纯位移线弹性方程Locking-Free非协调三棱柱单元的构造分析
A Nonconforming Locking-Free Triangular Prism Element Analysis for Linear Elasticity Problem
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收稿日期: 2017-10-12
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Received: 2017-10-12
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主要构造了三维空间中线弹性问题纯位移变分形式下无闭锁三棱柱单元.此单元是具有18个自由度的非协调元.单元的形函数满足位移的散度属于零次多项式空间,通过分析得到有限元解和真解误差的能量模具有一阶收敛性,L2模具有二阶收敛性.
关键词:
This paper discuss the linear elasticity problem and constructs a nonconforming triangular prism element with 18 degrees of freedom. The shape functions of this element satisfy that the divergence of displacement is zeroth polynomial. We can deduce that the energy norm has the first order convergence rate and the L2 norm has the second order convergence rate.
Keywords:
本文引用格式
孙艳萍, 陈绍春.
Sun Yanping, Chen Shaochun.
1 引言
对于此问题的研究与讨论,之前有一些工作.文献[2-3, 6-8]讨论了纯应力边界条件的弹性问题,构造了满足第二类离散Korn不等式的有限元空间,并借助于混合有限元方法分析其收敛性.其中文献[2, 6]构造了三角形单元,文献[3, 7]构造了矩形单元,文献[8]构造了NRQ
本文以弹性纯位移变分问题为基础构造了三维的三棱柱单元并且证明了单元的适定性,得到能量模具有一阶收敛性,
2 基本问题和概念
本文中,
本文讨论的基本问题是均匀介质各向同性材料的纯位移平面弹性问题.令
其中
对应(2.1)变分问题:求
其中
显然由Korn不等式可知任意
由Lax-milgram定理可以得到上述变分问题有唯一解.
3 三棱柱单元构造
令
令
图 1
在参考单元
其中
则有dim
定理3.1 参考单元上的自由度定义如下
其中
证 三棱柱的五个外表面的方程分别为
由(3.3)式的第(ⅰ)个自由度和形函数空间(3.4)定义,可以得到下面的方程
同理在另外四个面上积分得下面四个方程
同理,对
对(3.4)式定义的多项式求偏导数,得
由(3.2)式定义的形函数空间的约束条件div
计算由(3.5)式, (3.6)和(3.8)式构成的21个方程组成的方程组,可以得到矩阵的阶数也是21,即方程组有唯一解.也即形函数空间(3.2)可以由(3.3)式定义的自由度唯一确定.
定义仿射变换
其中
对向量值函数采用Piola变换
由梯度算子的定义有
定义一般单元
定义插值算子
显然插值算子是仿射等价的.
对于任意
由有限元空间定义可知
引理3.1 插值算子
引理3.2 对于任给
证 由
证毕.
4 误差估计
接下来我们进行误差估计,方程(2.2)对应的离散有限元格式为:求
其中
定义有限元空间
显然当
引理4.1 设
证 由单元
证毕.
引理4.2 定义
证
证毕.
定理4.1 令
证 由Strong引理
首先讨论逼近误差,由于插值对一次多项式精确成立,所以有
再由引理4.1得
由(4.7)-(4.9)式得逼近误差为
这里的常数
接下来讨论相容误差,
设
由(4.11)-(4.13)式得
综合(4.7), (4.10)和(4.14)式,得误差估计(4.6).
接下来我们证明关于位移的
定理4.2 在定理4.1的条件下可得位移的
其中
证 方程(2.1)的对偶问题如下
其中
这里双线性形
对应于(4.17)式的离散问题是求
由定理4.1的证明可知
由
下面我们逐项讨论(4.21)式中各部分.由定理4.1和(4.20)式,有
因为
设
根据位移
类似(4.12)和(4.13)式的分析可以推出
和
由(4.24)-(4.28)式得
和
通过上述逐项分析得到(4.21)-(4.22), (4.28)-(4.30)式,代入
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