A two-level method for isogeometric discretizations based on multiplicative Schwarz iterations

Isogeometric Analysis (IGA) is a computational technique for the numerical approximation of partial differential equations (PDEs). This technique is based on the use of spline-type basis functions, that are able to hold a global smoothness and allow to exactly capture a wide set of common geometries. The current rise of this approach has encouraged the search of fast solvers for isogeometric discretizations and nowadays this topic is receiving a lot of attention. In this framework, a desired property of the solvers is the robustness with respect to both the polynomial degree p and the mesh size h. For this task, in this paper we propose a two-level method such that a discretization of order p is considered in the first level whereas the second level consists of a linear or quadratic discretization. On the first level, we suggest to apply one single iteration of a multiplicative Schwarz method. The choice of the block-size of such an iteration depends on the spline degree p, and is supported by a local Fourier analysis (LFA). At the second level one is free to apply any given strategy to solve the problem exactly. However, it is also possible to get an approximation of the solution at this level by using an h-multigrid method. The resulting solver is efficient and robust with respect to the spline degree p. Finally, some numerical experiments are given in order to demonstrate the good performance of the proposed solver

Robust multigrid methods for Isogeometric discretizations applied to poroelasticity problems

El análisis isogeométrico (IGA) elimina la barrera existente entre elementos finitos (FEA) y el diseño geométrico asistido por ordenador (CAD). Debido a esto, IGA es un método novedoso que está recibiendo una creciente atención en la literatura y recientemente se ha convertido en tendencia. Muchos esfuerzos están siendo puestos en el diseño de solvers eficientes y robustos para este tipo de discretizaciones. Dada la optimalidad de los métodos multimalla para elementos finitos, la aplicación de estosmétodos a discretizaciones isogeométricas no ha pasado desapercibida. Nosotros pensamos firmemente que los métodos multimalla son unos candidatos muy prometedores a ser solvers eficientes y robustos para IGA y por lo tanto en esta tesis apostamos por su aplicación. Para contar con un análisis teórico para el diseño de nuestros métodos multimalla, el análisis local de Fourier es propuesto como principal análisis cuantitativo. En esta tesis, a parte de considerar varios problemas escalares, prestamos especial atención al problema de poroelasticidad, concretamente al modelo cuasiestático de Biot para el proceso de consolidación del suelo. Actualmente, el diseño de métodos multimalla robustos para problemas poroelásticos respecto a parámetros físicos o el tamaño de la malla es un gran reto. Por ello, la principal contribución de esta tesis es la propuesta de métodos multimalla robustos para discretizaciones isogeométricas aplicadas al problema de poroelasticidad.La primera parte de esta tesis se centra en la construcción paramétrica de curvas y superficies dado que estas técnicas son la base de IGA. Así, la definición de los polinomios de Bernstein y curvas de Bézier se presenta como punto de partida. Después, introducimos los llamados B-splines y B-splines racionales no uniformes (NURBS) puesto que éstas serán las funciones base consideradas en nuestro estudio.La segunda parte trata sobre el análisis isogeométrico propiamente dicho. En esta parte, el método isoparamétrico es explicado al lector y se presenta el análisis isogeométrico de algunos problemas. Además, introducimos la formulación fuerte y débil de los problemas anteriores mediante el método de Galerkin y los espacios de aproximación isogeométricos. El siguiente punto de esta tesis se centra en los métodos multimalla. Se tratan las bases de los métodos multimalla y, además de introducir algunos métodos iterativos clásicos como suavizadores, también se introducen suavizadores por bloques como los métodos de Schwarz multiplicativos y aditivos. Llegados a esta parte, nos centramos en el LFA para el diseño de métodos multimalla robustos y eficientes. Además, se explican en detalle el análisis estándar y el análisis basado en ventanas junto al análisis de suavizadores por bloques y el análisis para sistemas de ecuaciones en derivadas parciales.Tras introducir las discretizaciones isogeométricas, los métodos multimalla y el LFA como análisis teórico, nuestro propósito es diseñar métodos multimalla eficientes y robustos respecto al grado polinomial de los splines para discretizaciones isogeométricas de algunos problemas escalares. Así, mostramos que el uso de métodos multimalla basados en suavizadores de tipo Schwarz multiplicativo o aditivo produce buenos resultados y factores de convergencia asintóticos robustos. La última parte de esta tesis está dedicada al análisis isogeométrico del problema de poroelasticidad. Para esta tarea, se introducen el modelo de Biot y su discretización isogeométrica. Además, presentamos una novedosa estabilización de masa para la formulación de dos campos de las ecuaciones de Biot que elimina todas las oscilaciones no físicas en la aproximación numérica de la presión. Después, nos centramos en dos tipos de solvers para estas ecuaciones poroelásticas: Solvers desacoplados y solvers monolíticos. En el primer grupo, le dedicamos una especial atención al método fixed-stress y a un método iterativo propuesto por nosotros que puede ser aplicado de forma automática a partir de la estabilización de masa ya mencionada.Por otro lado, realizamos un análisis de von Neumann para este método iterativo aplicado al problema de Terzaghi y demostramos su estabilidad y convergencia para los pares de elementos Q1 Q1, Q2 Q1 y Q3 Q2 (con suavidad global C1). Respecto al grupo de solvers monolíticos, nosotros proponemos métodos multimalla basados en suavizadores acoplados y desacoplados. En esta parte, métodosIsogeometric analysis (IGA) eliminates the gap between finite element analysis (FEA) and computer aided design (CAD). Due to this, IGA is an innovative approach that is receiving an increasing attention in the literature and it has recently become a trending topic. Many research efforts are being devoted to the design of efficient and robust solvers for this type of discretization. Given the optimality of multigrid methods for FEA, the application of these methods to IGA discretizations has not been unnoticed. We firmly think that they are a very promising approach as efficient and robust solvers for IGA and therefore in this thesis we are concerned about their application. In order to give a theoretical support to the design of multigrid solvers, local Fourier analysis (LFA) is proposed as the main quantitative analysis. Although different scalar problems are also considered along this thesis, we make a special focus on poroelasticity problems. More concretely, we focus on the quasi-static Biot's equations for the soil consolidation process. Nowadays, it is a very challenging task to achieve robust multigrid solvers for poroelasticity problems with respect physical parameters and/or the mesh size. Thus, the main contribution of this thesis is to propose robust multigrid methods for isogeometric discretizations applied to poroelasticity problems. The first part of this thesis is devoted to the introduction of the parametric construction of curves and surfaces since these techniques are the basis of IGA. Hence, with the definition of Bernstein polynomials and B\'ezier curves as a starting point, we introduce B-splines and non-uniform rational B-splines (NURBS) since these will be the basis functions considered for our numerical experiments. The second part deals with the isogeometric analysis. In this part, the isoparametric approach is explained to the reader and the isogeometric analysis of some scalar problems is presented. Hence, the strong and weak formulations by means of Galerkin's method are introduced and the isogeometric approximation spaces as well. The next point of this thesis consists of multigrid methods. The basics of multigrid methods are explained and, besides the presentation of some classical iterative methods as smoothers, block-wise smoothers such as multiplicative and additive Schwarz methods are also introduced. At this point, we introduce LFA for the design of efficient and robust multigrid methods. Furthermore, both standard and infinite subgrids local Fourier analysis are explained in detail together with the analysis for block-wise smoothers and the analysis for systems of partial differential equations. After the introduction of isogeometric discretizations, multigrid methods as our choice of solvers and LFA as theoretical analysis, our goal is to design efficient and robust multigrid methods with respect to the spline degree for IGA discretizations of some scalar problems. Hence, we show that the use of multigrid methods based on multiplicative or additive Schwarz methods provide a good performance and robust asymptotic convergence rates. The last part of this thesis is devoted to the isogeometric analysis of poroelasticity. For this task, Biot's model and its isogeometric discretization are introduced. Moreover, we present an innovative mass stabilization of the two-field formulation of Biot's equations that eliminates all the spurious oscillations in the numerical approximation of the pressure. Then, we deal with two types of solvers for these poroelastic equations: Decoupled and monolithic solvers. In the first group we devote special attention to the fixed-stress split method and a mass stabilized iterative scheme proposed by us that can be automatically applied from the mass stabilization formulation mentioned before. In addition, we perform a von Neumann analysis for this iterative decoupled solver applied to Terzaghi's problem and demonstrate that it is stable and convergent for pairs Q1-Q1, Q2-Q1 and Q3-Q2 (with global smoothness C1). Regarding the group of monolithic solvers, we propose multigrid methods based on coupled and decoupled smoothers. Coupled additive Schwarz methods are proposed as coupled smoothers for isogeometric Taylor-Hood elements. More concretely, we propose a 51-point additive Schwarz method for the pair Q2-Q1. In the last part, we also propose to use an inexact version of the fixed-stress split algorithm as decoupled smoother by applying iterations of different additive Schwarz methods for each variable. For the latter approach, we consider the pairs of elements Q2-Q1 and Q3-Q2 (with global smoothness C1). Finally, thanks to LFA we manage to design efficient and robust multigrid solvers for the Biot's equations and some numerical results are shown.<br /

