Теперь вычислим матрицу демпфирования для двумерного случая. Матрица демпфирования связана с интегралом квадрата пробной функции. Рассмотрим интеграл для одного треугольника с вершинами ( x i , y i ) , ( x i + 1 , y i + 1 ) , ( x i + 2 , y i + 2 ) (x_i, y_i), (x_{i+1}, y_{i+1}), (x_{i+2}, y_{i+2}) ( x i , y i ) , ( x i + 1 , y i + 1 ) , ( x i + 2 , y i + 2 )
Пробная функция на треугольнике имеет вид υ ( i ) ( i + 2 ) ( x , y ) = q i ⋅ ϕ i ( x , y ) + q i + 1 ⋅ ϕ i + 1 ( x , y ) + q i + 2 ⋅ ϕ i + 2 ( x , y ) \upsilon_{(i)(i+2)}(x, y) = q_i \cdot \phi_i(x, y) + q_{i+1} \cdot \phi_{i+1}(x, y) + q_{i+2} \cdot \phi_{i+2}(x, y) υ ( i ) ( i + 2 ) ( x , y ) = q i ⋅ ϕ i ( x , y ) + q i + 1 ⋅ ϕ i + 1 ( x , y ) + q i + 2 ⋅ ϕ i + 2 ( x , y ) . Примем во внимание (5.9 { a i + b i ⋅ x i + c i ⋅ y i = 1 a i + b i ⋅ x i + 1 + c i ⋅ y i + 1 = 0 a i + b i ⋅ x i + 2 + c i ⋅ y i + 2 = 0 { a i + 1 + b i + 1 ⋅ x i + c i + 1 ⋅ y i = 0 a i + 1 + b i + 1 ⋅ x i + 1 + c i + 1 ⋅ y i + 1 = 1 a i + 1 + b i + 1 ⋅ x i + 2 + c i + 1 ⋅ y i + 2 = 0 { a i + 2 + b i + 2 ⋅ x i + c i + 2 ⋅ y i = 0 a i + 2 + b i + 2 ⋅ x i + 1 + c i + 2 ⋅ y i + 1 = 0 a i + 2 + b i + 2 ⋅ x i + 2 + c i + 2 ⋅ y i + 2 = 1 \begin{split}
&\begin{cases}
a_{i} + b_{i} \cdot x_i + c_{i} \cdot y_i = 1\\
a_{i} + b_{i} \cdot x_{i+1} + c_{i} \cdot y_{i+1} = 0\\
a_{i} + b_{i} \cdot x_{i+2} + c_{i} \cdot y_{i+2} = 0
\end{cases}\\
&\begin{cases}
a_{i+1} + b_{i+1} \cdot x_i + c_{i+1} \cdot y_i = 0\\
a_{i+1} + b_{i+1} \cdot x_{i+1} + c_{i+1} \cdot y_{i+1} = 1\\
a_{i+1} + b_{i+1} \cdot x_{i+2} + c_{i+1} \cdot y_{i+2} = 0
\end{cases}\\
&\begin{cases}
a_{i+2} + b_{i+2} \cdot x_i + c_{i+2} \cdot y_i = 0\\
a_{i+2} + b_{i+2} \cdot x_{i+1} + c_{i+2} \cdot y_{i+1} = 0\\
a_{i+2} + b_{i+2} \cdot x_{i+2} + c_{i+2} \cdot y_{i+2} = 1
\end{cases}
\end{split} ⎩ ⎨ ⎧ a i + b i ⋅ x i + c i ⋅ y i = 1 a i + b i ⋅ x i + 1 + c i ⋅ y i + 1 = 0 a i + b i ⋅ x i + 2 + c i ⋅ y i + 2 = 0 ⎩ ⎨ ⎧ a i + 1 + b i + 1 ⋅ x i + c i + 1 ⋅ y i = 0 a i + 1 + b i + 1 ⋅ x i + 1 + c i + 1 ⋅ y i + 1 = 1 a i + 1 + b i + 1 ⋅ x i + 2 + c i + 1 ⋅ y i + 2 = 0 ⎩ ⎨ ⎧ a i + 2 + b i + 2 ⋅ x i + c i + 2 ⋅ y i = 0 a i + 2 + b i + 2 ⋅ x i + 1 + c i + 2 ⋅ y i + 1 = 0 a i + 2 + b i + 2 ⋅ x i + 2 + c i + 2 ⋅ y i + 2 = 1 ) и (5.10 { a i = ( x i + 1 ⋅ y i + 2 − x i + 2 ⋅ y i + 1 ) / det b i = ( y i + 1 − y i + 2 ) / det c i = ( − x i + 1 + x i + 2 ) / det { a i + 1 = ( − x i ⋅ y i + 2 + x i + 2 ⋅ y i ) / det b i + 1 = ( − y i + y i + 2 ) / det c i + 1 = ( x i − x i + 2 ) / det { a i + 2 = ( x i ⋅ y i + 1 − x i + 1 ⋅ y i ) / det b i + 2 = ( y i − y i + 1 ) / det c i + 2 = ( − x i + x i + 1 ) / det \begin{split}
