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3.4 总刚度矩阵在计算机中的存储
一. 研究总刚度矩阵存储策略的必要性
从总刚的生成方式以及有限元的本质来看,总刚必然是一
( )
个稀疏矩阵,其元素个数与节点总数 自由度总数 的平方成正比。
一个中小规模的有限元分析,涉及的总刚元素个数也可能相当多。
完全存储这些元素,即使在计算机技术相当发达的今天,既无必
要,也不现实。
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如在工程实际分析中,使用 个节点,每节点有 个自由
度,则总刚度矩阵元素为9×108个,若使用双精度数,则存储所
有刚度矩阵元素需要7.2×109个字节,约6.7G内存。而若每个节
点和80个节点相连,则所有的非零元素共有7.2×106个,约需要
7.2M内存。
大量零元素的存储,不仅浪费了大量内存,同时对零元素不
必要的操作,也将耗费计算时间。因此必须寻求一种高效的总刚
度矩阵的存储策略。
二.常用的总刚度矩阵的存储策略
固定带宽存储策略
带宽:即从每一行的第一个非零元素到该行最后一个非零元素,
其间所有的元素个数。
半带宽:即从每一行的第一个非零元素到该行主对角元,其间所
有元素的个数。
所谓固定带宽存储策略,就是寻找出总刚度矩阵的最大半带
宽,以此最大半带宽作为每行的半带宽,以存储总刚的下三角部
分。
该方法简单,且总刚度矩阵仍保持二维形式,便于对总刚度
矩阵的使用。但该法过于依赖节点编号顺序,若最大半带宽远远
大于平均半带宽,则会耗费较多的存储空间。
目前已几乎不采用该类存储方式。
变带宽一维存储策略
即将总刚下三角部分在半带宽内的元素,按行依次存储在一
维数组中。总刚度矩阵变为一维形式,算法较为复杂;但对节点
编号顺序依赖性较小,是对称刚度矩阵最常用的存储策略。
紧凑存储策略
该法只存储总刚度矩阵的所有非零元素 (半带宽内通常会有
少量零元素)。
它通过存储每个元素的行号、列号以及元素值来完成对总刚
度矩阵的存储。在程序实现上,通常使用链表这样的数据结构。
它适合于不破坏总刚元素的求解线性方程组的迭代算法。
其它的存储策略
稀疏矩阵的存储策略,还包括三元表、十字链表法等等。
此外,对于有限元分析中广泛存在的非对称刚度矩阵的情
况,也还有相应的算法。
三.总刚度矩阵全带宽与半带宽的计算
此处以弹性力学平面问题的有限元为例进行讲解,但原理
适用于一切类型的有限元分析。
K
K
设总体刚度矩阵KK
⎡k k L L L k ⎤
11 12 1n
⎢ ⎥
k k L L L k
⎢ 21 22 21 ⎥
⎢ M M L L L M ⎥
K
K
KK= ⎢ ⎥
⎢ M M L L L M ⎥
⎢ M M L L L M ⎥
⎢ ⎥
⎢k k L L L k ⎥
⎣ n1 n2
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