Newmark method

rearrange Eq. ,可以得到

substitute Eq. into Eq. ,可以得到

substitute Eq. and Eq. into the Eq.

可以得到Eq. 或者Eq.

初值计算:已知初始位移 、初始速度 和初始载荷

  • 通过Eq. 可以计算

由t时刻推 时刻:已知由t时刻的位移、速度、加速度和 时刻的载荷,

  • 通过Eq. 计算 时刻的位移;

  • 通过Eq. 计算 时刻的速度;

  • 通过Eq. 计算 时刻的加速度;

该方法基于物体在外力作用下的平衡方程,其中R为externally applied nodal point forces, F 为nodal point forces that correspond to the element stresses. F可以通过 进行计算,在<finite element procedures in engineering analysis>section 6.3中有讨论。

时间步进方法的核心是:已知t时刻的解,求解 时刻满足Eq. 的解。 因为t时刻的解已知,所以我们将 表示为Eq. ,其中 为由于element displacement and stress 增量引起的nodal point forces的增量。

的一阶近似为Eq. ,其中 is a tangent stiffness matrix corresponds to the geometric and material conditions at t,见Eq. . 是nodal point displacement 的增量。

将Eq. 和Eq. 带入到Eq. 中,得到 对于静态系统,Eq. 退化为Eq. 。如果系统是线性的,即Eq. 中K独立于位移U,那么由Eq. 可以直接结算 ,从而由 得到 时刻的解 实际问题中K与U是相关的,多余Eq. 中的近似会造成比较大的误差,因此需要采用Newton-Raphson迭代方法获得较为准确的解。 为了获得更具有普适性的模型,这里直接对动态系统进行分析(省略了damping forces)。牛顿法的处理方式为 注意,对比Eq. 和Eq. ,会发现K和F左上角的t变成了 ,这是因为Eq. 适用的是线性系统,在计算 时刻的U时,用的是t时刻的矩阵K,通过Eq. 获得。而Eq. 针对的是非线性系统,在计算 的过程中,K不是直接由t时刻的Eq. 获得的,因此,更适合使用上标 表示在计算 的过程中使用的K。F同理。

从第k-1次迭代到k次迭代,有Eq. .

另外,根据trapezoidal time integration, 有关系式Eq. 和Eq.

结合Eq. , Eq. 和 Eq. 可以得到Eq. .

将Eq. 带入到Eq. 中,可以得到Eq. : 算法流程如下:

  1. 根据初始条件 , , , , ,通过Eq. 计算

  2. 由Eq. 计算

  3. 计算

  4. 接下来通过Eq. 计算 重复步骤231,直到 足够小,结束循环。令

中心差分法不涉及变量 ,而是使用简单的中心差分方法:

将Eq. 和Eq. 带入Eq. 中,可以得到Eq. 。简记为Eq.

注意初始时刻的计算需要用到 ,我们利用初始条件计算 ,见Eq. 。注意Central Difference Method这种方法有条件稳定, 不能太大,需要满足CFL稳定条件。

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