Перейдём к вычислению матрицы демпфирования для трёхмерного случая. Матрица демпфирования связана с интегралом квадрата пробной функции. Рассмотрим интеграл для одного тетраэдра с вершинами
( x i , y i , z i ) , ( x i + 1 , y i + 1 , z i + 1 ) , ( x i + 2 , y i + 2 , z i + 2 ) , ( x i + 3 , y i + 3 , z i + 3 ) (x_i, y_i, z_i), \quad (x_{i+1}, y_{i+1}, z_{i+1}), \quad (x_{i+2}, y_{i+2}, z_{i+2}), \quad (x_{i+3}, y_{i+3}, z_{i+3}) ( x i , y i , z i ) , ( x i + 1 , y i + 1 , z i + 1 ) , ( x i + 2 , y i + 2 , z i + 2 ) , ( x i + 3 , y i + 3 , z i + 3 ) Пробная функция на тетраэдре имеет вид υ ( i ) ( i + 3 ) ( x , y , z ) = q i ⋅ ϕ i + q i + 1 ⋅ ϕ i + 1 + q i + 2 ⋅ ϕ i + 2 + q i + 3 ⋅ ϕ i + 3 \upsilon_{(i)(i+3)}(x, y, z) = q_i \cdot \phi_i + q_{i+1} \cdot \phi_{i+1} + q_{i+2} \cdot \phi_{i+2} + q_{i+3} \cdot \phi_{i+3} υ ( i ) ( i + 3 ) ( x , y , z ) = q i ⋅ ϕ i + q i + 1 ⋅ ϕ i + 1 + q i + 2 ⋅ ϕ i + 2 + q i + 3 ⋅ ϕ i + 3 . Аналогично двумерному случаю, функции <<крышек>> для тетраэдра имеют линейный вид согласно (6.14 { ϕ i ( x , y , z ) = a i + b i ⋅ x + c i ⋅ y + d i ⋅ z ϕ i + 1 ( x , y , z ) = a i + 1 + b i + 1 ⋅ x + c i + 1 ⋅ y + d i + 1 ⋅ z ϕ i + 2 ( x , y , z ) = a i + 2 + b i + 2 ⋅ x + c i + 2 ⋅ y + d i + 2 ⋅ z ϕ i + 3 ( x , y , z ) = a i + 3 + b i + 3 ⋅ x + c i + 3 ⋅ y + d i + 3 ⋅ z \begin{cases}
\phi_i(x, y, z) = a_i + b_i \cdot x + c_i \cdot y + d_i \cdot z\\
\phi_{i+1}(x, y, z) = a_{i+1} + b_{i+1} \cdot x + c_{i+1} \cdot y + d_{i+1} \cdot z\\
\phi_{i+2}(x, y, z) = a_{i+2} + b_{i+2} \cdot x + c_{i+2} \cdot y + d_{i+2} \cdot z\\
\phi_{i+3}(x, y, z) = a_{i+3} + b_{i+3} \cdot x + c_{i+3} \cdot y + d_{i+3} \cdot z
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ϕ i ( x , y , z ) = a i + b i ⋅ x + c i ⋅ y + d i ⋅ z ϕ i + 1 ( x , y , z ) = a i + 1 + b i + 1 ⋅ x + c i + 1 ⋅ y + d i + 1 ⋅ z ϕ i + 2 ( x , y , z ) = a i + 2 + b i + 2 ⋅ x + c i + 2 ⋅ y + d i + 2 ⋅ z ϕ i + 3 ( x , y , z ) = a i + 3 + b i + 3 ⋅ x + c i + 3 ⋅ y + d i + 3 ⋅ z )
Подставим пробную функцию в (6.31 ∫ тет υ 2 d V . \int_{\text{тет}} \upsilon^2 \,dV. ∫ тет υ 2 d V . )
∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = ∫ тет [ q i ⋅ ϕ i ( x , y , z ) + q i + 1 ⋅ ϕ i + 1 ( x , y , z ) + q i + 2 ⋅ ϕ i + 2 ( x , y , z ) + q i + 3 ⋅ ϕ i + 3 ( x , y , z ) ] 2 d V \begin{aligned}
&\int_{\text{тет}} \upsilon_{(i)(i+3)}^2 \,dV = \int_{\text{тет}} \Big[ q_i \cdot \phi_i(x, y, z) + q_{i+1} \cdot \phi_{i+1}(x, y, z)\\
&+ q_{i+2} \cdot \phi_{i+2}(x, y, z) + q_{i+3} \cdot \phi_{i+3}(x, y, z) \Big]^2 \,dV
\end{aligned} ∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = ∫ тет [ q i ⋅ ϕ i ( x , y , z ) + q i + 1 ⋅ ϕ i + 1 ( x , y , z ) + q i + 2 ⋅ ϕ i + 2 ( x , y , z ) + q i + 3 ⋅ ϕ i + 3 ( x , y , z ) ] 2 d V Для линейных функций <<крышек>> на тетраэдре справедливы следующие соотношения
где V тет V_{\text{тет}} V тет — объём тетраэдра, который вычисляется по формуле (6.16 V тет = ∣ Δ ∣ 6 , V_{\text{тет}} = \frac{\displaystyle |\Delta|}{\displaystyle 6}, V тет = 6 ∣Δ∣ , ).
