有限元离散

Simcenter STAR-CCM+ 根据虚功原理计算固体的位移,即使用有限元方法进行离散化。

此方法遵循根据 Zienkiewicz 和 Taylor 的研究 [866] 得出的总拉格朗日位移有限元公式。有关有限元方法的一般信息,请参见有限元方法。

连续空间域将离散化成在节点处互连的有限数量的单元。在每个单元中,使用节点形状函数 NM 对节点位置和位移进行插值:

图 1. EQUATION_DISPLAY
x = X + u X = N M X M u = N M u M
(4550)

其中,x 和 X 分别表示当前和初始配置中的位置矢量。 XM 和 uM 为节点 M 处的位置和位移,NM 为面向节点的拉格朗日形状函数(请参见H1 拉格朗日形状函数)。

格林-拉格朗日应变的变体的离散化形式如下:

图 2. EQUATION_DISPLAY
δE=B^MδuM
(4551)

其中,B^M 为应变-位移矩阵:

图 3. EQUATION_DISPLAY
B^M=[F11NM,1F21NM,1F31NM,1F12NM,2F22NM,2F32NM,2F13NM,3F23NM,3F33NM,3F11NM,2+F12NM,1F21NM,2+F22NM,1F31NM,2+F32NM,1F12NM,3+F13NM,2F22NM,3+F23NM,2F32NM,3+F33NM,2F13NM,1+F11NM,3F23NM,1+F21NM,3F33NM,1+F31NM,3]
(4552)

离散形式的变形梯度如下:

图 4. EQUATION_DISPLAY
FiJ=δiJ+uMiNM,J(X)
(4553)

其中,NM,J 为形状函数相对于初始坐标的梯度的简化表示:

图 5. EQUATION_DISPLAY
NM,J≡∂NM(X)∂XJ
(4554)

在无限小应变近似中,应变-位移矩阵 B^M 简化为:

图 6. EQUATION_DISPLAY
B^M=[NM,1000NM,2000NM,3NM,2NM,100NM,3NM,2NM,30NM,1]
(4555)

将离散位移 (Eqn. (4550)) 和 δE 的离散形式代入弱型 (Eqn. (4464)) 得出:

图 7. EQUATION_DISPLAY
δΠ=δuMT[∫V0B^MTS  dV+∫V0NMINNρ0 u¨N  dV−∫V0NMb  dV−∫ΓNMτ¯  dΓ−∫CNMq¯  dC−fMp]=0
(4556)

其中 和 是为了考虑规定的线载荷和点力而引入的。q¯fMp由于 δuM 在狄利克雷边界处为零(否则为任意值),因此括号内的表达式必须等于零,从而获得离散平衡方程:

图 8. EQUATION_DISPLAY
fMint+MMNu¨N=fMext
(4557)
其中:
  • fMint 为节点 处的内力:M
    图 9. EQUATION_DISPLAY
    fMint=∫V0B^MT S  dV
    (4558)
  • MMNu¨N 为惯性项,质量矩阵 定义为:MMN
    图 10. EQUATION_DISPLAY
    MMN=∫V0NMI NN ρ0  dV
    (4559)
  • fMext 为施加于节点 的外力:M
    图 11. EQUATION_DISPLAY
    fMext=∫V0NM b  dV+∫ΓNMτ¯  dΓ+∫CNMq¯  dC+fMp
    (4560)

    包括由规定的体力、表面拉力、线载荷和点力分别产生的节点力。

刚度矩阵

仅对于无限小应变且满足线性本构定律的特殊情况,Eqn. (4558) 才为线性。对于大位移,内力是位移的非线性函数。内力相对于位移的灵敏度由刚度矩阵定义:

图 12. EQUATION_DISPLAY
KMN=∂fMint∂uN
(4561)

刚度矩阵可表示为材料刚度和几何刚度这两项的总和:

图 13. EQUATION_DISPLAY
KMN=KMNmat+KMNgeom ∀M,N∈ℕ
(4562)

材料刚度如下:

图 14. EQUATION_DISPLAY
KMNmat=∫ΩB^MTDB^N⁢ dV
(4563)

其中,D 为第二 Piola-Kirchoff 应力张量相对于格林-拉格朗日应变张量的灵敏度,即采用 Voigt 标记法的 6x6 矩阵:

图 15. EQUATION_DISPLAY
D=∂S∂E
(4564)

几何刚度如下:

图 16. EQUATION_DISPLAY
K M N g e o m = I ∫ Ω ∂ N M ∂ X T S ∂ N N ∂ X       d V
(4565)

对于线性几何(无限小应变假设),将忽略几何刚度。如果应力应变关系也为线性,则内部节点力将变为节点位移的线性函数:

图 17. EQUATION_DISPLAY
fMint=KMNmat  uN
(4566)

体负载导数

一般情况下,体负载 b 可以是位移、速度和加速度的函数 b ( x ,   u ,   v ,   a ) 。体负载 b ( x ,   u ,   v ,   a ) 对位移、速度和加速度的导数可以表示为 3 x 3 个二阶张量,其分量如下:
图 18. EQUATION_DISPLAY
[ D u b ( x , u ) ] i j = ∂ b i ∂ u j
(4567)
图 19. EQUATION_DISPLAY
[ D v b ( x , v ) ] i j = ∂ b i ∂ v j
(4568)
图 20. EQUATION_DISPLAY
[ D a b ( x , a ) ] i j = ∂ b i ∂ a j
(4569)
对于解算方案相关体负载 b ( x ,   u ,   v ,   a ) ∈ ℝ 3 ,节点 M 处生成的体负载矢量 f M ∈ ℝ n 在域 V 0 中可以表示为:
图 21. EQUATION_DISPLAY
f M = ∫ V 0   N M T b ⁢     d V
(4570)
其中 N ∈ ℝ 3 ⁢   ×     n 是位移场的全局形状函数。关联的体负载位移导数通过以下项对刚度矩阵计算产生影响:
图 22. EQUATION_DISPLAY
K M N = ∫ V 0   N M T [ D u b ] N N ⁢     d V
(4571)

此刚度矩阵项的对称性由位移导数 D u b ( x , u ) ∈ ℝ 3 ⁢   ×     3 的对称性确定。

对于瞬态问题,速度和加速度导数分别对阻尼和质量矩阵的计算产生影响:
图 23. EQUATION_DISPLAY
C M N = ∫ V 0   N M T [ D v b ] N N ⁢     d V
(4572)
图 24. EQUATION_DISPLAY
M M N = ∫ V 0   N M T [ D a b ] N N ⁢     d V
(4573)