将单元刚度矩阵组装为全局刚度矩阵后,有:

此时的线性方程没有唯一解,\([K]\)是奇异矩阵,这是没有引入边界条件,消除刚体位移的原因.

边界条件分为两类:Forced and Geometric;对于力边界条件可以直接附加到节点力向量\([P]\)中,即\(P_j=P_j^{*}\),\(P_j^{*}\)是给定的节点力值.

因此我们基本只需要处理Geometric Boundary condition.下面介绍三种方法,将Bcs引入到\([K]、[P]\)

以位移边界条件为例,指定相关自由度值即:\(\Phi_j=\Phi_j^{*}\)

Method 1

将开头的\([K][\Phi]=[P]\)划分为:

\[\begin{bmatrix}
[K_{11}] & [K_{12}] \\
[K_{21}] & [K_{22}]
\end{bmatrix}
\begin{Bmatrix}
\overrightarrow{\Phi}_1 \\
\overrightarrow{\Phi}_2
\end{Bmatrix}=
\begin{Bmatrix}
\overrightarrow{P}_1 \\
\overrightarrow{P}_2
\end{Bmatrix}
\tag{1}
\]

其中,\(\Phi_1\)是未知的自由节点自由度向量(free dofs);\(\Phi_2\)是已知的约束节点自由度值\(\Phi_j^{*}\)向量(specified nodal dof);\(P_1\)是已知节点力向量;\(P_2\)是未知的支反力向量

公式2进一步:

\[[K_{11}]\overrightarrow{\Phi}_1+[K_{12}]\overrightarrow{\Phi}_2=\overrightarrow{P}_1\tag{2}
\]
\[[K_{21}]\overrightarrow{\Phi}_1+[K_{22}]\overrightarrow{\Phi}_2=\overrightarrow{P}_2\tag{3}
\]

这时,\([K_{11}]\)是非奇异矩阵.因此自由节点自由度(未知节点位移)可求:

\[\overrightarrow{\Phi}_1=[K_{11}]^{-1}(\overrightarrow{P}_1-[K_{12}]\overrightarrow{\Phi}_2)\tag{4}
\]

一旦\(\Phi_1\)求得,则未知支反力\(P_2\)可由公式3求得.

Method 2

也称划行划列法.method 1 中需要对\([K] ,[\Phi],[P]\)进行行列对调,重新排序.当出现非0位移边界时,method 1耗时长且需要记录过程,之后还需要恢复刚度矩阵.因此和method 1等效的处理方法是构建下式:

\[\begin{bmatrix}
\left[K_{11}\right] & \left[0\right] \\
\left[0\right] & \left[I\right]
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
\overrightarrow{\Phi}_1 \\
\overrightarrow{\Phi}_2
\end{bmatrix}=
\begin{bmatrix}
\overrightarrow{P}_1-\left[K_{12}\right]\overrightarrow{\Phi}_2\\{\overrightarrow{\Phi}_2}
\end{bmatrix}\tag{5}
\]

实际计算中,不需要对刚度阵重新排序.算法操作如下:



对所有的约束自由度\(\Phi_j\)重复Step 1~3即可,这种操作能够保持刚度和方程的对称性.

Method 3

该方法也称乘大数法.假设约束自由度为\(\Phi_j=\Phi_j^*\),操作如下:

该方法通用性强,适合大多数的静力学线性问题,但数值精度与大数的取值有关,太小了精度差,太大了容易出现"矩阵奇异"的现象

Method 4(对角元素置1法)

该方法的做法是,对于约束自由度\(\Phi_j=0\),把\([K]\)的j行j列置0,但对角元素Kjj=1,\([P]\)中对应元素置0.

以6x6的刚度矩阵为例子,

\[\begin{gathered}
\begin{bmatrix}
k_{11} & k_{12} & 0 & k_{14} & k_{15} & k_{16} \\
k_{21} & k_{22} & 0 & k_{24} & k_{25} & k_{26} \\
0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
k_{41} & k_{42} & 0 & k_{44} & k_{45} & k_{46} \\
k_{51} & k_{52} & 0 & k_{54} & k_{55} & k_{56} \\
k_{e1} & k_{e3} & 0 & k_{eA} & k_{e5} & k_{e6}
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
\delta_1 \\
\delta_2 \\
\delta_3 \\
\delta_4 \\
\delta_5 \\
\delta_6
\end{bmatrix}=
\begin{bmatrix}
f_1 \\
f_2 \\
0 \\
f_4 \\
f_5 \\
f_6
\end{bmatrix}
\end{gathered}
\]

不引入大数,避免了数值稳定性的问题,不会影响矩阵的条件数; 但只适合\(\Phi_j=0\)这样的简单边界;可能影响系统矩阵的特性,直接替换可能改变矩阵的对称性(尤其在动力学和非线性问题中);不能处理非0的位移加载,只能处理力加载

Example

例题来自《The Finite Element Method in Engineering》的悬臂梁模型(example6.4, page227)

静力平衡方程为:

解为:

\[W=[0,0,-16.5667,-0.2480]
\]
\[P=[50.0,4980.0,-50,20]
\]

solve by method 1

solve by method 2

循环每个位移约束,需要注意高亮处的操作:

求解:

solve by method 3

Code Realize

四种方法进行Python+Numpy+Scipy编程实现,并与Example的解进行对比.