&\begin{cases}
a_{i} = (x_{i+1} \cdot y_{i+2} - x_{i+2} \cdot y_{i+1}) / \det\\
b_{i} = (y_{i+1} - y_{i+2}) / \det\\
c_{i} = (-x_{i+1} + x_{i+2}) / \det
\end{cases}\\
&\begin{cases}
a_{i+1} = ( - x_i \cdot y_{i+2} + x_{i+2} \cdot y_i) / \det\\
b_{i+1} = (-y_i + y_{i+2}) / \det\\
c_{i+1} = (x_i - x_{i+2}) / \det
\end{cases}\\
&\begin{cases}
a_{i+2} = (x_i \cdot y_{i+1} - x_{i+1} \cdot y_i) / \det\\
b_{i+2} = (y_i - y_{i+1}) / \det\\
c_{i+2} = (-x_i + x_{i+1}) / \det
\end{cases}
\end{split} ⎩ ⎨ ⎧ a i = ( x i + 1 ⋅ y i + 2 − x i + 2 ⋅ y i + 1 ) / det b i = ( y i + 1 − y i + 2 ) / det c i = ( − x i + 1 + x i + 2 ) / det ⎩ ⎨ ⎧ a i + 1 = ( − x i ⋅ y i + 2 + x i + 2 ⋅ y i ) / det b i + 1 = ( − y i + y i + 2 ) / det c i + 1 = ( x i − x i + 2 ) / det ⎩ ⎨ ⎧ a i + 2 = ( x i ⋅ y i + 1 − x i + 1 ⋅ y i ) / det b i + 2 = ( y i − y i + 1 ) / det c i + 2 = ( − x i + x i + 1 ) / det ) из раздела о функциях <<крышек>> и запишем соотношения для функций <<крышек>>
Подставим пробную функцию в (6.26 ∫ △ υ 2 d S . \int_{\triangle} \upsilon^2 \,dS. ∫ △ υ 2 d S . )
∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = ∫ △ [ q i ⋅ ( a i + b i ⋅ x + c i ⋅ y ) + q i + 1 ⋅ ( a i + 1 + b i + 1 ⋅ x + c i + 1 ⋅ y ) + q i + 2 ⋅ ( a i + 2 + b i + 2 ⋅ x + c i + 2 ⋅ y ) ] 2 d S \begin{aligned}
&\int_{\triangle} \upsilon_{(i)(i+2)}^2 \,dS = \int_{\triangle} \Big[ q_i \cdot (a_i + b_i \cdot x + c_i \cdot y)\\
&+ q_{i+1} \cdot (a_{i+1} + b_{i+1} \cdot x + c_{i+1} \cdot y) + q_{i+2} \cdot (a_{i+2} + b_{i+2} \cdot x + c_{i+2} \cdot y) \Big]^2 \,dS
\end{aligned} ∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = ∫ △ [ q i ⋅ ( a i + b i ⋅ x + c i ⋅ y ) + q i + 1 ⋅ ( a i + 1 + b i + 1 ⋅ x + c i + 1 ⋅ y ) + q i + 2 ⋅ ( a i + 2 + b i + 2 ⋅ x + c i + 2 ⋅ y ) ] 2 d S Раскроем квадрат. Для упрощения вычислений воспользуемся тем, что для линейных функций <<крышек>> на треугольнике справедливы следующие соотношения
где S △ S_{\triangle} S △ — площадь треугольника, которая вычисляется по формуле (6.10 S △ = ∣ d ∣ 2 , S_{\triangle} = \frac{\displaystyle |d|}{\displaystyle 2}, S △ = 2 ∣ d ∣ , ).
