Robust Quasistatic Finite Elements and Flesh Simulation

本文探讨了刚体力学中的准静态有限元方法,包括应变能量、全局刚度矩阵的对称性原理,以及如何确保正定性的数学推导。通过详细的数学公式和推导过程,阐述了在特定条件下全局刚度矩阵保持对称和正定的原因。

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文章来源:
Robust Quasistatic Finite Elements and Flesh Simulation

3.Quasistatic Formulation

{
公式 xt=v⃗  以及 vt=M1f⃗ (t,x⃗ ,t⃗ ) 中下标 t 表示对t求导
}

4.Strain Energy

That is, the global stiffness matrix f⃗ /x⃗  is always symmetric, as a result of the hyperelastic energy having continuous second derivatives with respect to the spatial configuration.

{
[引用于https://en.wikipedia.org/wiki/Symmetry_of_second_derivatives#Schwarz.27_theorem]
Schwarz’ theorem
In mathematical analysis, Schwarz’ theorem (or Clairaut’s theorem) named after Alexis Clairaut and Hermann Schwarz, states that if
f:RnR
has continuous second partial derivatives at any given point in Rn , say, (a1,,an) , then i,j{1,2,,n} ,

2fxixj(a1,,an)=2fxjxi(a1,,an),

The partial derivations of this function are commutative at that point.
}
{
所以对于 Ψ 的黑塞 H 矩阵中的元素来说Hij=2Ψxixj=2Ψxjxi=Hji, 所以这里说the global stiffness matrix是对称的.
}

Furthermore, a steady state corresponds to a local minimum of the hyperelastic energy indicating that the energy Hessian, 2Ψ/x⃗ 2 , (or equivalently the global stiffness matrix)is positive definite in the vicinity of an isolated steady state.
{
[引用于Hessian Matrix]
也就是在临界点时,黑塞矩阵正定则对应函数值的最小点
}
{
Critical points
If the gradient (the vector of the partial derivatives) of a function f is zero at some point x, then f has a critical point (or stationary point) at x.
}

7.Diagonalization

公式(4)的推导

δP=UP(UTFV)VT(UTFV)F:δ(UTFV)=U{P(F)FUTFV:UTδFV}VT

{
这里要证明两点:
(1) δ(UTFV)=UTδFV
(2) UP(UTFV)VT(UTFV)F:δ(UTFV)=U{P(F)FUTFV:UTδFV}VT
证明:
(1)

δ(UTFV)=δ(Uije^je^iFmne^me^nVpqe^pe^q)=Uije^je^iδFmne^me^nVpqe^pe^q=UTδFmnV

(2)
UP(UTFV)VT(UTFV)F:δ(UTFV)=UP(F)VT(F)UTFV:UTδ(F)V=(Uije^ie^jPmne^me^nVpqe^qe^p)(Fxye^xe^y):ϵabe^ae^b=UijPmnFxyVpq(e^ie^j)(e^me^n)(e^qe^p)(e^xe^y):ϵabe^ae^b=Uij(e^ie^j){PmnFxy(e^me^n)(e^xe^y:ϵabe^ae^b)}Vpq(e^qe^p)=Uij(e^ie^j){PmnFxye^me^ne^xe^y:ϵabe^ae^b}Vpq(e^qe^p)=U{P(F)FUTFV:UTδFV}VT

注意这里运用到的一些公式:
引用来源:tensors.pdf p31,p83

这里写图片描述
这里写图片描述
}

8. Enforcing Positive Definiteness

{
我们先看下P与F的关系
引用于The classical FEM method and discretization methodology: Course Notes (Eftychios Sifakis) p23
这里写图片描述

将F写成 F=UF^VT ,则 P=U(ΨI2F^+ΨII4F^3+ΨIII2IIIF^1)VT
写成索引形式:
Pij=f(σ1,σ2,σ3)kUikVjk
将F写成索引形式:
Fij=σkUikVjk
那么
PijFijF^=PijFijσ1,σ2,σ3
注意这里自变量为 F^ ,即把变量限制为 σ1,σ2,σ3 ,当然此时 Uik,Vjk 此时就变成了 δik,δjk
另外约定: ca,ac 为0, c1c2 是无意义的,其中 a 为变量,c, c1 , c2 为变量
所以通过这种方式可以确定9*9矩阵里面的前三行和前三列,交叉部分的偏导可以把变量限制为 σ1,σ2,σ3 ,其余部分为0,那么求 A 的时候我们会用这种形式来求.B12, B13 , B23 我们用另外一种方式来求.