Раскроем квадрат пробной функции
∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = ∫ тет [ q i 2 ⋅ ϕ i 2 + q i + 1 2 ⋅ ϕ i + 1 2 + q i + 2 2 ⋅ ϕ i + 2 2 + q i + 3 2 ⋅ ϕ i + 3 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 ⋅ q i + 3 ⋅ ϕ i ⋅ ϕ i + 3 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ ϕ i + 1 ⋅ ϕ i + 2 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 3 ⋅ ϕ i + 1 ⋅ ϕ i + 3 + 2 ⋅ q i + 2 ⋅ q i + 3 ⋅ ϕ i + 2 ⋅ ϕ i + 3 ] d V \begin{aligned}
&\int_{\text{тет}} \upsilon_{(i)(i+3)}^2 \,dV = \int_{\text{тет}} \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 + q_{i+3}^2 \cdot \phi_{i+3}^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 \cdot q_{i+3} \cdot \phi_i \cdot \phi_{i+3}\\
&+ 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+2} \cdot \phi_{i+1} \cdot \phi_{i+2} + 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+3} \cdot \phi_{i+1} \cdot \phi_{i+3} + 2 \cdot q_{i+2} \cdot q_{i+3} \cdot \phi_{i+2} \cdot \phi_{i+3} \Big] \,dV
\end{aligned} ∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = ∫ тет [ q i 2 ⋅ ϕ i 2 + q i + 1 2 ⋅ ϕ i + 1 2 + q i + 2 2 ⋅ ϕ i + 2 2 + q i + 3 2 ⋅ ϕ i + 3 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 ⋅ q i + 3 ⋅ ϕ i ⋅ ϕ i + 3 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ ϕ i + 1 ⋅ ϕ i + 2 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 3 ⋅ ϕ i + 1 ⋅ ϕ i + 3 + 2 ⋅ q i + 2 ⋅ q i + 3 ⋅ ϕ i + 2 ⋅ ϕ i + 3 ] d V Применим формулы (6.33 ∫ тет ϕ m ⋅ ϕ n d V = { V тет 10 , m = n V тет 20 , m ≠ n \begin{split}
&\int_{\text{тет}} \phi_m \cdot \phi_n \,dV = \begin{cases}
\frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 10}, & m = n\\
\frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20}, & m \neq n
\end{cases}
\end{split} ∫ тет ϕ m ⋅ ϕ n d V = { 10 V тет , 20 V тет , m = n m = n )
∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = q i 2 ⋅ V тет 10 + q i + 1 2 ⋅ V тет 10 + q i + 2 2 ⋅ V тет 10 + q i + 3 2 ⋅ V тет 10 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 ⋅ V тет 20 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 ⋅ V тет 20 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 3 ⋅ V тет 20 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ V тет 20 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 3 ⋅ V тет 20 + 2 ⋅ q i + 2 ⋅ q i + 3 ⋅ V тет 20 \begin{aligned}
&\int_{\text{тет}} \upsilon_{(i)(i+3)}^2 \,dV = q_i^2 \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 10} + q_{i+1}^2 \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 10} + q_{i+2}^2 \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 10} + q_{i+3}^2 \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 10}\\
&+ 2 \cdot q_i \cdot q_{i+1} \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20} + 2 \cdot q_i \cdot q_{i+2} \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20} + 2 \cdot q_i \cdot q_{i+3} \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20}\\
&+ 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+2} \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20} + 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+3} \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20} + 2 \cdot q_{i+2} \cdot q_{i+3} \cdot \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20}
\end{aligned} ∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = q i 2 ⋅ 10 V тет + q i + 1 2 ⋅ 10 V тет + q i + 2 2 ⋅ 10 V тет + q i + 3 2 ⋅ 10 V тет + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 ⋅ 20 V тет + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 ⋅ 20 V тет + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 3 ⋅ 20 V тет + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 ⋅ 20 V тет + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 3 ⋅ 20 V тет + 2 ⋅ q i + 2 ⋅ q i + 3 ⋅ 20 V тет Упростим выражение
∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = V тет 20 ⋅ [ 2 ⋅ q i 2 + 2 ⋅ q i + 1 2 + 2 ⋅ q i + 2 2 + 2 ⋅ q i + 3 2 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 3 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 3 + 2 ⋅ q i + 2 ⋅ q i + 3 ] \begin{aligned}
&\int_{\text{тет}} \upsilon_{(i)(i+3)}^2 \,dV = \frac{\displaystyle V_{\text{тет}}}{\displaystyle 20} \cdot \Big[ 2 \cdot q_i^2 + 2 \cdot q_{i+1}^2 + 2 \cdot q_{i+2}^2 + 2 \cdot q_{i+3}^2\\
&+ 2 \cdot q_i \cdot q_{i+1} + 2 \cdot q_i \cdot q_{i+2} + 2 \cdot q_i \cdot q_{i+3} + 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+2} + 2 \cdot q_{i+1} \cdot q_{i+3} + 2 \cdot q_{i+2} \cdot q_{i+3} \Big]
\end{aligned} ∫ тет υ ( i ) ( i + 3 ) 2 d V = 20 V тет ⋅ [ 2 ⋅ q i 2 + 2 ⋅ q i + 1 2 + 2 ⋅ q i + 2 2 + 2 ⋅ q i + 3 2 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 1 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 2 + 2 ⋅ q i ⋅ q i + 3 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 2 + 2 ⋅ q i + 1 ⋅ q i + 3 + 2 ⋅ q i + 2 ⋅ q i + 3 ] Введём обозначения для элементов локальной матрицы демпфирования тетраэдра
Таким образом, локальная матрица демпфирования для тетраэдрального элемента имеет вид
Локальная матрица демпфирования является симметричной. Глобальная матрица демпфирования C \mathbf{C} C получается путём суммирования вкладов от всех тетраэдральных 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.