Newton-Raphson usuli¶
Chiziqlashtirish va iterativ rekurrent munosabat¶
Tashqi kuchlarning virtual ishi va global tenglamani yig‘ish bo‘limida \(t_{n+1}\) vaqtdagi tugun siljishi \(\boldsymbol{u}_{n+1}\) uchun olinadigan nochiziqli tenglama Newton-Raphson usuli bilan yechiladi. \(t_n\) vaqtgacha bo‘lgan tugun siljishi \(\boldsymbol{u}_n\) ma’lum deb olinadi va aniqlanishi kerak bo‘lgan noma’lum sifatida siljish inkrementi \(\Delta\boldsymbol{u}\) tanlanadi:
Quyida tashqi kuch vektorining tugun siljishiga bog‘liqligi e’tiborsiz qoldiriladi va \(\boldsymbol{F}(\boldsymbol{u}_{n+1}) = \boldsymbol{F}_{n+1}\) deb,
tenglama yechiladi.
Joriy yechim \(\Delta\boldsymbol{u}\) da tangensial qattiqlik quyidagicha aniqlanadi:
Bundan foydalanib nochiziqli tenglamani chiziqlashtirish quyidagini beradi:
\(i\)-iteratsiyadagi tuzatish \(d\boldsymbol{u}_i\) bo‘lsin, iteratsiya boshidagi qoldiq vektor esa
bilan aniqlansin. U holda iterativ rekurrent munosabat
ko‘rinishida bo‘ladi. Shunday qilib, \(\boldsymbol{R}_i\) qoldiq muvozanat holatidan kuch nomuvozanatini ifodalovchi kattalikdir.
Tangensial qattiqlik matritsasini tuzish¶
Tangensial qattiqlik \(\boldsymbol{K} = \partial\boldsymbol{Q}/\partial\boldsymbol{u}\) Ichki kuchlar virtual ishini diskretlashda olingan element ichki kuch vektorini tugun siljishi bo‘yicha qisman differensiallash, hosil bo‘lgan element darajasidagi integrandlarni har bir element sohasi bo‘yicha integrallash va yig‘ish orqali tuziladi. Element darajasidagi integrand \(\boldsymbol{K}^e_X\) (boshlang‘ich konfiguratsiya, TL formulasi) yoki \(\boldsymbol{K}^e_x\) (joriy konfiguratsiya, UL formulasi) bilan belgilansa, element tangensial qattiqligi
bo‘ladi. Quyida TL/UL integrandlarining yakuniy ko‘rinishlari beriladi. Har ikki holatda ular material qattiqligi hadi (boshlang‘ich siljish hadi) va geometrik qattiqlik hadi (boshlang‘ich kuchlanish hadi) yig‘indisiga ajraladi.
Total Lagrange formulasi¶
Total Lagrange formulasida ikkinchi Piola-Kirchhoff kuchlanishi tezligi \(\dot{\boldsymbol{S}}\) bilan Green-Lagrange deformatsiyasi tezligi \(\dot{\boldsymbol{E}}\) orasida \(\dot{\boldsymbol{S}} = \boldsymbol{\mathsf{C}}:\dot{\boldsymbol{E}}\) chiziqli munosabat faraz qilinadi. Bu chiziqli elastik materiallar (St. Venant-Kirchhoff materiallari) va giperelastik materiallar konstitutiv qonunlariga mos keladi; FrontISTR ushbu materiallar uchun Total Lagrange formulasidan foydalanadi. Element tangensial qattiqlik integrandi tensor ko‘rinishida
deb yoziladi. O‘ng tomondagi birinchi had material qattiqligi hadi (boshlang‘ich siljish hadi), ikkinchi had esa geometrik qattiqlik hadi (boshlang‘ich kuchlanish hadi).
FrontISTR amalga oshirishida ushbu integrand Voigt belgilashida matritsa ko‘rinishida baholanadi:
Har bir matritsa quyidagicha. \(\boldsymbol{B}_L, \boldsymbol{B}_{NL}\) — Ichki kuchlar virtual ishini diskretlashda kiritilgan B matritsalar, \(\tilde{\boldsymbol{C}}\) esa \(\boldsymbol{\mathsf{C}}\) konstitutiv tensorining Voigt ifodasi, ya’ni \(6\times 6\) material qattiqlik matritsasi (Tensor belgilashi va matematik asoslar). \(\boldsymbol{S}_9, \boldsymbol{F}_9\) geometrik qattiqlik hadini matritsa ko‘paytmasi ko‘rinishida ifodalash uchun ishlatiladigan quyidagi qayta tartiblash matritsalaridir. Avval \(3\times 3\) ikkinchi tartibli tensor \(\boldsymbol{A}\) uchun uni 9 komponentli vektorga qayta tartiblaydigan \([\,\cdot\,]\) belgilashni aniqlaymiz:
Shu ta’rif bilan \(\boldsymbol{F}_9\) deformatsiya gradienti variatsiyasini \([\delta\boldsymbol{F}] = \boldsymbol{F}_9\, \delta\boldsymbol{u}^e\) ko‘rinishida ifodalaydi va \(9\times d n_e\) matritsadir. \(\alpha = 1, \ldots, n_e\) element tuguni uchun mos \(9\times d\) blok
ko‘rinishida va bloklar element tugunlari tartibida gorizontal joylashtirilib \(\boldsymbol{F}_9 = [[\boldsymbol{F}_9]_1, \ldots, [\boldsymbol{F}_9]_{n_e}]\) hosil qilinadi. \(\boldsymbol{S}_9\) shu matritsa bilan birga geometrik qattiqlik hadini \(\delta\boldsymbol{u}^{eT}\, \boldsymbol{F}_9^T \boldsymbol{S}_9 \boldsymbol{F}_9\, \dot{\boldsymbol{u}}^e\) ko‘rinishida ifodalash uchun tanlanadi; u quyidagi \(9\times 9\) matritsadir:
Natijaviy matritsa shu ko‘rinishda olinadi.
