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:
根据初始条件, , , , ,通过Eq.计算
由Eq. 计算
由计算
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和,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。