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因为线性增量的切线刚度方程是从相对于和的一阶变分得到的,这样要保持位移增量的二次项应变能密度的增量为
这里假设是对称的.
外力势的增量由下式得到
将有限元法用于前面的变分方程就可得到增量刚度方程.可以看出,纯欧拉描述和纯拉格朗日描述是任意拉格朗日-欧拉描述的特殊情况.若设,则有,即得到纯拉格朗日描述.若,则,就得到纯欧拉描述.
这里介绍的ALE描述是限于线弹性材料,ALE描述已广泛用于固体力学的各类问题的数值分析:弹-粘塑性材料、路径相关的材料、不可压的超弹性材料和非局部应变材料的大变形分析、加工成形分析、固体摩擦接触分析、碰撞分析和流体-结构相互作用的分析等.
有一些学者从应力与变形率变分得出的虚功原理出发,推导U.L法的平衡方程.由于采用不同的假设所得出的方程不完全相同.这里介绍McMecking和Rice所提出的方法.他们从Hill提出的物体在任意变形值情况下率形式的虚功方程出发:
式中是拉格朗日应力率,表示应变梯度,可由分布在体积连续速度场导出.积分是在时刻的参照构形下的体积和表面下进行.
为了消除刚体旋转对应力率的变化,在本构关系中引用Jaumann应力率.Lagrange应力率与Kirchoff的Jaumann应力和Cauchy应力有如下关系:式中为变形率.
将上式代入虚功方程可得:用表示单元节点自由度速度向量列阵,按照有限元过程,有下述关系:
这里应变率用表示,而不用表示,以免与材料常数矩阵混淆.注意到在时刻
材料本构关系:将上述三式代入式虚功方程可得:
其中:
与前面的公式相比,虽然都是U.L体系,但是两者的左边和右边均不相同.顺便指出,McMeeking和Rice最早提出这个计算格式时称为欧拉体系,实际称为U.L体系更为恰当.Yamada也提出了这个计算格式.此外,Argyris则提出了不同的非线性有限元方程的描述方法,也属于U.L坐标系统.
5.3.3任意拉格朗日-欧拉描述法在拉格朗日描述中,以初始构形为参照构形来研究物质点在空间中的运动规律,即上式描述了同一质点在不时刻的空间位置.
在欧拉描述中,以现时构形为参照构形来研究空间点上物质点的运动规律,即上式则描述了同一空间点在不同时刻被物质点所占有的位置.
而任意拉格朗日-欧拉描述则引入了一个可以独立于初始构形和现时构形运动的参照构形,在物体变形过程中,观察者始终跟随参照构形运动,因此,对观察者来说,参照构形是不同的,而初始构形和现时构形则相对于参照构形运动.为了确定参照构形中各参考点的位置,引入参照坐标系.
在这种描述中,是独立的空间变量.在任意的时刻,在参照构形中任意一点均与初始构形中的一个物质点相关联,假设两者存在一一对应关系,则有当然,物质点在时刻的现时位置可以用现时构形中的位置向量表示
物质点的位移为一般情况下,与固定参照体积相关联的现时体积和初始体积是随时间变化的.
以前已经介绍过总变形的格林应变张量其中为变形梯度,即变形的雅可比行列式,它的分量为
现在把总应变分解为欧拉分量和拉格朗日分量,欧拉应变分量的雅可比行列式描述了从到的映射其中是逆欧拉雅可比行列式,分量为
拉格朗日雅可比行列式描述了从参照构形到现时构形的映射总的变形梯度是欧拉雅可比和拉格朗日雅可比的乘积
因此,格林应变张量的分量可以写为现在考虑时刻的变形物体的现时状态,物体受体力和面力的作用,面力作用在表面上,在任意位置体力
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