩子空间的大小。
子空间迭代法假设q个初始向量同时进行迭
代,求得前P个特征值和特征向量。传统上,q—
min(2p,户+8),但模态数需求较多时,这种取法显
然是不现实的。经验表明,子空间维数可取q—
max(√s,4),其中S为L中一行的平均非零元个
数,由第Ⅱ与Ⅲ步计算量之比确定。
2。2迭代Ritz.向量法
Ritz向量法是由Wilson,Yuan(袁明武)和
Dickens在1982年提出的‘6|,也称为WYD—Ritz向
量法,最初用来求解地震的动力响应问题。后来,袁
明武等将其用于大型特征值问题的计算,使它成为
一种极为有效的特征值算法‘川。
引入迭代可以改善特征值与特征向量的精度,
具体步骤如下:
I.初始化
(1)确定块Ritz向量法块宽q与生成步数r;
(2)选取初始向量矩阵Q。∈RⅣ×9;
(3)设定每次移轴的最大迭代次数J。。。。
Ⅱ.移轴
(1)计算移轴∥,应设法保证它不是特征值;
(2)分解移轴刚度矩阵K--,uM-一LDLl;
(3)Sturm序列校核。
11I.迭代Im.x次,完成后转向Ⅱ
(1)对k=0,1,⋯,r一1解LDLT办+。=MQ^,然
后将珐+。对已收敛的特征向量以及Q。,Qz,⋯,么作
M一正交归一化,并形成9+t;
(2)计算K在Q=(Q。,Q:,⋯,Q,)上的投影,
K。一Q1KQ;
(3)求解q×,‘阶标准特征值问题x’圣。=
面。A’。
(4)形成新的近似特征向量X—Q中’;
(5)按模态误差判断特征值和特征向量的收敛,
移出已收敛的特征向量;
(6)如果达到了预期的特征值个数,退出;否则
将未收敛的前q个近似向量作为初始向量进行下一
次迭代。
2.3迭代Lanczos方法
Lanczos方法是在20世纪50年代初提出的,
它用正交向量组约化对称矩阵为三对角矩阵。70年
代以前它被认为不稳定,用于实际计算不多。1972
年,Paige证明了失去了正交性的充分必要条件是
其投影矩阵的特征值收敛到原矩阵的特征值。此后,
Wilkinson等建议了重正交化
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
,Golub,Cullum
和Donath,Underwood等建议了块Lanczos方法,
Underwood建议了迭代Canezos方法[8.9]。
本文采用一个带重正交的迭代块Lanczos方
法,向量生成步骤与上面的迭代Ritz向量法一致,
其差别是Lanczos方法利用了Ritz向量生成过程
中的正交归一化系数。迭代Lanczos方法的第1,Ⅱ
步与迭代Ritz向量法完全一致,为了节省篇幅,仅
给出第Ⅲ步中的第(1),(2)步。
Ⅲ.迭代Ira.,次,完成后转向Ⅱ
(1)对志=0,1,⋯,r解LDLT兹+。=MQ,,然后 万方数据
第2期 宫玉才,等:快速子空间迭代法、迭代Ritz向量法与迭代Lanczos法的比较 229
将么+。对已收敛的特征向量以及Q。,Q:,⋯,g作
M一正交归一化,并形成g+。。在此过程中依次形成
T。;
(2)求解q×,.阶标准特征值问题r。圣。一
圣。以。。
文献上一般都将Krylov空间Span(Q,,Q2,⋯,
Q,)的维数取得较大,例如为待求特征值个数的2
倍,以期一次完整的Lanezos过程得到全部想要的
模态。本文是在较小的Krylov空间上完成I.anczos
过程,然后用最好的q个近似特征向量作为下一次
Lanczos过程的初始向量。这样的方案是一个子空
间迭代与Krylov空间结合的算法,具有与子空间迭
代法同样的可靠性,在文献上还较为少见。
2.4程序实现
在程序实现中,移轴三角分解,向前消元和向后
回代采用了细胞解法[1],它的综合效率是变带宽解
法的数倍至数百倍。在其它方面,循环展开也广泛地
应用于各种计算加速中,例如正交归一化等。算法中
需要多次计算的乘积KX采用稀疏总体刚度矩阵与
向量乘积的方案计算,它的计算量与计算时间比求
解方程(2)小一个量级以上,因而不影响整体的计算
