книги / Основы метода конечных элементов
..pdfАКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ КИБЕРНЕТИКИ ИМЕНИ В. М. ГЛУШКОВА
И.Н. Молчанов,
Л.Д. Николенко
ОСНОВЫ
МЕТОДА
КОНЕЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
КИЕВ НАУКОВА ДУМКА 1989
Основы метода конечных элементов / Молчанов И. И., Николенко Л. Д. Отв. ред. Галба Е. Ф.; АН УССР. Ин-т кибернетики имени В. М. Глушкова. — Киев : Наук, думка, 1989.— 272 с.— ISBN 5-12-000531-4.
В монографии рассмотрены алгоритмы решения некоторых задач математической физики методом конечных элементов (МКЭ). Приведено теоретическое обоснование МКЭ для рассматриваемых классов задач, доказана сходимость построенных при ближенных решений и даны оценки их точности. Обсуждены проблемы машинной реализации алгоритмов, а также вопросы достоверности получаемых машинных решений. Применение алгоритмов проиллюстрировано решением ряда модель ных задач.
Построение алгоритмов, их теоретическое исследование, вопросы машинной ре ализации, оценки достоверности получаемых машинных решений являются методо логической основой для решения прикладных задач МКЭ. Использование изложен ной методики продемонстрировано на примере решения некоторых приклад ных задач.
Для научных работников и инженеров, занимающихся численным решением задач термоупругопластичности, задач на колебания и устойчивость, а также для специалистов по прикладной математике. Будет полезна аспирантам и студентам старших курсов соответствующей специальности.
Ил. 49. Табл. 27. Библиогр.: с. 261—267 (160 назв.).
Ответственный редактор Е. Ф. Галба
Утверждено к печати ученым советом Института кибернетики имени В. М. Глушкова АН УССР
Редакция физико-математической литературы
Редактор В. Я . Егорова
1602110000-063 186-89 М22И04)-КЯ
ISBN 5-12-000531-4 |
© Издательство «Наукова думка», 1989 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Метод конечных элементов в последние десятилетия стал одним из широко рас пространенных численных методов. Он является эффективным средством дискрети зации (построения дискретного аналога) разнообразных дифференциальных и вариа ционных задач математической физики. Метод конечных элементов составляет алго ритмическую основу многих пакетов прикладных программ, разрабатываемых и используемых в различных сферах человеческой деятельности.
Следует отметить, что развитие и эффективность МКЭ, как и любого численного метода, обусловлены тесной взаимосвязью трех факторов: современной вычислитель ной техники, высококачественных математических моделей исследуемых процессов и объектов и, наконец, свойств и характеристик самого численного метода, т. е. МКЭ. Эта триада превращает численный эксперимент в мощное орудие познания окружающего мира. Под численным экспериментом понимается исследование свойств объекта или явления посредством решения на ЭВМ задачи, представляющей собой математическую модель этого явления или объекта. Задавая исходные данные и решая на их основе соответствующую задачу, можно понять значение различных факторов в исследуемом процессе или объекте. Выполнение численного эксперимента (наряду с натурным моделированием) существенно сокращает сроки проектно-конструк торских разработок, снижает расходы материалов и энергозатрат.
Использование математических моделей существенно расширяет возможности познания и прогнозирования, сокращает время проведения исследования при полу чении фундаментальных научных результатов.
Таким образом, численный эксперимент можно рассматривать как основу при создании систем автоматизации проектирования и автоматизации научных исследо ваний, а МКЭ — как один из эффективных численных методов машинной реализации численного эксперимента.
Основные математические аспекты МКЭ впервые были представлены в работе Р. Куранта [129], где для решения задачи об изгибе мембраны применялся следую щий вариант метода Ритца. Исходная область рассматривалась как совокупность квадратов, каждый из которых разбивался диагоналями на треугольники. В качестве базисных функций использовались кусочно-линейные полиномы, непрерывные во всей области и отличные от нуля только на нескольких треугольниках.
В то же время развитие ранее известных инженерных приемов исследования привело в технике к идее представления конструкций в виде дискретных элементов и появлению достаточно общей процедуры изучения широкого класса прикладных задач. Первоначально связь этой процедуры с упомянутым выше вариантом метода
Ритца не |
была |
замечена. Однако в дальнейшем работами многих исследователей |
эта связь |
была |
установлена и инженерная процедура получила математическое |
обоснование. Теоретически обоснованный численный метод, удобный для реализа ции на ЭВМ, назвали методом конечных элементов.
