[发明专利]基于METIS的含球铰多体系统图划分方法

说明书

本发明公开的基于METIS的含球铰多体系统图划分方法，属于大规模多体系统并行仿真预测领域。本发明实现方法为：生成节点编号矩阵与自由度编号矩阵；生成受约束节点编号矩阵；自由度编号缩减；自由度编号替换；删除球铰约束方程；节点编号替换；生成记录多体系统节点连接关系的两个数组；生成节点权重矩阵；对含球铰约束多体系统进行METIS图划分处理。本发明通过缩减以及替换节点自由度编号能够减少系统整体自由度规模，消除多体系统中的球铰约束方程；通过替换节点编号解决METIS无法处理含球铰约束多体系统的问题；本发明提出的针对球铰约束处理方法的节点权重矩阵计算规则，使得对含多种有限元建模的多体系统进行METIS图划分时获得质量更高的分区结果。

技术领域

本发明属于大规模多体系统并行仿真预测领域，具体涉及一种基于METIS的含球铰多体系统图划分方法。

技术背景

随着航天科技的迅速发展以及航天应用需求的日益增长，航天器上的天线、太阳帆等可展开空间结构正朝着大型化、轻柔化发展。发展大型空间可展开结构技术，将对提高我国未来在国际空间技术的核心竞争力有重要意义。由于在地面无法对这类大型空间可展开结构实施微重力、真空等太空环境下的模拟展开试验，而在太空进行展开试验的风险和资金更难以承受，因此迫切需要对大型空间结构的展开过程进行准确的动力学建模和分析，进而保证设计的有效性。

大型空间可展开结构由大量的梁、杆及薄膜等柔性杆件构成，是一个典型的柔性多体系统。已有研究表明，基于小变形、小转动假设的柔性多体系统动力学建模方法已无法描述日益轻柔的空间结构展开过程，采用绝对节点坐标方法(ANCF)能够描述空间展开结构柔性构件的大变形、大转动耦合动力学特征。但由于空间可展开结构日益复杂的结构与功能，采用该方法研究其展开动力学过程，存在着计算规模大、计算成本高的问题。基于区域分解的并行算法通过将多体系统动力学模型划分为多个区域，通过多核同时计算各区域中的模型并通信少量关键信息，可显著提高计算效率，有效解决上述问题。

目前，现有的区域分解并行算法多侧重于多体系统动力学模型的区域划分，属于前处理方法，以及计算过程中界面问题的预处理算子的构造，属于后处理方法。属于前处理方法的区域划分方法，其目的在于获得高质量的分区结果，包括几何分区法、组合分区法、谱分区法以及多级图分区法等等。其中METIS是基于多级图划分方法的一种非常有效的图划分算法，可以快速地生成高质量的分区，可用于对大型不规则图进行分区、对大型网格进行分区以及对稀疏矩阵分区重排，常用于大型空间可展开结构的并行仿真预测。随着多体系统功能不断丰富，内构件数量增多，使得物体间连接增加，这些连接中以球铰约束最为常见。目前基于图划分法的多体系统球铰约束处理方法鲜有出现，过多的球铰约束会增加多体系统的仿真建模难度，从而降低并行仿真预测效率，而为了降低计算成本并提高计算效率，对基于图划分法的多体系统约束处理方法提出了现实需求。

综上，目前METIS图划分方法在多体系统并行仿真预测中得到广泛应用，然而METIS方法对含有约束方程的多体系统进行图划分时如果划分到含约束的节点则会导致并行仿真无法收敛，从而使得并行仿真预测失效，多体系统的约束之中以球铰最为常见，因此如何处理含球铰的多体系统使得METIS能够应用于含球铰约束的多体系统并行仿真预测中的问题亟待解决。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明公开的基于METIS的含球铰多体系统图划分方法要解决的技术问题是：通过对球铰约束进行自由度编号缩减与替换，可以减少球铰多体系统整体自由度规模，能够提高并行仿真效率；通过对受球铰约束的节点进行节点编号替换，使得METIS算法在对含球铰多体系统进行图划分时能够避免划分到受球铰约束的节点导致并行仿真无法收敛，保证后续并行仿真预测的顺利进行，从而将METIS算法拓宽到能够对含球铰约束的多体系统进行图划分；通过消除多体系统中的球铰约束方程，能够提高并行仿真预测效率；通过提出针对球铰约束处理方法的节点权重矩阵计算规则，使得METIS方法应用能够在处理连接不同有限元模型结构的球铰约束多体系统时可以获得质量更高的图划分结果；本发明能够实现含球铰多体系统高效并行仿真预测，进而解决含球铰多体系统领域相关工程技术问题。