刚体旋转如何影响模拟结果?

计算科学 有限元 康索尔
2021-12-07 08:50:00

我一直在运行有限元模拟,为了收敛起见,我选择停留在小变形假设中(在 comsol 中,包括未检查可能关注的人的非线性几何框)。

现在,我的模拟已经完成,因此几何实际上经历了非常大的变形。

在 comsol 下,我读到旋转矩阵是以不同的方式计算的(某种线性版本)。

我的问题是:在存在刚体的有限元模拟中,该刚体的旋转矩阵是在位移场计算之后还是之前计算?

换句话说,旋转矩阵线性化的事实是否会影响刚体的位移?

2个回答

你的问题不清楚。然而,线性力学中的旋转常常令人困惑。因此,可能需要做出回应。

1)我会假设你的模拟中有一个可变形体和一个刚体,即有两个可以相互作用的物体。2)我将假设可变形体受到扭矩,而刚体具有恒定的旋转速度。

在这些条件下的典型有限元模拟中,刚体被视为求解欧拉方程的节点。如果预期接触,则进行一些额外的计算。这意味着可以合理准确地处理旋转。

如果可变形体是线弹性(或小应变弹塑性/粘弹性),则通常使用客观应力率(例如 Jaumann 率)来解释旋转。通过使用变形梯度不旋转应力和变形率,更新应力,然后旋转回来,可以获得更准确的结果。

相同的方法可用于非线性材料,即使在大应变下也是如此。然而,对于“简单”材料模型,更方便的方法是使用大变形应变测量并使用相关的本构模型。

由于欧拉旋转定理,3D 空间中的刚体具有 3 个旋转自由度(加上 3 个位移自由度,总共有 6 个自由度。)。这通常意味着旋转矩阵(有 9 个分量)不是主要的未知数,而是在需要时从刚体的旋转自由度计算得出。

三个旋转参数的几种不同选择是可能的,请参阅“三维旋转形式”。一般来说,旋转参数和旋转矩阵之间的依赖关系是非线性的,但是当时,可以得到简化的表达式。轴的小旋转,我们有 如您所见,“线性化”旋转矩阵在 \theta^2 之前是sinθθθz

[cosθsinθ0sinθcosθ0001][1θ0θ10001]
θ2术语,所以一般来说,当相对于单位不小时,不可能使用小旋转理论。θ

正如 Biswajit Banerjee 在他的回答中指出的那样,具有有限旋转和小/无穷小应变的公式是可能的,但我不会称它们为“完全线性”,因为旋转矩阵对旋转参数的依赖性仍然是非线性的。