先来求 B
另外注意一点σ1,σ2,σ3与F的非对角线元素关于变量 σ1,σ2,σ3 相互独立的

f(σ1,σ2,σ3)FijF^=f(σ1,σ2,σ3)σkUikVjkF^=f(σ1,σ2,σ3)σkδij(σ1,σ2,σ3)=f(σ1,σ2,σ3)0(σ1,σ2,σ3)=0
注意由于是非对角线元素所以, ij ,即 δij=0
下面开始求B,注意下面中的 ij , pq
FijFpq=δipδjq

(FFTF)ijFpq=FikFlkFljFpq=FikFpqFlkFlj+FikFlkFpqFlj+FikFlkFljFpq=δipδkqFlkFlj+δlpδkqFikFlj+δlpδjqFikFlk=δipδkqFlkFlj+FiqFpj+δlpδjqFikFlk

这里强调下 δ 的化简方式通常是往常量去化,比如说: δliδkjFikFlj 这里 i,j 为常量, l,k 为变量 ,所以说应该化 FijFij

下面引用来源:tensors.pdf p50
A1=adj(A)|A|=cof(A)T|A|
PDF上其实有点错误,修正因为
C1i=ϵijkA2jA3k,C2i=ϵijkA3jA1k,C3i=ϵijkA1jA2k
这里C代表A的余子阵cofacter

所以

FTij=cof(F)ij|F|=ϵjmnF(i1)mF(i2)n|F|

注意这里\oplus记成模3循环加法,我也不知道怎么定义=.=,自创的,即 22=1

FTijFpq=ϵjmnF(i1)mF(i2)n|F|Fpq

现在小结一下:

P1=FijFpq=δipδjq

P2=(FFTF)ijFpq=δipδkqFlkFlj+FiqFpj+δlpδjqFikFlk

P3=FTijFpq=ϵjmnF(i1)mF(i2)n|F|Fpq

这里写图片描述
这样就把 B 中的α,β求出来了

下面来求 A
Pii=UikVik(ΨI2σk+ΨII4σ3k+ΨIII2III1σk)
Fjj=UjkVjkσk
如果 i=j

PiiFiiF^=(ΨI2σi+ΨII4σ3i+ΨIII2III1σi)σi=([2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨIΨIIΨIII)σi=([2σi,4σ3i,2IIIσi])σiΨIΨIIΨIII+[2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨIΨIIΨIIIσi=αii+βii+4IIIΨIIIσ2i+[2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨI,IIσiΨI,IIIIσiΨI,IIIIIIσiΨII,IIσiΨII,IIIIσiΨI,IIIIIIσiΨIII,IIσiΨIII,IIIIσiΨIII,IIIIIIσi=αii+βii+4IIIΨIIIσ2i+[2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨI,IΨI,IIΨI,IIIΨII,IΨII,IIΨI,IIIΨIII,IΨIII,IIΨIII,IIIIσiIIσiIIIσi

引用于The classical FEM method and discretization methodology: Course Notes (Eftychios Sifakis) p23
这里写图片描述
PiiFiiF^=αii+βii+4IIIΨIIIσ2i+[2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨI,IΨI,IIΨI,IIIΨII,IΨII,IIΨI,IIIΨIII,IΨIII,IIΨIII,III2σi4σ3i2IIIσi=αii+βii+γii

ij

PiiFjjF^=([2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨIΨIIΨIII)σj=([2σi,4σ3i,2IIIσi])σjΨIΨIIΨIII+[2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨIΨIIΨIIIσj=4IIIΨIIIσiσj+[2σi,4σ3i,2IIIσi]ΨI,IΨI,IIΨI,IIIΨII,IΨII,IIΨI,IIIΨIII,IΨIII,IIΨIII,III2σj4σ3j2IIIσj=γij

}

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