理论教育 线性方程组解法:直接解法和迭代解法的选择

线性方程组解法:直接解法和迭代解法的选择

时间:2023-11-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于有限元分析需要使用较多的单元,线性方程组的阶数很高,因此有限元求解的效率很大程度上取决于线性方程组的解法。线性方程组的解法分为两大类:直接解法和迭代解法。直接解法以高斯消去法为基础,包括高斯消去法、等带宽高斯消去法、三角分解法,以及适用于大型方程组求解的分块算法和波前法等。在方程组的阶数不是特别高时,通常采用直接解法。

线性方程组解法:直接解法和迭代解法的选择

由于有限元分析需要使用较多的单元线性方程组的阶数很高,因此有限元求解的效率很大程度上取决于线性方程组的解法。利用矩阵的对称、稀疏、带状分布等特点提高方程求解效率是关键。线性方程组的解法分为两大类:直接解法和迭代解法。

直接解法以高斯消去法为基础,包括高斯消去法、等带宽高斯消去法、三角分解法,以及适用于大型方程组求解的分块算法和波前法等。

迭代算法有高斯—赛德尔迭代、超松弛迭代和共轭梯度法等。

在方程组的阶数不是特别高时,通常采用直接解法。当方程组的阶数过高时,为避免舍入误差和消元时有效数损失等对计算精度的影响,可以选择迭代方法。

定义二维数组STIFF[NROW,NHBW]保存系数矩阵,定义DISPL[NROW]保存方程组的右端向量,其中IN、NROW为系数矩阵行的数目,NHBW为最大半带宽。(www.daowen.com)

这里给出了用Fortran语言编写的等带宽高斯消去法的核心代码。

根据等带宽存储的编码规则,可知等带宽高斯消去法与高斯消去法完全一致。用K行消去I行时(IK),其中STIFF(KL)为矩阵元素AKI,即AIK;STIFF(K,1)为矩阵元素AKK,STIFF(KM)为矩阵元素AKJ。等带宽高斯消去法还原为

与高斯消去法一致。

ANSYS软件提供了多种求解器,分为直接解法和迭代解法。根据计算规模可以选择不同的求解器。直接解法包括波前法(Frontal Solver)和稀疏法(Sparse Direct Sovler)。迭代解法包括雅可比共轭梯度法(Jacobi Conjugate Gradient Solver,JCG)、不完全共轭梯度法(Incom-plete Cholesky Conjugate Gradient Solver,ICCG)、预处理共轭梯度法(Preconditioned Conjugate Gradient Solver,PCG)、代数多格法(Algebraic Multigrid Solver,AMG)和区域分割法(Distribu-ted Domain Solver,DDS)。

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