10605

Метод конечных элементов. Прямое построение глобальной матрицы жесткости

Лекция

Математика и математический анализ

Метод конечных элементов Прямое построение глобальной матрицы жесткости Метод построения глобальной матрицы жесткости весьма неэффективен при использовании цифровой вычислительной машины. Эта неэффективность объясняется тем что матрица жесткости отдельного эл...

Русский

2013-03-29

124.5 KB

59 чел.

Метод конечных элементов

Прямое построение глобальной матрицы жесткости

Метод построения глобальной матрицы жесткости весьма неэффективен при использовании цифровой вычислительной машины. Эта неэффективность объясняется тем, что матрица жесткости отдельного элемента [Ке] имеет такое же число строк и столбцов, что и глобальная матрица жесткости [К]. Большинство коэффициентов в матрице элемента равно нулю. Предположим, что область разбита на 50 элементов с 75 узловыми точками и нужно построить матрицу элемента [Ке]. Матрица элемента должна содержать 75 строк и столбцов с общим числом коэффициентов 752=5625. Из этих коэффициентов 5616 должны равняться нулю, так как для рассмотренной задачи о кручении матрица элемента содержит только девять ненулевых коэффициентов.

Дополнительные неудобства связаны с тем, что глобальная матрица жесткости [К] получается суммированием матриц жесткости   элементов    [Ke], [К] =2 [№>']. Матрица каждого элемента  должна быть вычислена отдельно от [К] и затем прибавлена к последней, а это требует запоминания обеих матриц. Необходимость помнить две большие матрицы приводит к перегрузке запоминающего устройства, когда решаемая задача имеет большое число неизвестных.

В эффективных программах процедура построения глобальной матрицы жесткости использует сокращенную форму матриц элементов при получении уравнений для элемента. Такой метод известен как метод «прямой жесткости». Применение этого метода исключает необходимость хранения больших матриц элементов, содержащих всего несколько отличных от нуля коэффициентов.

При использовании этого метода сначала рассматривается [Ке] для конкретного элемента. Все глобальные степени свободы Ф (или и в случае векторных величин), которые не относятся к этому элементу, исключаются из рассмотрения. Функции формы записываются в соответствии с порядком следования индексов i, j, k, начиная с узла I, в направлении против часовой стрелки. Рассмотрим, например, элемент (3) на рис. 3.

Этому элементу соответствуют узлы 2, 5 и 4 и глобальные степени свободы Ф2, Ф5   и Ф4. После упорядочивания функций формы в направлении против часовой стрелки, .начиная от узла I, последнее . соотношение в сокращенном виде записывается как

     (1)

Матрица градиентов имеет вид

    (2)

Значения коэффициентов cj и bj могут быть вычислены, если заданы координаты узлов элемента. После подстановки этих значений в [ВРЦ соотношение (2) примет вид

     (3)

Подставляя [ВМ] в сокращенной форме в равенство (6.8) и выполняя умножение и интегрирование, получаем

      (4)

Таким образом, в результате мы имеем матрицу размером 3X3 вместо матрицы размером 6x6, данной в (6.19в). Матрица элемента имеет размер 3X3, потому что этому элементу соответствуют три глобальные степени свободы.

Применив подобную процедуру к интегралу

получим

      (5)

С помощью формул (4) и (5) уравнения для данного элемента можно записать следующим образом:

          (6)

Чтобы полученная матрица соответствовала точной матрице жесткости третьего элемента, ее нужно переформировать и расширить. Алгоритм переформирования и расширения матрицы несложен.

Строкам и столбцам сокращенной матрицы элемента приписываются номера глобальных степеней свободы. Порядок расположения степеней свободы соответствует обходу элемента против часовой стрелки, начиная от j-го узла.

Матрицы элементов в задаче о кручении имеют только одну степень свободы (искомую величину) в каждом узле, поэтому функции формы в (1) упорядочены так же, как и глобальные степени свободы. Используя указанную нумерацию для строк и столбцов матрицы (4), запишем

Приписывание столбцам и строкам матрицы элемента номеров глобальных степеней свободы позволяет определить, какое место займут коэффициенты матрицы элемента в глобальной матрице жесткости. Например, коэффициент Кi, заключенный в квадрат матрицы (7), находится иа пересечении второй строки и четвертого столбца глобальной матрицы жесткости. Коэффициент К. заключенный в треугольник, находится на пересечении четвертой строки и пятого столбца. Расположение всех коэффициентов матрицы элемента  в глобальной матрице жесткости    показано    на рис.  1.