В настоящей монографии рассматривается математическая трактовка МКЭ. На примере решения краевых задач для различных линейных и нелинейных обыкно венных дифференциальных уравнений, начально-краевых задач для дифференци альных уравнений в частных производных второго порядка параболического типа, нахождения собственных чисел и собственных функций обыкновенных дифферен циальных операторов второго и четвертого порядков показаны алгоритм реализации этого метода и его сходимость для классических примеров краевых задач математи ческой физики; приведен порядок точности получаемых приближенных решений. Теоретические положения проиллюстрированы рядом примеров решения различных модельных задач.
Многообразие встречающихся на практике задач далеко не исчерпывается из вестными классическими примерами. Поэтому для решения прикладных задач на основе общей методологии МКЭ (изложенной в гл. I—V) приходится строить специ альные алгоритмы и проводить дополнительные теоретические исследования. Из ряда решенных авторами и их сотрудниками задач были отобраны четыре, харак теризующие, с нашей точки зрения, как целесообразность рассмотрения подобных математических моделей, так и особенность возникающих задач. Использование МКЭ при решении этих четырех задач рассмотрено в гл. VI.
При решении задач на ЭВМ любым методом, в том числе и МКЭ, возникает проб лема достоверности получаемого машинного решения задачи. Эта проблема много гранна и содержит в себе достоверность математической модели, корректность (правильность) использования МКЭ и аппарата численного анализа при формирова нии систем уравнений на ЭВМ и машинную реализацию этого метода.
Корректному применению МКЭ и вопросам его машинной реализации посвя щены гл. I—VI, вопросам достоверности решений систем уравнений МКЭ, «подвод ным камням», встречающимся при машинной реализации алгоритмов решения, а также характеристике методов и программ решения — гл. VII монографии.
Отметим, что теоретически обоснованное применение МКЭ для решения современ ных научно-технических задач требует использования современного математического аппарата и довольно тонких теоретических исследований. Однако только на этом пути можно гарантировать получение достоверных решений, не искажающих фи зического смысла задач.
Для облегчения чтения монографии основные идеи и теоретические обоснования МКЭ показаны на примерах простейших (одномерных) задач, а затем реализация этих идей иллюстрируется на решении двумерных прикладных задач.
Предлагаемая монография написана на основе лекций, прочитанных одним из авторов в качестве спецкурса студентам Киевского государственного университета им. Т. Г. Шевченко, специализирующимся по вычислительной математике, и студен-
там-математикам Высшей технической школы им. Отто фон |
Герике в |
Магдебур |
ге (ГДР). |
|
|
Авторы признательны академику А. А. Дородницину за |
поддержку |
идеи напи |
сания этой монографии и советы, определившие круг освещаемых в ней вопросов. Авторы благодарны коллегам и сотрудникам по работе: М. Ф. Яковлеву, И. С. Лев ченко, А. В. Попову, А. Ю. Незлиной, Н. А. Бик, В. С. Дейнеке, А. Н. Химичу, Е. Ф. Галбе за ценные замечания, а также Т. А. Герасимовой, А. Н. Нестеренко, И. П. Винокуровой, Д. Н. Назаровой, Н. В. Лапе, Т. А. Лиходзиевской за техничес кую подготовку рукописи к набору.
НЕКОТОРЫЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЕ О МЕТОДЕ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ)
Глава посвящена общей характеристике метода конечных элементов, являющегося эффективным орудием численного эксперимента в науч но-технических исследованиях. Сформулированы математические за дачи теории упругости, необходимые для реализации достоверного численного эксперимента. Для удобства чтения в этой главе приводят ся также некоторые вспомогательные сведения и понятия, используе мые в дальнейшем изложении.
1.1. Постановка задач и метод конечных элементов как средство описания дискретных задач
1. Понятие о численном эксперименте. Внедрение вычислительной техники во все области человеческой деятельности является характер ной чертой научно-технической революции. Вычислительные машины находят широкое применение в фундаментальных научных исследова ниях, в том числе и в автоматизации научных исследований, в систе мах автоматизации проектирования, в планировании и управлении народным хозяйством, в управлении дискретным производством (и в реальном масштабе времени), в информационном обеспечении общества.
В ряде областей применения численный эксперимент становится одним из средств научно-технического исследования и прогнозирова ния. Под численным экспериментом понимают исследование свойств объекта посредством решения на ЭВМ задач, представляющих собой математическую модель объекта. Многократное проигрывание моде лей для различных исходных данных позволяет понять роль и значе ние различных факторов для течения того или иного процесса или по ведения объекта и дает возможность правильно планировать и прово дить натурный (физический) эксперимент.