效率。
如果在正交化过程中,一个向量正交化以前的模
与正交化以后的模之比超过了某一阈值,将对此向量
实施双正交化,即对已正交化的向量再实施正交化。在
下面的数值试验中,这一阈值取为10”。
为节省计算量,Ritz向量法与Lanczos法的第
Ⅲ步在形成新的特征向量时,未计算全部Rayleigh—
Ritz特征值相对应的近似特征向量。
在子空间迭代法中,投影特征值问题的解法选
用了广义Jacobi方法[3],允许误差取为2-24。在
Lanczos方法和Ritz向量法中,求解投影特征值问
题采用了Householder变换与QI,方法的组合n0|。
根据经验,子空间迭代法中与一次移轴三角分
解相应的最大迭代次数取为
Im。。=max(O.5Ns2/(3Nq2+2Nq+lOq3),6)
迭代Ritz向量法与迭代I.anczos法块的大小一般
取g=4,步数r一6;这相当于Krylov子空间的维数
是24。类比于子空间迭代法,与一次移轴三角分解
相应的最大迭代次数取为
I。。。=max(O.5Ns2/(3Nq2r2+2Nqr+lOq3,.3),4)
三个算法的Sturm校核均取后验方式,移轴的
首选为下两个待收敛特征值之中点,即
户一0.5(Al+1+丸+2)
若失败,则选为
卢一九+0.98(I{+l一九)
式中凡是最后一个已收敛的特征值,≈+。,≈+。是
下两个待收敛的特征值。
3算例与讨论
大量的实际工程问题被用来检验本文的三种方
法,限于篇幅仅在表1和表2中列出一小部分,其中
PKUSTK系列在以前的研究中已多次使用[1‘11|。必
须强调,基于半带宽解法或变带宽解法的特征值算法
求解这些阶数的问题时,在时间和空间上都是十分困
难的,特别是求解数十个特征模态时。
算例与讨论的第一部分是三个解法自身的比
较,第二部分是本文的方法与WindowsNTAN—
SYS8.1的速度比较。
测试平台是Window2000或WindowsXP,
CPU均为PentiumIV系列,编译器选用的是Corn—
paqVisualFortran6.5,编译中未对特定处理器优
化。测试程序接受Harwell—BoeingRSA矩阵交换格
式‘l2{。
3.1 三种广义特征值解法的比较
这一部分的数值试验都在一台带IDE磁盘、内
存为512MB、操作系统为中文Windows2000的
PentiumIV2.0机器上进行的。目标是在相同的精
度要求下,比较三种解法在模态误差意义下的求解
效率,即计算量与求解时间。三种方法的数据区大小
均控制在384MB,所有计算可在内存中完成。表1
给出了例题的工程背景以及大小,表2则是计算时
间、移轴次数和迭代次数。这部分试验例题是由
SAP84生成的,并间接转换成Harwell—BoeingRSA
格式‘l31。
表1试验例题以及其说明
万方数据
230 振 动 工 程 学 报 第18卷
表2计算lO个与80个特征模态所需的CPU时间(单位:s)与计算次数
10 51.14 l 6 48.52 1 3 47.67 1 3
PKUSTKll
80 945.628 145 399.327 26 330.17 6 21.62 8 145 .32 7 2 .
10 1.30 1
GUIZHEN
80 19.90 7
11 1.05 1
129 7.25 5
3 O.95 1
20 7.12 6
10 3.59 2
PALACE
80 39.01 7
15 2.70 1
126 19.93 7
4 3.61 2
24 19.84 7
表1中neq是方程组的大小,而lKl与lLl分别
是刚度矩阵与它的三角因子的存储量。表2中的8
个算例中,PKUSTK03,PKUSTKl3,MM—08特征
值分布密集。
计算过程中,除PKUSTK03的允许模态误差
选为%=10叫之外,其它各例题的允许模态误差均
取为岛一10~。三种算法求得的固有振动特征值的
前6位有效数字完全一致。各算例的各阶特征值最
大相对误差为2.56×10一,平均为1.56×10一。这