Simulación numérica en registro de imágenes

Dadas dos imágenes, el registro de imágenes consiste en hallar una transformación óptima de modo que al aplicarla sobre una de ellas se obtenga una imagen similar a la otra. Concretamente, para tratar el registro no paramétrico es necesaria la introducción del cálculo de variaciones, herramienta empleada para hallar extremos locales de funcionales

Elementos finitos para problemas de punto silla

Los problemas de punto silla surgen de la formulación variacional de algunos sistemas de EDPs. Estos problemas presentan una estructura especial que no siempre nos permite asegurar la existencia y unicidad de solución. Para lidiar con estas dificultades, en este trabajo se exponen algunos resultados donde se mencionan las llamadas condiciones inf-sup. A parte de tratar el problema en espacios de Hilbert, nos interesa la discretización del problema para obtener una aproximación de la solución clásica. Si en el problema discreto los subespacios tomados de dimensión finita no satisfacen la versión discreta de las ya mencionadas condiciones inf-sup, entonces el método empleado resulta inestable y la aproximación dista mucho de la solución. Esto supone que la elección de los espacios de elementos finitos no puede ser cualquiera y por ello es necesario emplear elementos finitos mixtos que garanticen la convergencia. Por último, al discretizar el problema mediante elementos finitos se obtiene un sistema lineal cuyas matrices reciben el nombre de matrices de punto silla. Tras estudiar algunas de sus propiedades espectrales, en el trabajo se proponen las ecuaciones de Stokes como ejemplo de problema de punto silla. Finalmente se exponen algunos elementos finitos mixtos estables e inestables para las ecuaciones de Stokes con sus respectivos resultados numéricos