弹性方程混合形式的稳定有限元

计算科学 有限元 参考请求 混合配方
2021-12-24 18:57:39

弹性方程的混合形式是为了找到 Hellinger-Reissner 泛函的唯一临界点

J(u,σ)=Ω(12Aσ:σ(σ)u+fu)dx

其中是向量场,是对称张量场。输入是 rank-4 顺应张量(具有一些对称性)和强制向量对于这个问题,哪些有限元是稳定的,它们的优缺点是什么? 或者,什么稳定的配方有效?uσAf

3个回答

Arnold-Winther 元素(参考文献 1)是混合弹性的第一个稳定元素,不需要放松应力张量的对称性。对于二维中的最低阶单元,位移空间由没有单元间连续性要求的分段线性向量场组成,其维度为 6。应力空间由所有分段三次对称张量组成,因此法向分量为跨边连续,并且所有组件在顶点处是连续的,其维度为 24。VhΣh

Arnold-Winther 元素对 3D的扩展于 2008 年发布(参考文献 2)。最低阶元素是一个四面体,它具有在元素之间不连续的分段线性位移;该空间 ( ) 的维数为 12。应力空间包含每个元素上的二次多项式的完整空间,并由维数为 162 的 3 和 4 次无散多项式增强。VhΣh

参考

  1. Arnold, DN 和 Winther, R. (2002)。弹性的混合有限元。数值数学,92(3),401-419。

  2. Arnold, D.、Awanou, G. 和 Winther, R. (2008)。三维对称张量的有限元。计算数学,77(263),1229-1251。

Brezzi、Fortin 和 Marini表明,MINI 元素的一个版本对于 2D 弹性是稳定的。应力和速度空间是 ,其中是在三角形边界上具有次多项式空间,是气泡函数的空间,在这种情况下是每个三角形上的三次函数。(下标Σh=(L11+B3)s2×2Vh=(L11)2LpkpkBs在应力空间上表示对称张量。)换句话说,应力分量是对称的,连续的分段线性,富含立方气泡,而位移分量是连续的分段线性。

不像H(div)元素,例如 Arnold-Winther 元素,MINI 元素跨越三角形边界是连续的,这对于某些应用程序可能是必需的。

参考

Brezzi, F.、Fortin, M. 和 Marini, LD (1993)。具有连续应力的混合有限元方法。应用科学中的数学模型和方法,3(02),275-287。

在 PEERS(具有减少对称性的平面弹性单元)单元中,应力张量的每一行都近似于由立方气泡单元的卷曲富集的最低阶 Raviart-Thomas 单元。该单元每个顶点有 4 个应力,每个边有 2 个位移,每个顶点有 1 个拉格朗日乘子(位移的旋转)。这为每个元素提供了总共 21 个自由度。

参考

  1. Arnold, DN, Brezzi, F. 和 Douglas, J. (1984)。PEERS:一种新的平面弹性混合有限元。日本应用数学杂志,1(2),347-367。