间接说明了三种迭代方法的可靠性。平均意义下,迭
代Ritz向量法最快,它的计算速度是子空间迭代法
的2倍左右。迭代Lanczos法比迭代Ritz向量法稍
慢一点,但仍然比子空间迭代法快。
算例PKUSTK03的对象是一个内有24个互
相连接的筒仓大方钢仓,它的固有振动特征值十分
密集。在70.49到130.82的区间内分布了79个特
征值,两个相邻特征值之间的相对差有的在10_4的
量级。如采用式(3)的特征值相对误差控制子空间迭
代的收敛,在取e-一10_8时,仍不能很好地控制收
敛。用£,=10_3计算时也出现了收敛到不正确特征
值与特征向量的例子,三种方法的同阶特征值计算
结果的最大相对误差达1.47X10~。在取£,一10-4
后,三个方法的特征值结果的最后相对误差降为
1.12×10~。一般来说,取更小的£,需更长的求解
时间。测试表明:%一10-3与%一10_4的求解时间的
相对差为10%到17%,但也有例外,MM—08的子空
间迭代法用£,=10_4作为收敛判据的求解时间为
885.43S,而用£,=10-3时的求解时间为1098.28
S,这可能是由于低阶模态的精度提高所引起的。
子空间迭代法的实际测试中发现,%=10_3大
致相当于旬=10_7或更小,£,=10叫则相当于e^=
10~。
另外,本文的Lanczos方法与WYD—Ritz向量
法采用的方案基本上是一致的,所以它们的计算时
间大致相同。
3.2与ANSYS的比较
为了说明本文方法与国际先进水平的相对速
度,与WindowNTANSYS8.1的子空间迭代法和
块Lanczos方法进行了对比。表3所列的有限元模
型是在ANSYS中形成的,并通过DUMP命令导出
Harwell—BoeingRSA格式的总体刚度矩阵与聚集
总体质量矩阵。
所有的比较是在PentiumIV2.4,512MB
RAM的机器上进行的,操作系统为WindowsXP。
在测试中,本文的三种算法仍采用e,=10q作为收
敛判据,ANSYS的子空间迭代法的收敛判据应为
式(3),ej一10一。ANSYS与NASTRAN的块Lanc—
ZOS法均采用了文献E143上的一个精巧方法。表3
与表4分别给出了试验例题以及计算所用的CPU
时间。
万方数据
第2期 宫玉才,等:快速子空间迭代法、迭代Ritz向量法与迭代Lanczos法的比较 231
表3 ANSYS试验例题以及它们的说明
表4 ANSYS与本文特征值计算方法的CPU时间
比较(单位:s)
算例TABT的特征值分布不密集;算例
BUAAl为一具有1个刚体自由度结构,特征值分
布较密集;算例BUAA2为一具有6个刚体自由度
结构,重根、特征值分布较密集。
除BUAA2之外,ANSYS与本文几种算法的
周期结果在6位有效数字的范围内完全一致。
BUAA2为一具有6个刚体自由度的轴对称结构,
它有多对二重根。计算中,ANSYS的Lanczos算法
未能正确识别全部6个刚体自由度。ANSYS的子
空间迭代则不能发现全部重根;在计算10个特征值
时遗漏了4个重根从而导致迭代失败,计算20个特
征值时出现不收敛的现象。
与ANSYS的子空间迭代比较,本文的子空间
迭代法不仅具有明显的速度优势,而且在计算控制
上也更胜一筹。与ANSYS的块Lanczos法相比,本
文的迭代Ritz向量法与迭代Lanczos法是相当保
守和安全的,算法上还不够精巧。本文方案的迭代次
数与三角分解次数明显多于ANSYS的,但由于采
用的细胞解法的三角分解速度以及消元回代速度比
ANSYS的相应算法快一些,才使得本文的方案在
整体上略有优势。在计算少量特征模态时,三角分解
的计算时间起控制作用,本文的方法比ANSYS快,
但求较大数量的特征值时,迭代占去较大部分的计
算时间,与ANSYS之问的差距缩小。
ANSYS的块Lanczos方法采用了多Lanczos
步的方案n引,它对特征值不密集的结构相当有效,
但当特征值密集时,本文采用的少Lanczos步骤的
方案更为有利。 .
