在小位移近似下产生大位移?

计算科学 有限元
2021-12-10 08:20:27

我设法使我的模型收敛得相当好,并实现了大的位移和变形。它通过在小位移和变形假设下求解,表现出良好的应力和应变连续性。换句话说,计算工程应变而不是格林拉格朗日应变,应力张量是 Cauchy 而不是 Piola Kirchhoff,并且材料框架与空间框架相关联。

我知道小位移/变形假设仅适用于不超过 5% 的应变,但实际上,应变达到 50%;它将 1 厘米移动到一个 8 厘米的实心盒子中。

我也知道,每一个 FEM 都只能是现实的近似值。

我对模型的有效性有什么期望?这是否意味着完全没有任何意义,因为这完全是胡说八道(但唯一的问题是错误更高)?

2个回答

我也知道,每一个 FEM 都只能是现实的近似值。

通过 FEM,您只需获得一个(希望)良定问题的近似值。

逻辑步骤如下。

  1. 您首先通过选择适当的方程(全等、本构方程、平衡)、几何域、材料本构参数以及适当的边界和初始条件来设置问题。如果问题是适定的,这定义了一个唯一的解决方案 L
  2. 通过 FEM,您可以获得近似值LFEML

小应变/位移假设会影响定义的方程(从某种意义上说,您最终会得到一组线性同余和平衡方程),并且可能您有一个明确定义的问题,因此能够轻松计算收敛的解决方案LLFEM

真正的问题是在物理上是否有意义,当然这个问题与你用来计算它的近似值的特定方法无关。这是一个关于你要解决的方程的问题:它们是否能够模拟你的问题的物理特性?L

如果不分析您的具体问题和解决方案,就不可能回答这个问题。然而,一般来说,在其有效性域之外应用连续介质力学方程是非常危险的:为什么在小位移假设下定义以我自己的经验,除了一些琐碎的问题外,几乎从来没有这种情况。L

线性力学方程可以表示为更一般的非线性方程的线性化。直观地说,这意味着您要在曲线的切线上寻找解决方案,而不是在曲线本身上寻找解决方案:您可以强调这样一个事实,即您将远离正确的解决方案。

当您提到模型的收敛性时,您的意思是您使用了某种形式的迭代方法吗?在这种情况下,您很可能使用了一些非线性模型(无意中?)。

以下是基于普遍存在的“控制方程”可能遇到的非线性列表:

  • 系统的内部平衡方程(静态或动态)

       Nonlinear damping
    
  • 本构方程(材料)

       Plasticity
       Viscosity
       Creeping
       Hiperelasticity
    
  • 运动学方程(几何)

       Large deformations with small strains
       Large strains
       Buckling
       Instability
    
  • 边界条件

       Forces
           Pressure
           Loads
           Wind
           Waves
           Friction
       Displacements
           Contact
           Link rupture
    

如您所见,大应变(您似乎正在研究的问题)只是线性行为假设仅限制模型有效性的众多情况之一。在下图中,您可以看到线性假设仅在橙色三角形内有效。如果假设你的真实行为处于危险之中,你继续拉动弹簧,那么一旦你进入非线性状态,你从“无”创造的能量将呈二次方增长。

应力实验的应变能

FEM 通常是根据变分原理(能量平衡)制定的,因此(在我看来)应该在能级中考虑误差。在这种情况下,您的错误将以二次形式增长。