Updated Lagrange formulasi¶
Updated Lagrange formulasida nisbiy Kirchhoff kuchlanish tensorining Jaumann tezligi \(\hat{\boldsymbol{\sigma}}^{\nabla J}\) bilan deformatsiya tezligi tensori \(\boldsymbol{D}\) orasida \(\hat{\boldsymbol{\sigma}}^{\nabla J} = \boldsymbol{\mathsf{C}}:\boldsymbol{D}\) chiziqli munosabat faraz qilinadi. Bu chiziqli elastik, elastoplastik va krip materiallar uchun umumiy gipoelastik konstitutiv qonun ko‘rinishidir; FrontISTR ushbu materiallar uchun Updated Lagrange formulasidan foydalanadi. Joriy konfiguratsiyada ifodalangan element tangensial qattiqlik integrandi tensor ko‘rinishida
deb yoziladi. Bu yerda \(\boldsymbol{\sigma}^{\nabla T}\) — Truesdell tezligi, \(\boldsymbol{A}_{(L)}\) — Almansi deformatsiyasining chiziqli qismi, \(\boldsymbol{F}_t = \partial\boldsymbol{u}/\partial\boldsymbol{x}\) — joriy konfiguratsiyaga nisbatan siljish gradienti, \(\boldsymbol{L}\) esa tezlik gradienti tensori. O‘ng tomondagi birinchi had material qattiqligi hadi, ikkinchi had geometrik qattiqlik hadi.
FrontISTR amalga oshirishida ushbu integrand Voigt belgilashida matritsa ko‘rinishida baholanadi:
Bu yerda \(\boldsymbol{b}\) — joriy konfiguratsiyada tuzilgan B matritsa (Ichki kuchlar virtual ishini diskretlash). \(\boldsymbol{\sigma}_9, \boldsymbol{f}_9\) TL formulasidagi \(\boldsymbol{S}_9, \boldsymbol{F}_9\) dan ikkinchi PK kuchlanishi \(\boldsymbol{S}\) ni Cauchy kuchlanishi \(\boldsymbol{\sigma}\) ga va boshlang‘ich konfiguratsiya gradienti \(\partial N_\alpha^e/\partial X_i\) ni joriy konfiguratsiya gradienti \(\partial N_\alpha^e/\partial x_i\) ga almashtirish orqali olinadi.
\(\boldsymbol{G}\) — gipoelastik konstitutiv qonun \(\hat{\boldsymbol{\sigma}}^{\nabla J} = \boldsymbol{\mathsf{C}}:\boldsymbol{D}\) ni Truesdell tezligiga asoslangan konstitutiv qonun sifatidagi tangensial qattiqlik doirasiga moslashtirish uchun zarur Cauchy kuchlanishiga bog‘liq tuzatish matritsasi. U to‘rtinchi tartibli tensor komponentlari \(G_{ijkl} = \delta_{il}\sigma_{kj} + \delta_{jl}\sigma_{ik}\) ni \(6\times 6\) Voigt ko‘rinishida joylashtirish orqali olinadi:
Natijaviy matritsa shu ko‘rinishda olinadi.
Global qattiqlik matritsasini yig‘ish¶
Global tangensial qattiqlik \(\boldsymbol{K}\) har bir element qattiqligi \(\boldsymbol{K}^e\) ni har bir tugun jufti uchun \(d\times d\) bloklar \(\boldsymbol{K}^e_{\alpha\beta}\) ga ajratib va Element-tugun fizik kattaliklarini yig‘ishda kiritilgan ikkinchi tartibli tensor yig‘ish to‘plami \(\mathcal{E}^2(i_g, i_h)\) dan foydalanib olinadi:
Olingan qiymatlar qatori \(i_g\), ustuni \(i_h\) bo‘lgan matritsa sifatida joylashtiriladi. Amalda \(\mathcal{E}^2\) to‘plami aniq tuzilmaydi; uning o‘rniga tegishli bloklar element sikli ichida bevosita qo‘shiladi. Matritsa o‘lchami tugundagi erkinlik darajalari soni \(\times\) umumiy tugunlar soni \(n_g\) ga teng kvadrat matritsa, biroq element orqali bog‘langan tugunlar orasidagidan boshqa komponentlar \(0\) bo‘lgani uchun sparse-matritsa ko‘rinishida saqlanadi.
