有限差分固体力学:如何处理“角节点”?

计算科学 有限差分 边界条件
2021-11-25 04:35:47

我有一个关于固体力学(线性弹性)边界条件编码的问题。在特殊情况下,我必须使用有限差分(3D)。我对这个话题很陌生,所以下面的一些问题可能非常基础。

为了解决我的具体问题,首先我想展示我已经实现的内容(为了清楚起见,我将只使用 2D)。

1.) 我有以下的离散化,显示散度的第一个分量div(σ)=0σxxx+σxyy=0

光盘

我使用非交错网格,所以 Ux 和 Uy 定义在同一个地方。

2.) 下一步是处理边界,我使用“幽灵节点”。根据,其中是边界上的应力。σn=tt

边界

a) 这里我使用来获得鬼点处的 Ux,因为所有其他 Ux 和 Uy 值都已给出(在体内)。是边界上的应力值(通常为零)。(λ+2μ)Uxx+λUyy=σxxσxx

b) 相同的程序,仅通过我在幽灵处获得 Uy观点。再次是边界上这个应力的值(通常为零)。μUxy+μUyx=σxyσxy

3.)我认为到目前为止我所有的步骤似乎都是合乎逻辑的,如果不是,请纠正我但现在也有“角落节点”,我不知道如何处理它们。

角落

为了让我的方案在角节点上工作,我需要在左下角的节点处使用 Ux 和 Uy。但是在这里我之前的程序(如 2.)不起作用,因为节点与边界不正交。我已经尝试推断位移,但这似乎会导致稳定性问题(我正在使用迭代求解器解决整个问题)。div(σ)=0

所以我的问题是处理这些“角落节点”的正确方法是什么?我为每一个想法感到高兴。

2个回答

我在拐角边界条件上也遇到过类似的问题,特别是在解决具有均匀施加横向压力的结构板问题时。特别是如果试图获得边缘(包括角落)上的剪切载荷。剪切载荷是 ∂^3 w/∂^2 x∂y 的函数。使用中心差分方案,这导致需要与角节点对角线的“幽灵”节点来确定这个导数。我不认为基于相邻节点的平均是合适的。我所做的是使用我在角节点计算的扭转力矩 Mxy 并将其等同于作为位移函数的扭转力矩的有限差分“分子”。由于我已经知道所有其他相邻节点的位移(基于沿板边缘的边界条件),解决这个“棘手的”角节点是一件简单的事情。我希望这会有所帮助。

您可能正在尝试求解没有唯一解的方程组。想象一下,你有一堆由弹簧连接的节点,漂浮在空间中,你想找到每个节点的平衡位置。如果系统没有固定在固定的东西上(或没有施加力),有很多可能的解决方案。任何一个解决方案总是可以平移或旋转,它仍然是一个解决方案。您是否尝试过在一个角节点固定位移以消除平移,并在另一个角节点固定一个位移以消除旋转?

我曾经尝试过这种固定一些节点并调整其他节点的法向力的方法,但它似乎将大量的力集中在各个边界节点上,导致不稳定。最终的工作不是试图只锚定几个节点,而是锚定所有与均匀应变相关的节点。本质上,您对整个系统进行均匀应变,但随后将均匀分量包含在每个节点的局部应变定义中,因此它不会贡献任何额外的弹性能量。您可以在本文和引用的参考文献中阅读更多相关信息:http: //pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn204177u

这种不稳定性问题可能是尽可能为力学问题选择有限元的一个很好的理由。