Использование численного эксперимента позволяет существенно повысить технический уровень и качество проектируемой и выпускае мой продукции, снизить расходы материалов на изготовление объек тов, уменьшить энергетические затраты при эксплуатации проекти руемых объектов, сократить сроки и объем натурных испытаний
исследуемых объектов и выявить новые теоретико-технические ка чества исследуемого объекта.
Для численного эксперимента необходимы математические модели исследуемых объектов или явлений, машинные методы решения соот ветствующих математических задач и вычислительныемашины, на ко торых численный эксперимент реализуется.
2. Математические задачи теории упругости. Рассмотрим матема тические модели, с помощью которых описываются задачи теории упругости, где по заданным, действующим на твердое тело, внешним си лам требуется найти те изменения формы, которые тело претерпевает, и те внутренние силы упругости, которые возникают между частями тела при этих изменениях формы.
При постановке задач теории упругости обычно задают форму тела, его упругие характеристики, выражающие свойство материала, объем ные (массовые) силы, условия нагружения или закрепления тела.
Анализ прикладных задач, описываемых математическими моделя
ми теории упругости, |
позволяет сделать следующие выводы: наряду |
|
с изучением отдельных |
элементов, узлов конструкций возникает по |
|
требность в интегрированном изучении объектов в |
целом, например, |
|
статически напряженного состояния летательного |
аппарата, причем |
исследуемые объекты обладают большими размерами и сложной гео метрией; существует настоятельная необходимость в решении прост ранственных задач; наряду со статической прочностью объектом ис следования становится динамическая прочность; большую значимость приобретает изучение нелинейных моделей, линеаризация которых может приводить к искажению физического смысла задачи; необходимо рассматривать уравнения с переменными коэффициентами в связи с использованием композиционных материалов, обладающих неодно родными свойствами; возникает потребность в создании объектов, не только прочных и рассчитанных на определенную нагрузку, но и ми нимальных по весу или экономных по затраченным материалам.
Линейная классическая теория упругости базируется на ряде ги потез, основными из которых являются предположения: о сведении системы сил, действующих на элементарную площадку, только к рав нодействующей (отсутствие моментов); о малости градиентов переме щений; о линейной связи между деформациями и перемещениями; об идеальной упругости материала (линейная связь между напряжениями и деформациями).
В зависимости от формы исследуемого тела выбирают ту или иную систему координат. Для определенности нами будут рассматриваться в дальнейшем декартовы координаты. Каждая точка упругого тела, отнесенного к декартовой системе координат Оххх2х3, характеризуется вектором перемещений и с компонентами ult и2, u3t а также тензором напряжений Та и деформаций Те:
I)
~а 11
а21
-<*31
Q to |
Q со 1 |
|
е п |
8 12 |
е 1 з “ |
а 22 |
а 23 |
. Т е = |
е 21 |
8 22 |
8 23 |
**32 |
а з з . |
|
_ 8 31 |
6 32 |
е з з _ |
В классической теории упругости сщ = ок{, Еы — е^. Если изве стен тензор То, то можно определить компоненты вектора напряжений Рп на любой произвольно ориентированной площадке в данной точке (л — нормаль к площадке):
Pnt = Gi, COS (л, jq) -f 0[2cos (л, х 2) + о {, cos (л, лг3), t = 1, 2, 3.
Компоненты тензора деформаций связаны с перемещениями форму лами Коши (геометрическими соотношениями):
dui
дх |
, i, k — 1 , 2 , 3 . |
( U ) |
|
Компоненты &ц характеризуют относительные удлинения в направле нии соответствующих осей, a eik (i ф k) — относительные сдвиги (из менение углов между осями Oxt и Oxk).
