FormFinding

admin · 发表于 2024-3-23 20:22:25

对于3D空间中的FormFinding问题，特别是涉及索网结构、膜结构或其他柔性结构时，其有限元建模和求解过程会更加复杂。下面是一个简化的3D有限元法FormFinding问题的伪代码框架，以帮助您理解如何在C++中实现此类问题的基础结构：
```cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <Eigen/Dense>
#include <Eigen/Sparse>
// 假设有如下类定义
class Node3D {
public:
Eigen::Vector3d position; // 节点3D坐标
Eigen::Vector3d displacement; // 节点位移
bool isFixed; // 是否固定节点
// 其他属性和方法...
};
class Element3D {
public:
std::vector<Node3D*> nodes; // 元素连接的节点
Eigen::Matrix3d B; // 形函数梯度矩阵
Eigen::MatrixXd D; // 材料常数矩阵（比如应变-应力关系）
Eigen::MatrixXd K_local; // 局部刚度矩阵
// 方法如计算局部刚度矩阵、传递荷载等...
};
class FormFinder3D {
public:
FormFinder3D(const std::vector<Node3D>& nodes, const std::vector<Element3D>& elements)
: nodes_(nodes), elements_(elements) {}
void applyBoundaryConditions();
void assembleGlobalSystem();
void solve();
void visualizeSolution(); // 假设已具备3D可视化功能
private:
std::vector<Node3D> nodes_;
std::vector<Element3D> elements_;
Eigen::SparseMatrix<double> K_global; // 全局刚度矩阵
Eigen::VectorXd F_global; // 全局荷载向量
Eigen::VectorXd U_global; // 全局未知量向量（通常是节点位移）
};
void FormFinder3D::applyBoundaryConditions() {
for (const auto& node : nodes_) {
if (node.isFixed) {
// 将对应自由度置零，并添加到边界条件中
// ...
}
}
}
void FormFinder3D::assembleGlobalSystem() {
int dofPerNode = 3; // 3D空间中每个节点有3个自由度（x, y, z）
int totalDofs = nodes_.size() * dofPerNode;
K_global.resize(totalDofs, totalDofs);
F_global.resize(totalDofs);
K_global.reserve(ELEMENT_COUNT * DOF_PER_ELEMENT * DOF_PER_ELEMENT); // 预留空间，避免频繁重新分配内存
// 遍历所有单元，将局部刚度矩阵整合进全局刚度矩阵
for (const auto& element : elements_) {
// 计算局部刚度矩阵并将其整合至全局刚度矩阵中
// ...
}
}
void FormFinder3D::solve() {
// 使用稀疏矩阵求解器求解全局刚度矩阵K_global和荷载向量F_global得到位移向量U_global
// ...
}
int main() {
// 初始化节点和元素
// 创建FormFinder3D实例并求解
FormFinder3D finder(nodes, elements);
finder.applyBoundaryConditions();
finder.assembleGlobalSystem();
finder.solve();
finder.visualizeSolution();
return 0;
}
```
请注意，上述代码仅为简化的示例，实际实现时需要填充`applyBoundaryConditions`、`assembleGlobalSystem`和`solve`方法的具体细节，包括但不限于：
- 计算局部刚度矩阵和荷载向量
- 整合局部刚度矩阵到全局刚度矩阵
- 处理边界条件
- 使用适当的稀疏矩阵求解器求解线性方程组
另外，对于FormFinding问题，除了静态分析之外，可能还需要进行动力学分析、形状优化等更复杂的计算步骤。实际项目中通常会配合专业的FEA库（如deal.II、OpenFOAM、libMesh等）来提高开发效率和准确性。
由于FormFinding问题的具体实现非常复杂，涉及的内容较多，以下代码仅为一个简化的示例，展示了在3D空间中如何使用有限元法对简单问题进行求解。实际项目中，可能需要考虑更多的物理现象（如预应力、材料非线性等）和更为复杂的结构特性。这里假设我们使用的是小变形理论，并且只考虑线性弹性问题。
```cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <Eigen/Dense>
#include <Eigen/Sparse>
using namespace Eigen;
class Node3D {
public:
Vector3d position;
Vector3d displacement;
bool isFixed;
};
class Element3D {
public:
std::vector<Node3D*> nodes;
MatrixXd B; // 形函数梯度矩阵
MatrixXd D; // 材料常数矩阵
SparseMatrix<double> K_local;
void computeLocalStiffness();
};
class FormFinder3D {
public:
FormFinder3D(const std::vector<Node3D>& nodes, const std::vector<Element3D>& elements)
: nodes_(nodes), elements_(elements) {}
void applyBoundaryConditions();
void assembleGlobalSystem();
void solve();
private:
std::vector<Node3D> nodes_;
std::vector<Element3D> elements_;
SparseMatrix<double> K_global;
VectorXd F_global;
VectorXd U_global;
};
void FormFinder3D::applyBoundaryConditions() {
int dofPerNode = 3;
int totalDofs = nodes_.size() * dofPerNode;
// 假设所有固定的节点都在Z轴方向固定
for (const auto& node : nodes_) {
if (node.isFixed) {
int nodeIndex = &node - &nodes_[0]; // 获取节点在数组中的索引
int dofIndex = nodeIndex * dofPerNode + 2; // Z轴方向的自由度索引