Используя эти соотношения и раскрывая квадрат пробной функции, получим
∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = ∫ △ [ q i 2 ⋅ ϕ i 2 + q i + 1 2 ⋅ ϕ i + 1 2 + q i + 2 2 ⋅ ϕ i + 2 2 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 ⋅ ϕ i ⋅ ϕ i + 1 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 ⋅ ϕ i ⋅ ϕ i + 2 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ ϕ i + 1 ⋅ ϕ i + 2 ] d S \begin{aligned}
&\int_{\triangle} \upsilon_{(i)(i+2)}^2 \,dS = \int_{\triangle} \Big[ q_i^2 \cdot \phi_i^2 + q_{i+1}^2 \cdot \phi_{i+1}^2 + q_{i+2}^2 \cdot \phi_{i+2}^2\\
&+ 2 \cdot q_i \cdot q_{i+1} \cdot \phi_i \cdot \phi_{i+1} + 2 \cdot q_i \cdot q_{i+2} \cdot \phi_i \cdot \phi_{i+2} + 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+2} \cdot \phi_{i+1} \cdot \phi_{i+2} \Big] \,dS
\end{aligned} ∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = ∫ △ [ q i 2 ⋅ ϕ i 2 + q i + 1 2 ⋅ ϕ i + 1 2 + q i + 2 2 ⋅ ϕ i + 2 2 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 ⋅ ϕ i ⋅ ϕ i + 1 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 ⋅ ϕ i ⋅ ϕ i + 2 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ ϕ i + 1 ⋅ ϕ i + 2 ] d S Применим формулы (6.28 ∫ △ ϕ m ⋅ ϕ n d S = { S △ 6 , m = n S △ 12 , m ≠ n \begin{split}
&\int_{\triangle} \phi_m \cdot \phi_n \,dS = \begin{cases}
\frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6}, & m = n\\
\frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12}, & m \neq n
\end{cases}
\end{split} ∫ △ ϕ m ⋅ ϕ n d S = ⎩ ⎨ ⎧ 6 S △ , 12 S △ , m = n m = n )
∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = q i 2 ⋅ S △ 6 + q i + 1 2 ⋅ S △ 6 + q i + 2 2 ⋅ S △ 6 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 ⋅ S △ 12 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 ⋅ S △ 12 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ S △ 12 \begin{aligned}
&\int_{\triangle} \upsilon_{(i)(i+2)}^2 \,dS = q_i^2 \cdot \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6} + q_{i+1}^2 \cdot \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6} + q_{i+2}^2 \cdot \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6}\\
&+ 2 \cdot q_i \cdot q_{i+1} \cdot \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12} + 2 \cdot q_i \cdot q_{i+2} \cdot \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12} + 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+2} \cdot \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12}
\end{aligned} ∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = q i 2 ⋅ 6 S △ + q i + 1 2 ⋅ 6 S △ + q i + 2 2 ⋅ 6 S △ + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 ⋅ 12 S △ + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 ⋅ 12 S △ + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ 12 S △ Упростим выражение
∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = S △ 12 [ 2 q i 2 + 2 q i + 1 2 + 2 q i + 2 2 + 2 q i q i + 1 + 2 q i q i + 2 + 2 q i + 1 q i + 2 ] . \int_{\triangle} \upsilon_{(i)(i+2)}^2 \,dS = \frac{S_{\triangle}}{12} \left[ 2 q_i^2 + 2 q_{i+1}^2 + 2 q_{i+2}^2 + 2 q_i q_{i+1} + 2 q_i q_{i+2} + 2 q_{i+1} q_{i+2} \right]. ∫ △ υ ( i ) ( i + 2 ) 2 d S = 12 S △ [ 2 q i 2 + 2 q i + 1 2 + 2 q i + 2 2 + 2 q i q i + 1 + 2 q i q i + 2 + 2 q i + 1 q i + 2 ] . Введём обозначения для элементов локальной матрицы демпфирования треугольника
Таким образом, локальная матрица демпфирования для треугольного элемента имеет вид
Глобальная матрица демпфирования C \mathbf{C} C получается путём суммирования вкладов от всех треугольных элементов сетки методом сборки: элементы локальных матриц добавляются к соответствующим элементам глобальной матрицы согласно глобальной нумерации узлов. Размерность глобальной матрицы демпфирования равна N × N N \times N N × N , где N N N — общее количество узлов сетки.