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我所理解的张量:基本计算

10天前浏览11

这次来说一下张量的基本计算。对于加减,标量、向量、张量其实都是用传统的方式进行,就无须赘述,但需要注意的是张量加减的时候需要注意两个张量的“基准”必须是相同的,也就是说张量的各个分量只有两个张量在统一的基向量的情况下才能相加,类比于两组坐标如果想相加,则必须要统一坐标系下。

而对于张量乘,则有很多不同的地方,正确的叫法也不应该是乘,而是“积”(product),而又有多种“积”,包括内积,叉积、外积,这里就跟标量区别有些大,在说这些之前,先说一下爱因斯坦标记法,我个人认为其实就是因为科学家懒弄出来的标记方法。

爱因斯坦在推导相对论的时候,为了记号方便,就发明了张量表示法。他又发现经常会有相同下标求和的情况发生,于是规定:凡是在一项内有相同下标出现的,一律默认求和,而重复的下标就称为dummy variable(哑标),不重复的就称为free variable(自由标)。

所以以下公式的意思就是

 
 

这里熟悉矩阵计算的大家,就可以看到,其实这就非常类似于一个矩阵与向量的乘积。

那么下边分别介绍一下内积、叉积、外积。

内积是降阶的,这是至关重要的一点,类比两个向量点乘得到一个标量,同理在张量计算中,一个张量为m阶,一个为n阶,且,那么他们内积的结果为    阶张量。如下所示,一个2阶张量与2阶张量的内积得到了一个0阶张量,也就是个标量(应变能的计算),

 

另外一个例子则是一个四阶张量与2阶张量的内积得到了一个2阶张量(应力-应变的关系)。

 

叉积不会升降阶, 一般叉积其实在计算力学中就是用于两个向量的运算(一阶张量),两个一阶张量的叉积仍得到一个一阶张量

 

那么用张量的技法怎么写呢,两个向量的叉积其实可以表述为下边的形式:

 

其中     是 Levi-Civita 符号, 被定义为:

 

外积(outter product)也叫 kronecker product, tensor product, direct product,就问你晕不晕,不同人有不同的叫法。外积是升阶的,在张量计算中,一个张量为m阶,一个为n阶,那么他们外积的结果为    阶,比如如下两个一阶张量的外积

 

有很多人喜欢写外积的时候,直接省略    ,虽然我非常不喜欢,但是我们得知道这个,所以用这种写法,上边的公式就写成:

 

好了,今天就到这里,下次我们讲一下,求导、拉普拉斯、散度、旋度等。


来源:大狗子说数值模拟
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首次发布时间:2024-12-12
最近编辑:10天前
大狗子说数值模拟
博士 传播国际一流的数值模拟算法
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我所常用的单元:壳单元

日常生活中,壳单元的使用场景极其常见,各种钣金件,汽车、楼板等均由壳单元进行模拟。壳单元可以看做是薄膜单元+板单元的结合体,既能承受平面内的变形,也能承受弯曲。大概就是下图所示的意思:一般来说我们都认为壳单元有6个自由度,即3个平动3个转动,然而对于很多壳单元来说其实只有5个自由度,即3个平动,与两个弯曲方向的转动,跟上图画的情况有点类似,就是不考虑壳单元法向方向的转动,这也是最为传统的壳单元理论,而更为“新”的一些单元则会考虑3个方向的转动,这也主要是为了大变形非线性。下面就以Abaqus的命名方式为例,说一下我常用的壳单元。Abaqus中有两种壳单元,分别是传统的壳单元与连续体壳单元(ContinuumShell),我对连续体壳单元应用不多,下面就主要说传统的壳单元:S4:4边形壳单元,支持大转角、大应变S4R:带缩减积分的以上单元S3:3角形壳单元,支持大转角、大应变,注意这里他其实是由S4退化而来S3R:带缩减积分的以上单元,而且正是因为S3为S4退化而来,所以这里S3才也有缩减积分的选项STRI3:传统意义上的3角形壳单元,采用薄壳理论,对于壳比较厚的时候可能计算不准确,支持大转角、但不支持大应变S4R5:传统意义上的4边型壳单元,采用薄壳理论,对于壳比较厚的时候可能计算不准确,支持大转角、但不支持大应变这里细心的朋友们会发现相比于其他类型的单元这里我并没有介绍2阶单元,其实Abaqus中对于壳来说2阶单元也确实存在,诸如STRI65,S8R,S8R5,S9R5等,但在我真实工作中他们极少被使用(如果各位网友使用较多,请留言),这些单元一般来说既计算量大一些,又不见得更为准确(这也是壳单元的特殊之处)。那么说了这么多壳单元,我们在真实工作中如何使用呢,以我的经验就是S4/S4R+S3/S3R就行了,他们不会增加过多的计算量,且能考虑各种大变形,如果你确定你做的是小变形,或者说线性的薄壳分析,你可以采用S4R5+STRI3。上期说过膜单元的截面属性那些,壳单元比膜单元的截面属性更为丰富,但这里也是要强调的一点就是壳单单元,默认的截面泊松比也是为0.5,也就是说壳单元天生也有不可压缩的假设存在,这也同样解释了壳单元的单元算法中看不到Hybird单元的原因,就是说你不会看到有个单元叫S4H之类的。还有就是壳单元还可以定义一些钢筋排布的内嵌计算,这就对土木行业非常有用,而对于制造业可能大家从来没点过这个地方,想了解的可以尝试一下,这样通过直接钢筋的排布、面积等信息就能计算出加筋的板壳的承载情况。这里有一点需要注意的就是这种只能在截面“Duringanalysis”计算下的这个选项下才是可用的,其实这也好理解,因为对于一个分布不确定的钢筋层也很难在计算前(Beforeanalysis)确定其各种参数。最后说一下显式的壳单元往往跟隐式壳单元的算法会有一些不同,但这个先按下不表,后续聊他们的公式的时候可以详聊。来源:大狗子说数值模拟

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