为 3D FEM 模拟构建单元刚度矩阵的实用方法

计算科学 有限元
2021-11-27 20:44:14

3D FEM 问题中的单元刚度矩阵构建如下:

K=[1,1]3BTCB|J|drdsdt

积分可以使用例如高斯求积法求解。

但对我来说,如果您对例如 500.000 个六面体元素执行上述等式,这似乎计算成本很高。因此,我想知道是否有额外的近似值或其他措施来减少计算工作量。

问题:是否有某种近似方法用于求解两个矩阵-矩阵乘积以及行列式,或者它们是否为每个元素显式计算?

2个回答

不,我知道。一般来说,雅可比是一个函数,它对每个高斯点采用不同的值。

另一方面,如果您的元素具有相同的形状,您可以计算一次积分然后组装。这意味着您有一个规则的网格并限制了您可以建模的几何形状。人们可以天真地认为,对于这种情况,您可以分析地计算积分,但我认为它没有任何优势,正如前面的回答中所讨论的那样。

由于您特别提到了六面体单元,因此您可以通过利用元素的张量积结构来进行优化以降低计算成本。例如,参见 Antolin 等人的“张量积等几何分析的高效矩阵计算:和分解的使用”和其中的参考资料。这与其说是一种近似,不如说是一种对浮点运算进行分组以降低总体成本的巧妙方法。