Матрица демпфирования 2D

Теперь вычислим матрицу демпфирования для двумерного случая. Матрица демпфирования связана с интегралом квадрата пробной функции. Рассмотрим интеграл для одного треугольника с вершинами (xi,yi),(xi+1,yi+1),(xi+2,yi+2)(x_i, y_i), (x_{i+1}, y_{i+1}), (x_{i+2}, y_{i+2})

υ2dS.\int_{\triangle} \upsilon^2 \,dS.
(6.26)

Пробная функция на треугольнике имеет вид υ(i)(i+2)(x,y)=qiϕi(x,y)+qi+1ϕi+1(x,y)+qi+2ϕi+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). Примем во внимание (5.9) и (5.10) из раздела о функциях <<крышек>> и запишем соотношения для функций <<крышек>>

{ϕi(x,y)=ai+bix+ciyϕi+1(x,y)=ai+1+bi+1x+ci+1yϕi+2(x,y)=ai+2+bi+2x+ci+2y\begin{cases} \phi_i(x, y) = a_i + b_i \cdot x + c_i \cdot y\\ \phi_{i+1}(x, y) = a_{i+1} + b_{i+1} \cdot x + c_{i+1} \cdot y\\ \phi_{i+2}(x, y) = a_{i+2} + b_{i+2} \cdot x + c_{i+2} \cdot y \end{cases}
(6.27)

Подставим пробную функцию в (6.26)

υ(i)(i+2)2dS=[qi(ai+bix+ciy)+qi+1(ai+1+bi+1x+ci+1y)+qi+2(ai+2+bi+2x+ci+2y)]2dS\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}

Раскроем квадрат. Для упрощения вычислений воспользуемся тем, что для линейных функций <<крышек>> на треугольнике справедливы следующие соотношения

ϕmϕndS={S6,m=nS12,mn\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}
(6.28)

где SS_{\triangle} — площадь треугольника, которая вычисляется по формуле (6.10).

Используя эти соотношения и раскрывая квадрат пробной функции, получим

υ(i)(i+2)2dS=[qi2ϕi2+qi+12ϕi+12+qi+22ϕi+22+2qiqi+1ϕiϕi+1+2qiqi+2ϕiϕi+2+2qi+1qi+2ϕi+1ϕi+2]dS\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}

Применим формулы (6.28)

υ(i)(i+2)2dS=qi2S6+qi+12S6+qi+22S6+2qiqi+1S12+2qiqi+2S12+2qi+1qi+2S12\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}

Упростим выражение

υ(i)(i+2)2dS=S12[2qi2+2qi+12+2qi+22+2qiqi+1+2qiqi+2+2qi+1qi+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].

Введём обозначения для элементов локальной матрицы демпфирования треугольника

c(i)(i)=S6c(i+1)(i+1)=S6c(i+2)(i+2)=S6c(i)(i+1)=c(i+1)(i)=S12c(i)(i+2)=c(i+2)(i)=S12c(i+1)(i+2)=c(i+2)(i+1)=S12\begin{split} &c_{(i)(i)} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6}\\ &c_{(i+1)(i+1)} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6}\\ &c_{(i+2)(i+2)} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 6}\\ &c_{(i)(i+1)} = c_{(i+1)(i)} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12}\\ &c_{(i)(i+2)} = c_{(i+2)(i)} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12}\\ &c_{(i+1)(i+2)} = c_{(i+2)(i+1)} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12} \end{split}
(6.29)

Таким образом, локальная матрица демпфирования для треугольного элемента имеет вид

C=[c(i)(i)c(i)(i+1)c(i)(i+2)c(i+1)(i)c(i+1)(i+1)c(i+1)(i+2)c(i+2)(i)c(i+2)(i+1)c(i+2)(i+2)]=S12[211121112].\begin{aligned}\mathbf{C}_{\triangle} = \begin{bmatrix} c_{(i)(i)} & c_{(i)(i+1)} & c_{(i)(i+2)}\\ c_{(i+1)(i)} & c_{(i+1)(i+1)} & c_{(i+1)(i+2)}\\ c_{(i+2)(i)} & c_{(i+2)(i+1)} & c_{(i+2)(i+2)} \end{bmatrix} = \frac{\displaystyle S_{\triangle}}{\displaystyle 12} \begin{bmatrix} 2 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 1\\ 1 & 1 & 2 \end{bmatrix}.\end{aligned}
(6.30)

Глобальная матрица демпфирования C\mathbf{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×NN \times N, где NN — общее количество узлов сетки.