Рис. .1. Незаполненные прямоугольники соответствуют нулевым элементам.

Метод прямой жесткости построения глобальной матрицы жесткости является очень важным алгоритмом реализации метода конечных элементов на ЭВМ, потому что он значительно сокращает загрузку запоминающего устройства. В частности, он исключает необходимость запоминания больших матриц элементов, которые содержат всего несколько ненулевых коэффициентов. Число строк и число столбцов сокращенной матрицы жесткости элемента равны числу степеней свободы элемента.

Система линейных уравнений

При использовании метода конечных элементов получается система линейных уравнений, которая должна быть решена относительно неизвестных узловых параметров. Решение этих уравнений является очень важным аспектом задачи в целом, потому что си стема уравнений обычно очень большая. Методы решения систем с малым или большим числом уравнений мало отличаются друг от друга. Реализация этих методов, однако, зависит от технических возможностей ЭВМ.

Во второй главе, где рассматривался процесс дискретизации сплошной среды, было отмечено, что путем надлежащей нумерации узлов можно контролировать расположение коэффициентов в глобальной матрице жесткости. Напомним, что при разумной нумерации узлов получается матрица ленточного типа вместо полной матрицы. Ленточная матрица характеризуется тем, что все ее ненулевые коэффициенты располагаются вблизи главной диагонали, а все коэффициенты за пределами некоторой полосы, ограниченной линиями, параллельными главной диагонали, равны нулю. Схематически это проиллюстрировано на рис. 2, где ширина полосы ленточной матрицы показана штриховыми линиями. Через С обозначены ненулевые члены. Вообще говоря, нулевые коэффициенты могут встречаться и внутри полосы.

Рис. 2. Общий вид системы уравнений, получаемой при использовании метода конечных элементов.

Два свойства результирующей системы уравнений делают ее идеальной: симметрия и положительная определенность матрицы. Наличие симметрии означает, что приблизительно половину ненулевых членов матрицы можно не запоминать. Положительная определенность означает, что коэффициент, стоящий на главной диагонали, всегда положителен и обычно много больше по величине, чем любой другой коэффициент соответствующей строки или столбца.

В случае симметричной положительно определенной матрицы ленточного типа значительно сокращается объем вычислений, необходимых для получения решения системы уравнений. К тому же уменьшается вероятность больших ошибок округления.

Существование симметрии в матрице ленточного типа позволяет значительно сократить объем памяти, требуемой для хранения глобальной матрицы. Обычно при программировании предусматривается превращение матрицы, изображенной на рис. .2, в прямоугольный массив, ширина которого совпадает с шириной полосы матрицы, а длина равна числу уравнений. Чтобы проиллюстрировать преимущество такого представления матрицы, допустим, что мы решаем задачу, которая включает 200 узловых неизвестных. Обычно при этом получается глобальная матрица жесткости, для хранения которой требуется 200X200, т. е. 40000 единиц машинной памяти. Однако, если эта ленточная матрица имеет ширину полосы, равную 40, и хранится в виде прямоугольного массива, требуется уже только 8000 единиц машинной памяти для запоминания 40 столбцов по 200 элементов в каждом. Таким образом, загрузка машинной памяти сокращается на 20% по -сравнению с загрузкой, требуемой при хранении квадратной матрицы.

Решение системы уравнений может быть проведено с помощью алгоритмов, которые обсуждаются во многих книгах, посвященных численному анализу. Следует подчеркнуть, что обращение матрицы— очень неэффективная процедура решения системы уравнений. Эта неэффективность может быть объяснена двумя причинами. Обращение матрицы эквивалентно решению системы Аг уравнений с Л' неизвестными. Бели при этом рассматривается ограниченное число столбцов правых частей (глобальный вектор нагрузки), то вычисление обратной матрицы мало оправдано. Кроме того, в результате обращения ленточной матрицы получается матрица неленточного типа. Процедура обращения матрицы неэффективна также еще и с точки зрения экономии машинной памяти.

