محاسبه شکل مدهای سیستم سازه – سیال به روش تکرار زیرفضا با انتقال تهاجمی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

چکیده

محاسبه مشخصات ارتعاش آزاد سیستم سازه سیال، مانند فرکانس‌های طبیعی و شکل مدهای سیستم، به نوع خاصی از مسایل مقدار ویژه نامتقارن منجر می‌شود. برای حل این مسائل نامتقارن، روش‌های استاندارد و شناخته شده حل مسائل مقدار ویژه باید اصلاح شوند. روش زیرفضای شبه متقارن روشی کاربردی در این زمینه است که از ماتریس‌های متقارن به جای ماتریس‌های نامتقارن اصلی استفاده می‌کند. در این روش، زمان لازم برای محاسبه زوج ویژه‌های مسائل سازه سیال به تعداد زیاد (مثلا بزرگتر از 40) بسیار زیاد خواهد بود. روش زیرفضای شبه متقارن تسریع یافته، با بهره‌گیری از تکنیک انتقال و کاهش اندازه زیرفضای تکرار، موجب افزایش کارآیی روش قبلی شده است. با این‌حال، در این روش مقدار انتقال بسیار محافظه‌کارانه و همیشه کمتر از آخرین مقدار ویژه همگرا شده انتخاب می‌شود. در این تحقیق یک تکنیک انتقال تهاجمی، که مقدار انتقال را بزرگ‌تر از مقادیر ویژه همگرا شده و در بین مقادیر ویژه در حال محاسبه انتخاب می‌کند، برای حل مسایل نامتقارن پیشنهاد شد. این تکنیک کارایی روش پیشین را حدود 30 تا 40 درصد بهبود بخشید. همچنین یک دامنه خطای قابل محاسبه به عنوان معیار همگرایی برای مسائل مقدار ویژه نامتقارن پیشنهاد شد. این دامنه خطا از یک سو دقت مقادیر ویژه همگرا شده را تضمین می‌کند و از سوی دیگر یک دامنه تقریبی برای مقادیر ویژه همگرا نشده به‌دست می‌دهد. این دامنه خطا برای انتخاب مقدار انتقال در تکنیک تهاجمی ضروری است. در این مقاله ابتدا روش‌های پیشین مورد مطالعه قرار گرفته و سپس روش پیشنهادی معرفی و با مثال‌های متعدد کاربردی امتحان شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Computing mode shapes of fluid-structure systems using subspace iteration method with aggressive shifting technique

نویسندگان [English]

  • Seyyed Asghar Arjmandi
  • Saed Rezaei
Civil Engineering Department, Engineering Faculty, University of Zanjan, Zanjan, Iran
چکیده [English]

Computing free vibration properties such as natural frequencies and mode shapes of fluid-structure interaction (FSI) systems leads to a special type of asymmetric eigen-problems. Standard methods for solving symmetric eigenvalue problems cannot be applied directly for solving these asymmetric problems and should be modified. The pseudo symmetric subspace iteration method is a well-known method in this field which uses symmetric matrices instead of original asymmetric ones. However, this method is not so efficient in computing high number eigenpairs of the fluid structure systems (say > 40). Accelerated pseudo symmetric subspace iteration method increases the efficiency of the basic method utilizing constant size subspace and shifting technique. However, this method uses a very conservative shifting value, which is always smaller than last converged eigenvalue. In this study, an aggressive shifting technique which selects shifting value larger than converged eigenvalues and near unconverged eigenvalues, is proposed to solve the asymmetric eigen-problems. This technique improves efficiency of the accelerated pseudo symmetric subspace iteration method by 30 to 40 percent. Also, a computable error bound is proposed as convergence criterion for the asymmetric eigen-problems. This error bound, on the one hand, guarantees the accuracy of the converged eigen values and, on the other hand, gives an approximate range for unconverged values. This error bound is necessary to select the shifting value in the aggressive technique. In this paper, previous methods were studied first and then the proposed method is investigated and examined by several practical examples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fluid-structure interaction system
  • asymmetric eigen problem
  • Aggressive shifting technique
  • subspace iteration method
  • convergence criterion
  • computable error bound
  • Lotfi, V. (2003). Seismic analysis of concrete gravity dams by decoupled modal approach in time domain. Electronic Journal of Structural Engineering, Vol. 3, 102-116.
  • Khazaee, A. and Lotfi, V. (2015). A new technique for determining coupled modes of structure-acoustic systems. Archive of Applied Mechanics, Vol. 85 (7), 955-967.
  • Stammberger, M. and Voss, H. (2009). On an unsymmetric eigenvalue problem governing free vibrations of fluid-solid structures. Electronic Transactions on Numerical Analysis, Vol. 36, 113-125.
  • Zheng, C. J., Bi, C. X., Zhang, C., Gao, H. F. and Chen, H. B. (2018). Free vibration analysis of elastic structures submerged in an infinite or semi-infinite fluid domain by means of a coupled FE–BE solver. Journal of Computational Physics, Vol. 359, 183-198.
  • Bathe, K. J. Solution methods for large generalized eigenvalue problems in structural engineering. National Technical Information Service, US Department of Commerce, 1971.
  • Arjmandi, S. A. and Lotfi, V. (2011). Computing mode shapes of fluid-structure systems using subspace iteration methods. Scientia Iranica, Vol. 18 (6), 1159-1169.
  • Bathe, K. J. and Ramaswamy, S. (1980). An accelerated subspace iteration method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 23 (3), 313-331.
  • Matthies, H. (1985). Computable error bounds for the generalized symmetric eigenproblem. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering, Vol. 1 (1), 33-38.
  • Chen, P., Gong, Y., Chen, Y., and Kulasegaram, S. (2011). An enhanced formulation of error bound in subspace iteration method. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering, Vol. 27 (1), 113-127.
  • Arjmandi, S. A. and Lotfi, V. (2013). Comparison of Three Efficient Methods for Computing Mode Shapes of Fluid-Structure Interaction Systems. Arabian Journal for Science & Engineering, Vol. 38 (4), 787-803.
  • Samii, A. and Lotfi, V. (2007). Comparison of coupled and decoupled modal approaches in seismic analysis of concrete gravity dams in time domain. Finite elements in analysis and design, Vol. 43 (13), 1003-1012.
  • Wilson, E. L. and Itoh, T. (1983). An eigensolution strategy for large systems. Computers & Structures, Vol. 16 (1-4), 259-265.
  • Bathe, K. J. and Dong, J. (2014). Component mode synthesis with subspace iterations for controlled accuracy of frequency and mode shape solutions. Computers & Structures, Vol. 139, 28-32.
  • Zhao, Q. C., Chen, P., Peng, W. B., Gong, Y. C. and Yuan, M. W. (2007). Accelerated subspace iteration with aggressive shift. Computers & Structures, Vol. 85 (19), 562-1578.