TL va UL formulalari uchun element qattiqlik matritsalari boshlang‘ich konfiguratsiyani almashtirish (tugun koordinatalari va B matritsasini tuzish manbasi) hamda \(\boldsymbol{G}\) matritsasining bor-yo‘qligidan tashqari bir xil ko‘rinishga ega. Shu sababli FrontISTR har ikki formulani umumiy subroutine ichida amalga oshiradi.
Iteratsiya algoritmi¶
Yuqoridagilarni jamlab, iteratsiya boshida \(\Delta\boldsymbol{u} = \boldsymbol{0}\) deb o‘rnating va boshlang‘ich qoldiq \(\boldsymbol{R}_0 = \boldsymbol{F}_{n+1} - \boldsymbol{Q}(\boldsymbol{u}_n)\) ni hisoblang. So‘ng \(i\)-iteratsiyada quyidagi tartibni bajaring.
- Joriy siljish \(\boldsymbol{u}_n + \Delta\boldsymbol{u}\) da Tangensial qattiqlik matritsasini tuzish tartibidan foydalanib tangensial qattiqlik \(\boldsymbol{K}_i = \partial\boldsymbol{Q}/\partial\boldsymbol{u}|_{\boldsymbol{u}_n + \Delta\boldsymbol{u}}\) ni hisoblang.
- Geometrik chegara shartlarini qo‘llash uchun siljish cheklovi ostidagi erkinlik darajalari uchun tangensial qattiqlik matritsasi va qoldiq vektorni o‘zgartirib, \(\tilde{\boldsymbol{K}}_i, \tilde{\boldsymbol{R}}_{i-1}\) ni oling (Geometrik chegara shartlarini ishlash).
- \(\tilde{\boldsymbol{K}}_i\, d\boldsymbol{u}_i = \tilde{\boldsymbol{R}}_{i-1}\) chiziqli tenglamani yechib, \(d\boldsymbol{u}_i\) tuzatishni oling. Bu jarayon ko‘pincha iterativ hisoblash xarajatining asosiy qismini tashkil etadi.
- Siljish inkrementini \(\Delta\boldsymbol{u} \leftarrow \Delta\boldsymbol{u} + d\boldsymbol{u}_i\) bo‘yicha yangilang va mos ravishda ichki kuch vektori \(\boldsymbol{Q}(\boldsymbol{u}_n + \Delta\boldsymbol{u})\) hamda qoldiq \(\boldsymbol{R}_i = \boldsymbol{F}_{n+1} - \boldsymbol{Q}(\boldsymbol{u}_n + \Delta\boldsymbol{u})\) ni hisoblang.
- Yaqinlashishni tekshiring va erishilgan bo‘lsa iteratsiyani tugating. Geometrik chegara sharti qo‘yilgan erkinlik darajalarida cheklangan reaksiyalarga mos komponentlar qoldiq \(\boldsymbol{R}_i\) da paydo bo‘ladi, shu sababli yaqinlashish ko‘rsatkichi bu komponentlarni chiqarib tashlagan \(\tilde{\boldsymbol{R}}_i\) dan tuziladi. Aniq yaqinlashish ko‘rsatkichlari va chegaralari Yaqinlashish mezonlarida bayon etiladi. Yaqinlashishga erishilmasa va iteratsiya chegarasiga yetilsa, iteratsiya muvaffaqiyatsiz deb hisoblanadi.
Iteratsiya yaqinlashganda, yaqinlashgan \(\Delta\boldsymbol{u}\) ni \(\boldsymbol{u}_n\) ga qo‘shib \(t_{n+1}\) vaqtdagi jamlangan siljish \(\boldsymbol{u}_{n+1} = \boldsymbol{u}_n + \Delta\boldsymbol{u}\) olinadi va keyingi vaqt qadamiga o‘tiladi.
Tegishli mavzular¶
- Tashqi kuchlarning virtual ishi va global tenglamani yig‘ish — yechiladigan nochiziqli tenglamaning boshlang‘ich nuqtasi
- Ichki kuchlar virtual ishini diskretlash — \(\boldsymbol{B}_L, \boldsymbol{B}_{NL}, \boldsymbol{b}\) ni tuzish
- Geometrik chegara shartlarini ishlash — siljish cheklovlarini qo‘llash uchun tangensial qattiqlik matritsasi va qoldiq vektorni o‘zgartirish
- Yaqinlashish mezonlari — qoldiq normasiga asoslangan to‘xtash mezonlari
- Tensor belgilashi va matematik asoslar — material matritsasi \(\tilde{\boldsymbol{C}}\) ning Voigt ifodasi
- Nochiziqli iteratsiya va vaqt bo‘yicha integrallash (funksiyalar) — funksiyalar ma’lumotnomasidagi foydalanish va tanlash