網格無關性驗證方法


 

弟:“上次說到了在進行計算結果評估的時候需要做無關性評價,這個無關性的概念應該怎么去理解呢?”

 哥:“這里的無關性驗證主要是指網格無關性,在一些特殊在場合中可能包括有時間步長無關性檢驗。但是稍微有點數值計算常識的人都知道,計算結果不可能與網格大小無關的。我們這里的無關是一種近似的概念。”

弟:“求真相。”

哥:“我們先討論網格無關的概念,步長無關的概念與這個相似。數值計算中之所以需要網格,是由所采取的算法密切相關的。當前的主流偏微分方程數值離散方法都是先計算節點上的物理量,然后通過插值在方式求得節點間的值。因此,從理論上講,網格點布置得越密集,所得到的計算結果也越精確。”

哥:“但是網格不可能無限制的加密。主要存在的問題有:風格越密,計算量越大,計算周期也越長。而我們的計算資源總是有限的。其次,隨着網格的加密,計算機浮點運算造成的舍入誤差也會增大。因此在實際應用中,使用者總是在計算精度與計算開銷間尋求一個比較合適的點,這個點所處的位置就是達到網格無關的閾值。”

弟:“你的意思是,網格的數量會影響計算精度,也會影響求解開銷,這兩個東西是相互矛盾的,使用者需要找到一個比較合適的風格密度,不會損失太多的精度,計算開銷上也能過得去,對吧?”

哥:“嗯,就是這個意思。實際上,大部分的情況下,網格加密到一定程度后,計算結果的變化已經相當小了。”

弟:“我想我有些明白了。所謂網格無關性驗證,實際上就是驗證計算結果對於網格密度變化的敏感性。也就是不斷的改變網格的疏密,觀察計算結果的變化,若其變化幅度在允許的范圍之內,我們就可以說計算值已經與風格無關了。但是在實際計算過程中,我們應該怎樣去操作呢?”

哥:“在實際計算之前,我們就應當對計算過程有一個規划,在划分網格的時候,常常需要根據計算機配置估計能處理問題的規模,通常是估計計算網格的數量,正常情況下,1G的內存大概能求解100W網格。首先划分相對粗糙的網格進行初步計算,對於試算的結果進行評估,在流場趨勢基本正確的情況下逐步加密網格,將多次計算結果進行對比,當然這其中有試驗數據作為參考的話效果更好。”

弟:“如何加密網格呢?正常情況下計算模型的風格並非均勻分布的啊 

哥:“你說的沒錯,我們也只能說是大概的加密。很多前處理網格划分軟件都支持全局網格尺寸設置,可以

修改全局網格尺寸。對於模型的敏感位置,可能需要更加精確的網格控制。在實際計算中,我們采用2倍加密的方式,也就是說,加密后的網格數量大約是之前的兩倍,為了達到目的,我們在2D幾何中,每次設置全局網格尺寸為加密前的1.4倍,而3D幾何則設置為1.26倍。”

弟:“恩,網格無關性的概念我清楚了,你再說說時間步長無關性吧”

哥:“我們知道,瞬態計算中的時間步長選取是有講究的,太大的時間步長會導致計算發散,而時間步長過小的話,又會大大的增加計算時間,因此我們需要選擇一個合理的時間步長。”

哥:“和網格無關性的原理一樣,我們要選擇一個對計算結果影響較小而又滿足穩定性要求的步長。具體的選擇方式和網格無關性驗證步驟是相同的,所不同的只是時間步長沒有維數的差異!”

弟:“我明白了。除了你所說的方法,還有沒其它更方便的方式呢?”

哥:“恩,現在很多計算軟件都提供一種稱之為網格自適應的算法,就是利用計算結果去調整網格,利用此方法也可以達到網格無關性的目的。關於網格自適應方面的內容,我們以后再探討!”

弟:“好的,謝謝哥,我下去消化一下!”

 

 

自適應網格

  自適應網格方法概述

  自適應網格方法是指計算中,在某些變化較為劇烈的區域,如大變形、激波面、接觸間斷面和滑移面等,網格在迭代過程不斷調節,將網格細化,做到網格點分布與物理解的耦合,從而提高解的精度和分辨率的一種技術。自適應網格希望在物理解變動較大的區域網格自動密集,而在物理解變化平緩區域網格相對稀疏,這樣在保持計算高效率的同時得到高精度的解。自適應網格技術主要有移動網格方法和局部細化或粗化的網格方法。近三十年來,自適應網格方法一直引起國際學術界和各類應用部門的高度重視,並且成為網格方法研究的熱點問題,發展了很多方法,在一些領域應用非常廣泛。

  比如在成型過程模擬中,坯料遇到比較劇烈的變形時可以自動進行局部區域的網格細分,以提高這些部位計算的准確度,如圖9-1所示。自適應網格技術對沖壓成型是至關重要的,因為初始的沖壓板材通常比較平坦、形狀很簡單,采用有限元網格離散化時,如果網格較粗,可能引起較大誤差。但如果采用細密的有限元網格,將增加單元的總數,並且由於單元尺寸減小將降低極限時步長,增加計算的機時。雖然采用局部細分網格可以節省機時,但由於板料大變形和在模具中相對滑動,難以預測局部細分網格在初始狀態板料上的位置,而且局部細分網格在前處理時也有很大麻煩。自適應網格技術剛好解決了這一問題,並在時間與精度上巧妙地取得了平衡。自適應網格技術提高了對零件的表面質量(表面缺陷、擦傷、微皺紋等現象)判斷的准確性,並且可以節約大量的計算時間。


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