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组合杂交变分原理是近年来新提出的非鞍点变分原理,它是由基于区域分解的Hellinger-Reissner变分原理及其对偶变分原理的优化条件加权组合得到的。无论在无限维空间还是有限维空间,组合杂交方法都能自然地满足inf-sup条件。只要位移、应力插值满足最基本的逼近条件,该方法就能保证数值解的稳定性和收敛性,因此这是一种可靠并且易于实现的有限元格式。
文章介绍了各种变分原理之间能量的联系,分析了组合杂交能量泛函随组合系数的变化规律。通过调节组合系数连续地减小能量误差可以使得有限元解达到整体最优。
为了提高计算精度并且兼顾计算效率,本文使用Allman型含转角自由度的四边形位移形函数代替普通的等参四节点单元的插值函数。和一般的二次单元相比较,这种插值方法不需要使用单元边中点或者内部节点进行插值,仅在每个顶点上增加一个转角自由度就可以得到和二次元相当的精度;无论从运算时间还是数据所占用的空间来考虑,这类单元的计算花费均大大低于八节点四边形二次单元。这种单元还成功地保证稳定性和收敛性。
本文使用不同类型的bubble函数来丰富位移插值;根据组合杂交方法精度增强的要求,推导出与bubble函数完全能量协调的应力模式,从而得到五种基于组合杂交变分原理的新型四边形单元:CHDB1、CHD1、CHDB2、CHD2和CHD01单元。
和基于修正变分原理、独立插值转角自由度的其它有限元格式相比较,由于引入的场变量少,本文构造的系列单元计算相对简单。因为应力模式和bubble函数完全能量协调,这些单元的能量调节极为方便。
数值算例表明:本文构造的单元在粗网格下能取得极高精度,收敛性好,结果对单元网格的几何形状不敏感,成功地模拟弯曲并克服寄生剪切,不发生厚度Locking和PoissonLocking现象,达到高性能有限元的要求,适于大规模科学和工程计算。