K_global.coeffRef(dofIndex, dofIndex) = 1.0; // 在对角线上添加单位值
F_global[dofIndex] = node.position.z(); // 设置对应的边界荷载为初始位置
}
}
}
void FormFinder3D::assembleGlobalSystem() {
int dofPerNode = 3;
int totalDofs = nodes_.size() * dofPerNode;
K_global.resize(totalDofs, totalDofs);
F_global.resize(totalDofs);
U_global.resize(totalDofs);
for (const auto& element : elements_) {
element.computeLocalStiffness();
// 将局部刚度矩阵整合进全局刚度矩阵
for (int i = 0; i < dofPerNode; ++i) {
for (int j = 0; j < dofPerNode; ++j) {
for (int row = 0; row < element.K_local.outerSize(); ++row) {
for (SparseMatrix<double>::InnerIterator it(element.K_local, row); it; ++it) {
int globalRow = element.nodes[i]->position.size() * i + it.row();
int globalCol = element.nodes[j]->position.size() * j + it.col();
K_global.coeffRef(globalRow, globalCol) += it.value();
}
}
}
}
// 添加外部荷载（此处仅为示例，实际项目中荷载可能来源于多个源）
// 假设荷载作用在每个元素的中心节点上
Vector3d elementCenter = Vector3d::Zero();
for (auto node : element.nodes) {
elementCenter += node->position;
}
elementCenter /= element.nodes.size();
// 假设X轴方向上的均匀分布荷载
double loadValue = ...; // 定义荷载大小
int centerNodeIndex = ...; // 找到元素中心节点在全局节点列表中的索引
int loadDofIndex = centerNodeIndex * dofPerNode; // X轴方向的自由度索引
F_global[loadDofIndex] -= loadValue * elementCenter.x();
}
}
void FormFinder3D::solve() {
// 使用Conjugate Gradient（共轭梯度法）求解线性系统
SimplicialLDLT<SparseMatrix<double>> solver(K_global);
U_global = solver.solve(F_global);
// 将位移向量赋给各个节点
for (size_t i = 0; i < nodes_.size(); ++i) {
nodes_[i].displacement = U_global.segment(i * 3, 3);
}
}
int main() {
// 初始化节点和元素
// 创建FormFinder3D实例并求解
FormFinder3D finder(nodes, elements);
finder.applyBoundaryConditions();
finder.assembleGlobalSystem();
finder.solve();
// 可视化结果或者进一步处理
return 0;
}
// 在Element3D类中补充computeLocalStiffness方法的实现
void Element3D::computeLocalStiffness() {
// 计算形函数梯度矩阵B和材料常数矩阵D，并据此计算局部刚度矩阵K_local
// 这部分内容取决于具体的有限元类型和材料属性
// ...
}
```
注意：上述代码是基于简化假设编写的，真实项目中计算局部刚度矩阵的方法会依据不同的有限元类型而有所不同，例如一维杆件、二维壳体或三维实体单元等。同时，荷载的处理也会因实际情况而变化。在实际使用时，请根据具体问题调整和完善这些方法。
在实际项目中，`computeLocalStiffness`方法的实现会根据所使用的有限元类型（如线性三角形单元、四面体单元等）和材料属性进行定制。以下是一个基于线性连续三线性六面体单元（Lagrange P1元素）的简化的3D空间局部刚度矩阵计算示例。假设我们已经有了形函数（这里未给出详细定义）及其导数（即梯度）的计算方法。
```cpp
#include <Eigen/Dense>
class Element3D {
public:
// ... 其他成员变量和方法
void computeLocalStiffness();
private:
// 假设每个节点有三个自由度，因此形函数梯度矩阵B是3x9的
MatrixXd B;
MatrixXd D; // 材料常数矩阵，这里假定为常数，实际项目中可能需要考虑非线性问题
// 元素尺寸参数
double h_x, h_y, h_z;
// 单元刚度矩阵（局部坐标系下，维度为9x9）
Matrix9d K_local;
};
void Element3D::computeLocalStiffness() {
// 假设形函数梯度矩阵B已经被正确计算并存储在成员变量B中
// 假设材料常数矩阵D已经被正确初始化，表示弹性模量E和剪切模量G
// 这里仅给出一个简化的示例，真实的B和D矩阵生成将取决于具体的有限元类型
// 计算局部坐标系下的刚度矩阵
K_local.setZero();
for (int i = 0; i < 3; ++i) { // 循环遍历每个节点的3个自由度
for (int j = 0; j < 3; ++j) { // 循环遍历另一个节点的3个自由度
for (int k = 0; k < 3; ++k) { // 循环遍历坐标轴(x,y,z)
for (int l = 0; l < 3; ++l) { // 同样循环遍历坐标轴(x,y,z)
K_local(i*3+k, j*3+l) += B.block<1,3>(i, k).transpose() * D * B.block<1,3>(j, l);
}
}
}
}
// 如果需要考虑单元尺寸的影响（如体积乘积），可以在这里乘以尺寸因子
K_local *= h_x * h_y * h_z;
// 对于非均匀材料或各向异性材料，D矩阵可能需要按照相应的方式更新
}
// 注：上述代码中的Matrix9d是自定义类型，这里为了简化起见，实际项目中请使用Eigen提供的动态大小矩阵。
// 在实际项目中，形函数和梯度的计算可能会依赖于单元的顶点坐标
// 并且材料常数矩阵D可能来自结构材料的弹性模量和剪切模量等参数
```
需要注意的是，上述代码仅为简化演示，实际情况下，形函数梯度矩阵B和材料常数矩阵D的生成方式会根据有限元类型和具体问题有所不同。此外，还需注意转置操作以及矩阵乘法的顺序，确保与理论推导一致。对于复杂的3D结构分析，推荐使用成熟的有限元库如 deal.II、FEniCS 等，它们提供了丰富的单元类型和自动化的刚度矩阵生成机制。

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