FEM에서 강성 매트릭스는 왜 양의 명확한가?


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FEM 클래스에서는 일반적으로 강성 행렬이 양의 명확한 것으로 간주되지만 그 이유를 이해할 수는 없습니다. 누구든지 설명해 줄 수 있습니까?

예를 들어, 포아송 문제를 고려할 수 있습니다.

2=에프,
강성 매트릭스는 다음과 같습니다.
케이나는제이=Ωφ나는φ제이Ω,
이것은 대칭적이고 긍정적입니다. 대칭은 명백한 속성이지만 긍정적 인 결정은 그다지 명백하지 않습니다.

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이것은 실제로 해결하려는 부분 미분 방정식에 따라 다릅니다. 관심있는 것을 추가 할 수 있습니까?
Christian Clason

안녕하세요, @ChristianClason, 귀하의 의견에 감사드립니다. 이 문제에 대한 구체적인 예를 추가했습니다.
user123

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주의 사항 : 경계 조건이 없으면 요소 행렬로 조립 된 전체 시스템 강성 행렬은 강체 동작의 등가를 0의 힘에 매핑해야하므로 전체 순위가 없습니다. 따라서 완전한 강성 매트릭스는 기껏해야 양의 반 정밀도 일 수 있습니다. 그러나 적절한 경계 조건을 사용하면 강체 동작이 비활성화되고 구속 된 시스템이 특이하지 않습니다. (그렇지 않으면 해결할 수 없었습니다). 따라서 실제 양의 정성을 확인하려면 경계 조건을 적용한 결과로 요약 된 행렬을 살펴 봐야합니다.
ccorn

답변:


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이 특성은 대응하는 (약한 형태의) 부분 미분 방정식의 특성을 따릅니다. 이것은 예를 들어 유한 차분 법에 비해 유한 요소법의 장점 중 하나입니다.

이를 확인하려면 먼저 유한 요소 방법이 약한 형태의 포아송 방정식에서 시작한다는 것을 기억하십시오 (여기서는 디리클레 경계 조건을 가정합니다) : 찾기 H01(Ω) 그런

(,V): =ΩV엑스=Ω에프V엑스모든 VH01(Ω).
여기서 중요한 속성은
(1)(V,V)=V22VH12모든 VH01(Ω).
(이것은 Poincaré의 불평등에서 비롯됩니다.)

이제 고전 유한 요소 방식은 무한 차원 공간 대체하는 바이 유한 차원 부분 공간 찾아 되도록 여기서 중요한 속성은 다음과 같습니다. 동일한 및 부분 공간 ( 적합한 이산화)를 사용하고 있습니다. 즉 여전히 H01(Ω) VhH01(Ω)hVh

(2)(h,Vh): =ΩhVh엑스=Ω에프Vh엑스모든 VhVh.
VhH01(Ω)
(삼)(Vh,Vh)VhH12>0모든 VhVh.

이제 마지막 단계 : 변형 형식을 선형 방정식 시스템으로 변환하려면 의 기본 을 하고 및 , 을 . 강성 행렬 에는 (이것은 작성한 것과 일치합니다).{φ1,,φ}Vhh=나는=1나는φ나는Vh=φ제이1제이(2)케이케이나는제이=(φ나는,φ제이)

이제 임의의 벡터 을 . 그럼 우리가이 과의 bilinearity (즉, 당신이 두 인수로 스칼라와 금액을 이동할 수 있습니다) 는 임의적 이기 때문에 가 양의 한정임을 나타냅니다.V=(V1,,V)아르 자형Vh: =나는=1V나는φ나는Vh()

V케이V=나는=1제이=1V나는케이나는제이V제이=나는=1제이=1(V나는φ나는,V제이φ제이)=(Vh,Vh)>0.
V케이

TL; DR : 강성 매트릭스는 (자기 인접) 타원 부분 미분 방정식일치하는 이산 에서 비롯되므로 양의 한정 입니다.


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요소의 강성이 양수가 아닌 경우 시스템이 안정적이지 않습니다. 따라서 모델이 올바르지 않을 가능성이 높습니다. 고조파 발진기의 가장 기본적인 방정식을보십시오

미디엄엑스()+케이엑스()=에프()

가 음수 이면 해가 불안정합니다 (특성 방정식의 근을보십시오). 솔루션이 터질 것임을 의미합니다. 강성은 복원력이어야합니다. 적어도 물리적 스프링의 경우. 강성 매트릭스는이를 다수의 요소 (전역 강성 매트릭스)로 확장합니다. 그게 다야 그러나 같은 기본 아이디어입니다. FEM 기초는 각 요소가 그것과 관련된 강성을 갖는 구조 해석을위한 강성 매트릭스 방법에있다.케이

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