Преобразование системы уравнений

Результирующая система уравнений имеет вид

     (8)

она получается суммированием уравнений для всех элементов. Эта система должна быть преобразована, если некоторые составляющие {Ф} известны, что является скорее правилом, чем исключением. В большинстве задач теории поля некоторые граничные значения искомой величины заданы; во всех задачах теории упругости должны быть фиксированы некоторые перемещения с тем, чтобы исключить перемещение среды как жесткого тела. Б задачах механики деформируемых сред матрица жесткости [К] будет сингулярной до тех пор, пока не заданы некоторые перемещения.

Цель этого раздела — обсуждение и иллюстрация процедуры преобразования [К] и {F} таким образом, чтобы получить правильный ответ, не изменяя размеры [К] и {F), ибо это повлечет за собой трудности при программировании.

Если фиксирована одна степень свободы узлового параметра {Ф}, то преобразование системы уравнений представляет собой двухшаговую процедуру. Пусть, например, известно значение Ф6; преобразование сводится тогда к следующему:

1. Все коэффициенты пятой строки, за исключением диагональных, приравниваются нулю. Диагональный член остается неизменным. В форме равенства это выглядит как Кj=0 п j=1,...,n и j=N=5. Соответствующая компонента F& Beктора (f) заменяется на произведение

2. Все остальные уравнения преобразуются вычитанием произведения

из Fj и подстановкой   


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15252. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ КОММИВОЯЖЁРА 96.5 KB
  ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ КОММИВОЯЖЁРА Студент гр. В наши дни всё чаще даёт о себе знать проблема низкой производительности каких-либо расчётов. Вот и транспортная задача не стала ис...
15253. Анализ системы статистических данных 41.5 KB
  Лабораторная работа 4 Анализ системы статистических данных Цель работы Изучение информационных ресурсов сайта Федеральной службы государственной статистики. Учебное задание На сайте www.gks.ru в разделе Официальная статистическая информация найдите группу показ
15254. СВОБОДНОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 414 KB
  Лабораторная работа №5 СВОБОДНОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ Цель работы. Исследование динамических свойств линейных систем второго порядка. Рассмотрим систему второго порядка Переменные состояния рассматриваемой системы могут быть определ...
15255. Информационная деятельность менеджера в Интернете 646 KB
  Меняев М.Ф. Информационные ресурсы в менеджменте Часть 2: Информационная деятельность менеджера в Интернете Методические указания Общие сведения о глобальной сети Интернет. Internet предоставляет доступ к набору информационных служб сервисов основными среди кот
15256. Анализ влияния нулей и полюсов передаточной функции на динамические свойства системы 228.5 KB
  Лабораторная работа №6 Анализ влияния нулей и полюсов передаточной функции на динамические свойства системы по курсу Теория управления вариант 1 Цель работы: исследование связи переходной функции и динамических свойств системы с размещением на комплексной...
15257. Анализ точности систем управления 180.61 KB
  Лабораторная работа №7 Анализ точности систем управления Вариант №1 Цель работы. Исследование точностных свойств систем управления. 1. Исследование системы с астатизмом нулевого порядка. Задана замкнутая система с регулятором и передаточной функцией разомкну...
15258. Преобразование координат из одной зоны в другую путем непосредственного перехода от прямоугольных координат к прямоугольным 22.26 KB
  Лабораторная работа № 12 Преобразование координат из одной зоны в другую путем непосредственного перехода от прямоугольных координат к прямоугольным. Этот способ проще первого и требует значительно меньше вычислительного труда но для его применения необходимы зара
15259. Решение сферических треугольников 140.82 KB
  Лабораторная работа № 13 Решение сферических треугольников. Решение малых сферических и сфероидических треугольников. Треугольники триангуляции являются сфероидическими или эллипоидальными треугольниками поскольку они образованы на поверхности эллипсоида. Так ...
15260. Вычисление сближения меридианов 17.6 KB
  Лабораторная работа № 8 Вычисление сближения меридианов Сближение меридианов используется при переходе от азимута геодезической линии к дирекционному углу её изображения на плоскости по формуле: α=А