如只采用类似式(3)的特征值不等式控制迭代
Lanczos方法收敛,本文的方法速度可以提高30%
到70%,但求解大量特征值时出现数个“幽灵”特征
值。
4 结 论
本文在广义特征值计算中实现了以下几个改
进:
(1)用细胞解法替代了变带宽解法;
(2)用模态误差替代了特征值相对误差;
(3)循环展开用于特征值解法的各个环节。
本文的改进使得固有振动广义特征值计算的速
度提高1个量级以上。细胞解法的引入改变了特征
值解法中三角分解与迭代的计算量之比,多次移轴
在大中型实用计算上成为可能;模态误差收敛判据
使固有振动特征模态计算的过程变得平稳。
经验表明,模态误差比特征值误差更能反映特
征值问题计算的精度。在计算较多模态时,模态误差
应该作为首选的收敛判据。在实际工程计算中可将
式(5)与式(3)的逻辑“或”作为收敛判据,并取£-=
10-4《。这一做法保证了绝大部分特征向量是按模
态误差收敛的。
在没有移轴的情形下,许多研究都认为Lanc—
ZOS方法与Ritz向量法比子空间迭代快5~10
倍阻13],但在允许以较小的代价实施移位时,本文的
I.anczos方法与Ritz向量法仅比子空间迭代法快2
倍左右。
致谢感谢美国Virginia大学的秦钧博士关于
Lanczos方法的通信以及部分源代码,作者感谢北
京航天航空大学504教研室的硕士生陈展同学提供
了ANSYS的算例BUAAl和BUAA2,并帮助进行
计算。
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Comparisonofsubspaceiteration,iterativeRitzvectormethod
anditerativeLanczosmethod
GONGYu—cai,ZHOUHong—wei,CHENPu,YUANMing—wu
(DepartmentofMechanicsandEngineeringScience.PekingUniversity.Beijing100871,China)
Abstract:Basedonthecellsparsefastsolverandloop—unrolling,thispaperimplementsthreeefficienteigenvaluealgo-
rithms--subspaceiteration,iterativeRitzmethodanditerativeLanczosmethod.Slightmodificationsaremadeforiterative
RitzmethodanditerativeLanczosmethod.Theseeigenvaluealgorithmsareexaminedunderthemodeerror·i.e·theratioof
out--of··balancenodalpointforcesthatisthedifferenceofmaximumelasticnodalpointforcesandmaximuminertianodalpoint
forces,andthemaximumelasticnodalpoint.Averagely,iterativeRitzmethodisthemosteffcientoneamongthem.Engi—
neeringprojectsareusedasexamplestoverifythemethods.Underthemodeerrorconvergencecriteriontheeigenvalueex—
tractingprocessesaremorestablethaneigenvalueconvergencecriteria.ComparedwithANSYS’ssubspaceiterationandblock
Lanczosapproaches,thesubspaceiterationofthispaperismuchmoreefficient,andLanczosapproachhasalmostequaleffi—
ciency.Themethodsproposedareofindustrialstrengthandefficient.Largescaletestsshowthattheimprovementinterms
ofCPUtimeandstoragerequestistremendous.
Keywords:structuralvibration;eigenvalue;subspace;iterationmethods
作者简介:宫玉才(1980一),男,硕士研究生。电话:(010)51605333;E—mail:gongyc@pku.edu.cn
通讯作者:陈璞(1962一),男,博士,副教授。电话:(010)62751828;E—mail:chenpu@,pku.edn.cn
万方数据
快速子空间迭代法、迭代Ritz向量法与迭代Lanczos法的比较
作者: 宫玉才, 周洪伟, 陈璞, 袁明武, GONG Yu-cai, ZHOU Hong-Wei, CHEN Pu, YUAN
Ming-wu
作者单位: 北京大学力学与工程科学系,北京,100871
刊名: 振动工程学报
英文刊名: JOURNAL OF VIBRATION ENGINEERING
年,卷(期): 2005,18(2)
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1. 宫玉才.陈璞.袁明武 子空间迭代法、迭代Ritz向量法与迭代Lanczos法的比较[会议论文]-2003
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1.周自维.吕健.冯娜.吴飞 基于ABAQUS的无心外圆磨床砂轮架模态分析[期刊论文]-现代机械 2012(3)
2.张静.刘明辉.郑钢铁 Lanczos-QR方法在大型非比例阻尼结构复模态计算中的应用[期刊论文]-振动与冲击
2011(5)
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2009(4)
8.许益明.赵现朝.高峰.张建政 一种新型六维加速度传感器的结构
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与分析[期刊论文]-机械设计与研究
2009(1)
9.王玉娥.于晓岩.龚昕 短程线型单层球面网壳的自振特性分析[期刊论文]-山西建筑 2008(12)
10.郭瑞林.吴培培.晏杰芳 肋环型单层球面网壳结构的频谱特性分析[期刊论文]-江西科学 2007(4)
11.赵美田 使用地震响应谱对桥梁进行动力学有限元分析[学位论文]硕士 2007
12.宫玉才 子空间迭代法几种加速方案的评价和一种新的改进方案[学位论文]硕士 2006
13.彭文波 子空间迭代法求解广义特征值问题的改进[学位论文]硕士 2005
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