FEM,在一个节点中具有非线性位移约束的直接刚度法

计算科学 有限元 非线性方程 约束 刚性
2021-12-27 03:02:23

我有一个关于我正在处理的 FE 问题的问题。我制作了一个与环境(彩色块)刚性连接的线弹性材料块(双条纹块)的有限元模型。在右下角的节点中施加了一个力。

节点位移是根据直接刚度法计算的。方程组是简单的 K U = F 或 U = C F 其中 C=K^-1。

右上节点的位移需要约束到指定的轨迹。通过将拉格朗日乘数添加到全局刚度矩阵中,我成功地将右上角节点的可能位移限制在一条线上。需要明确的是,力是输入,位移是输出。

新的方程组是:

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我想扩展这个问题,因此我需要指定一个非线性轨迹。据我所知,使用拉格朗日乘数的直接刚度法在这种情况下不起作用,因为它只允许添加 y = a*x+b 形式的约束。

向这个线性方程组添加非线性位移约束的最佳方法是什么?

我一直在搜索和阅读该主题的论文,但到目前为止我还没有找到可靠的答案。

我希望你们能帮助我,我很期待你的回答,

最好的,

J。

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1个回答

需要认识到的关键点是,拉格朗日乘子法既适用于非线性约束,也适用于线性约束。

假设您可以将非线性约束方程写为

g(Us)=0
您有一组 N+1 个非线性方程要求解,如下所示:

KssUs+λgUs=Fs
g(Us)=0
其中 N 是有限元方程的数量。

这些都可以解决Usλ使用牛顿-拉夫森方法。如果您还不熟悉使用 Newton-Raphson 求解非线性方程组,您可以在网上找到许多参考资料。

介绍性 FEM 课程几乎总是强调线性公式,因此如上所示,展示了拉格朗日乘数技术。在中级刚体动力学课程中,无论是物理系还是工程系,运动方程和约束方程几乎都是非线性的,因此从这个角度提出了拉格朗日乘子法。因此,如果您想了解更多信息,我建议您查看此类课程中使用的动力学文本。