#-------------------------------------------------------------------------------
# Name: BcsProcess
# Purpose: 引入边界条件到[K]中,并返回解[U],[P]
# input:
# K:全局刚度矩阵,(M,M) numpy.array
# BcDict:位移约束,key (int) = 自由度序号(1-based) , value (float) = 自由度约束值
# LoadDict:节点力加载,key (int) = 自由度序号(1-based) , value (float) = 施加的节点力加载或者等效节点力加载
#
# Author: Administrator
#
# Created: 08-03-2025
# Copyright: (c) Administrator 2025
# Licence: <your licence>
#-------------------------------------------------------------------------------
import numpy as np
from typing import Dict,List,Tuple
import scipy as sc
def Method1(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple:
dofNum=K.shape[0]
# 初始化向量
U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1))
prescribedDofIndexs=np.array(list(BcDict.keys()))-1 #使用集合运算,全部自由度与约束自由度求差, 得到自由位移自由度的
freeDofIndexs=np.array(list(set(range(dofNum))-set(prescribedDofIndexs.tolist())),dtype=int) # 已知节点力加到P
for label,Pval in LoadDict.items():
ind=label-1
P[ind,0]+=Pval
# 已知节点位移(prescribed dof)
for label,Uval in BcDict.items():
ind=label-1
U[ind,0]+=Uval
U2=U[np.ix_(prescribedDofIndexs,[0])].copy()
# 已知节点力(free dof)
P1=P[np.ix_(freeDofIndexs,[0])].copy()
# 重新划分K行列
K11=K[np.ix_(freeDofIndexs,freeDofIndexs)].copy()
K12=K[np.ix_(freeDofIndexs,prescribedDofIndexs)].copy()
K21=K[np.ix_(prescribedDofIndexs,freeDofIndexs)].copy()
K22=K[np.ix_(prescribedDofIndexs,prescribedDofIndexs)].copy()
# 计算自由节点位移值
U1=np.dot(sc.linalg.inv(K11),P1-K12.dot(U2))
# 计算支反力
P2=np.dot(K21,U1)+np.dot(K22,U2) # 合并到U,P向量
U[np.ix_(freeDofIndexs,[0])]=U1
P[np.ix_(prescribedDofIndexs,[0])]=P2
return U,P def Method2(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple:
K_origin=K.copy()
dofNum=K.shape[0]
# 初始化向量
U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1))
# 已知节点力加到 P
for label,Pval in LoadDict.items():
ind=label-1
P[ind,0]+=Pval
# 循环所有的位移约束
for label,Uval in BcDict.items():
j=label-1
#Step1
for i in range(dofNum):
P[i,0]=P[i,0]-K[i,j]*Uval
#Step2
for i in range(dofNum):
K[i,j]=0
K[j,i]=0
K[j,j]=1
#Step3
P[j,0]=Uval # 求解 K'U=P'
U_=sc.linalg.solve(K,P)
P_=np.dot(K_origin,U_) return U_,P_ def Method3(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple:
C=np.max(K)*10e6
K_origin=K.copy()
dofNum=K.shape[0]
# 初始化向量
U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1))
# 已知节点力加到 P
for label,Pval in LoadDict.items():
ind=label-1
P[ind,0]+=Pval
# 循环所有位移约束
for label,Uval in BcDict.items():
j=label-1
# Step1
K[j,j]=K[j,j]*C
# Step2
P[j,0]=K[j,j]*Uval # 求解 K'U=P'
U_=sc.linalg.solve(K,P)
P_=np.dot(K_origin,U_) return U_,P_ def Method4(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple:
if np.any(np.array(list(BcDict.values())) != 0):
raise ValueError('该方法不能处理非0位移加载')
K_origin=K.copy()
dofNum=K.shape[0]
# 初始化向量
U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1)) # 已知节点力加到 P
for label,Pval in LoadDict.items():
ind=label-1
P[ind,0]+=Pval # loop all nodal bcs
for label, Uval in BcDict.items():
j=label-1
K[j,:]=0.0
K[:,j]=0.0
K[j,j]=1.0
P[j,0]=0 # solve K'U=P'
U_=sc.linalg.solve(K,P)
P_=np.dot(K_origin,U_) return U_,P_ if __name__ == '__main__':
K=np.array([[12,600,-12,600],
[600,40000,-600,20000],
[-12,-600,12,-600],
[600,20000,-600,40000]])
Bcs={1:0,2:0}
loads={3:-50,4:20} # 精确解
extract_U=np.array([0,0,-16.5667,-0.2480])
extract_P=np.array([50.0,4980.0,-50,20])
# 求解
u,p=Method4(K,Bcs,loads) print(f"extract U=\n{extract_U}")
print(f"u=\n{u.T}")
print(f"extract_P=\n{extract_P}")
print(f"p=\n{p.T}")

计算结果:

extract_U=
[ 0. 0. -16.5667 -0.248 ]
extract_P=
[ 50. 4980. -50. 20.] solving by method 1
u=
[[ 0. 0. -16.56666667 -0.248 ]]
p=
[[ 50. 4980. -50. 20.]] solving by method 2
u=
[[ 0. 0. -16.56666667 -0.248 ]]
p=
[[ 50. 4980. -50. 20.]] solving by method 3
u=
[[-1.04166667e-11 -3.11250000e-13 -1.65666667e+01 -2.48000000e-01]]
p=
[[ 50. 4980. -50. 20.]] solving by method 4
u=
[[ 0. 0. -16.56666667 -0.248 ]]
p=
[[ 50. 4980. -50. 20.]]

总结

列举了四种直接节点位移边界条件的处理办法,并编程实现,求解案例.对比结果发现:相比Method3存在数值误差,其他三个都更加精确.

如果需要处理多点耦合边界条件,则有罚函数法,拉格朗日乘子法等.

参考资料:

Note Completed at 2025/03/08

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