弹性力学问题的加权Nitsche间断伽辽金有限元法

结合传统间断伽辽金有限元法和加权Nitsche法,将内界面上的通量计算由传统的算术平均改进为加权平均,推导了弹性力学问题的加权Nitsche间断伽辽金有限元法公式,并给出了界面稳定系数的取值公式。数值试验表明:随着单元尺寸的逐步减少,对于均质和非均质材料问题,加权Nitsche间断伽辽金有限元法的解逐步收敛于精确解。尤其是对于非均质材料问题,其稳定系数取值比传统方法更加合理和稳定,且可以避免由于稳定系数过大引起的数值不稳定问题。     

一种平面问题的加权Nitsche间断伽辽金有限元法

以经典间断伽辽金有限元法求解弹性力学界面问题,存在着由于稳定系数取值不当引起的数值不稳定问题,而加权Nitsche间断伽辽金有限元法可以缓解这种问题,但仅应用于常量单元离散的情况。为解决上述问题,基于加权Nitsche间断伽辽金有限元法,针对平面弹性力学问题,推导了四节点四边形单元离散情况下的加权系数和稳定参数的计算公式,建立了权重与稳定参数间的定性依赖关系。通过建立和求解广义特征值问题,实现了加权系数和稳定参数的自动计算,使得高阶单元的使用成为可能。通过数值试验检验了方法的收敛性和稳定性。结果表明:在求解均匀或材料分区不均匀介质问题时,加权Nitsche间断伽辽金有限元法均表现出良好的稳定性,且计算结果具有较高的精度。所提出的方法在一定程度上无须人工干预,具有高效率、高精度和良好的稳定性,可以应用于复杂界面问题。