Для упругих тел в случае малых деформаций связь между компо нентами тензора напряжений и деформаций выражается обобщенным
законом Гука |
з |
|
|
|
|
|
|
®ik ■— |
CiklmSlmi |
&— К 2, |
3, |
(1.2) |
|||
S |
|||||||
|
l,m=1 |
|
|
|
|
||
&ik = |
3 |
diklmPlnu h |
k = 1, 2, |
3, |
(1.3) |
||
S |
|||||||
где |
/,m=1 |
|
|
|
|
|
|
СШт = |
C*i7m = |
Cimiki |
|
|
|||
|
|
|
|||||
|
diklm^ |
dkilm — dimlk• |
|
|
Потенциальная энергия деформации тела может быть вычислена
по формуле |
|
|
П = -4- (4 f |
S |
Gck&ikdQ, |
2 |
*,*=i |
|
Здесь d£l = dx1dx2dxs\ Q — объем |
тела. |
|
Учитывая соотношения (1.2), (1.3), |
потенциальную энергию ^мож |
но выразить либо только через компоненты тензора напряжений, ли бо только через компоненты тензора деформаций:
П = —Q— ^ ^ i |
|
S |
d iklm G ikG lm d Q , |
|
|
2 J |
|
l,k,l,m=1 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
II = -jr- f |
f |
S |
CiklmP'ikE'lnid'Q. |
|
|
2 |
|
|
i,k,l,m= 1 |
|
|
Выражение |
|
|
|
|
|
o = n + j j j E |
|
— И ? UiqidV |
(I-4) |
определяет полную энергию деформации упругого тела, где |
Г2 |
часть |
|
поверхности Г |
исследуемого тела, /* — объемные, qi |
поверхност |
|
ные силы (/ = |
1, 2, 3). |
|
|
Считая тело идеально упругим и учитывая, что в (1.4) пределы ин тегрирования и силы ft, q{ не зависят от перемещений, можно записать начало возможных перемещений в виде
б[П + |
I I I |
2 |
— ] Ч 2 и ^ Г = 0. |
(1.5) |
1 |
Q |
'=' |
Г, *—1 |
|
Равенство (1.5) показывает, что из всех возможных перемещений при заданных внешних силах, имеющих потенциал, равновесию тела будут соответствовать те перемещения, при которых полная энергия Ф при нимает минимальное значение. Поэтому возможна следующая вариа ционная постановка задачи о равновесии упругого тела: найти век тор-функцию и = (ult и2, и3)т, доставляющую минимум функционалу (1.4) в классе функций, удовлетворяющих на границе Гх области Q (в местах закрепления тела) условиям
U — ^ (Xj, •^'2’ х 3), (х^, Х2, Х3) ( |
, |
(1.6) |
Отметим, что воздействие внешних сил, приложенных к исследуемому телу, учитывается в (1.4) интегралом, содержащим qt, г = 1, 2, 3.
Начало возможных перемещений является самым общим началом статики, поэтому из соотношения (1.5) могут быть получены диффе ренциальные уравнения равновесия упругого тела
2 Т |
+ /< = |
°> |
* = |
2> 3« |
(1-7) |
|
k=\ |
ь |
|
|
|
|
|
а на границе нагружения |
тела |
Г2 — условия |
|
|||
л |
|
|
|
|
|
|
£ Oikcos (п, xk) + |
qt = |
0, |
/ = |
1 ,2 ,3 , (хх, х2, хя) £ Г2, |
(1.8) |
|
к=\ |
|
|
|
|
|
|
соответствующие заданным на поверхности силам; на оставшейся части Гх границы Г в местах закрепления задают условие (1.6).
Отметим, что дифференциальные уравнения равновесия упругого тела (1.7) могут быть получены и из известных принципов статики в предположении, что составляющие тензора напряжений имеют непре рывные частные производные первого порядка во всей области, заня той телом.
Так как по обобщенному закону Гука напряжения можно выразить через деформации, а следовательно, через перемещения ии и2, и3, и деформации можно выразить через напряжения, то в теории упруго сти одну и ту же задачу можно решать либо в перемещениях, либо в напряжениях. В дальнейшем будем рассматривать задачи, сформули рованные относительно перемещений.
Итак, ставится следующая математическая задача: найти решение
и = |
(иъ и2, иа)тсистемы дифференциальных |
уравнений (1.7) внутри |
замкнутой области S2, удовлетворяющее на |
границе Г2 условиям |
|
(1.8), |
а на Гх условиям (1.6). |
|
В физически линейных и геометрически нелинейных задачах вместо формул Коши применяют соотношения
„ _ 1 ( ди1 , дик ( v диа диа )
ik |
* 1 * * + |
dxi |
+ h t дх* **,)• |
|
it Ы |
, 2 , |
3. |
Используя начало возможных перемещений, для задач нелиней ной теории упругости можно получить дифференциальные уравнения равновесия упругого тела
з |
д |
|
|
dut |
|
|
|
|
||
2 |
Gnk( §ik + |
+ ft = 0, i = 1, |
2, |
3, (xv x2, x3) £ Й (1.9) |
||||||
дхп |
дхи |
|||||||||
nji=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и граничные условия, |
где заданы поверхностные силы |
|
||||||||
|
|
|
( |
|
+ |
-|^-jcos(rt, хп) = |
qt, |
i = 1, 2, 3, |
(МО) |
|
|
|
|
|
|
|
(xlt х2, хь) G Г2. |
|
|
|
|
Здесь |
bik — символ Кронекера, п — внешняя |
нормаль. На |
границе |
|||||||
закрепления |
тела 1\ |
задают перемещения |
|
|
|
|||||
причем Г = |
I\ (J Г2. |
|
щ = gi, (х1г х2, х3) £ г х, |
|
(1.11) |
|||||
|
|
|
|
|
|
Таким образом, формулируется математическая задача: найти внутри замкнутой области Q решение системы дифференциальных уравнений (1.9), удовлетворяющее на границе Г2 условиям (1.10), а на 1\ условиям (1.11).
Используя начало Д ’Аламбера, уравнения, например, (1.7) можно обобщить на случай, когда точки твердого тела находятся в движении.
Тогда справедливы |
уравнения |
динамики |
|
|||
|
d°ik |
+ |
U -P - |
d2ut |
(1. 12) |
|
*=! |
дх„ |
dt2 = 0, г = 1, 2, 3, |
||||
|
|
|
t — время. |
|
||
где р — плотность |
тела, |
|
Решение уравнений (1.12) находят при краевых условиях (1.8),
(1.6), которые также становятся |
зависящими |
от времени, и при на |
|||
чальных условиях |
u({xlt х2, х3, 0) = |
р и , |
|
||
ди. |
|
||||
^2» *^3» |
== |
i == |
2, |
||
^ |
При исследовании ряда прикладных задач возникает необходимость в изучении статики или динамики напряженно-деформированного со стояния неравномерно напряженных тел, подверженных воздействию источников тепла. Температурное поле Т = Т (хи х2, х3, t) получим* решив для твердого тела дифференциальные уравнения параболиче ского типа второго порядка
3
с условиями на границе тела одного из видов
Т = р ! (*!, Х2, Х3, t),
k -^ - = |
M *l> |
*2. *3> 0. |
дТ |
= |
Х2, Х3, t) |
k — n------ Р Т |
■(или смешанными граничными условиями) и с начальным условием
|
|
Т (*!, |
х2, х3, 0) — Т0 {х1, х2, х3), (лг1г х2, х3) £ П. |
|
|
||
Здесь с = |
с (xlt |
х2, |
х3, t) > 0 — теплоемкость единичного |
объема, |
|||
к = |
k (хъ |
х2, х3) > |
0 — коэффициент теплопроводности, |
Ф = ф (*i> |
|||
х2, |
х3, t) — плотность |
тепловых источников (стоков) тепла |
внутри |
||||
области, р — заданный |
коэффициент. После нахождения |
распределе |
ния температуры в теле необходимо решать уравкения термоупругости. Если нагреть элемент тела до температуры Т и если не будет пре пятствий для его расширения, то этот элемент расширяется во всех направлениях, причем тепловые деформации его выразятся формулой
_ |
I |
а Т, i = |
/, |
Bil |
l |
0, 1ф]', |
i, / = 1 , 2 , 3 , |
где а — коэффициент линейного теплового расширения.
Если тело нагрето неравномерно или какие-либо участки его по верхности связаны с другими телами, то элементы тела не могут сво бодно расширяться. В этом случае соотношения (1.3) принимают вид
е « = |
Б dikimPim + 8lkaT, i, |
k = 1 , 2 , 3 |
, |
(I-13) |
||
где 6ik — символ |
|
l,m=1 |
|
|
|
|
Кронекера. |
можно |
найти |
|
|||
Решая систему |
(1.13) относительно а**, |
|
||||
Oik = |
з |
Ciklm(eim — bimaT), i,k = 1,2, |
|
|
|
|
Б |
3. |
|
(1.14) |
|||
l,m=\ |
|
|
|
|
Из принципа возможных перемещений с учетом (1.13), (1.14) можно получить уравнения равновесия термоупругого тела
2 + — б/тат) + / , = °, i = l , 2, 3,
которые справедливы внутри исследуемого тела, а на поверхности тела можно сформулировать краевые условия одного из видов
4 - J S , c‘k‘m( |
4 ^ - + |
- I f - - |
26,ma rjco s (n , |
xk) = qt, |
||
|
|
U{ = |
g{, i = |
1, |
2, 3, |
|
или смешанные |
краевые условия. |
|
|
|
||
Аналогично |
задачи |
термоупругости |
могут быть |
сформулированы |
для нелинейных и динамических задач теории упругости. Введением уп