41
ود روش اجزاي محدصفهانه صنعتي انشگا دا- انيكانشكده مك د1 0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx 3 C x dx x 3 2 3 1

10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 1

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x2

Numerical Integration

Integrals

Indefinite Definite

2

2

0

8x dx

3Cxdxx

32

3

1

Page 2: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 2

Definite integrals can be computed numerically

Objective:

Determine points xi

Determine coefficients wi 0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x2

b

a i

ii xfwdxxf

Can be solved exactly, but for various reasons FEA prefers to

evaluate integrals like this approximately:

Historically, considered more efficient and reduced coding errors.

Only possible approach for isoparametric elements.

Can actually improve performance in certain cases!

Numerical Integration

Page 3: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 3

Numerical Integration

Depending on choice of wi and xi

Midpoint Rule

Trapezoidal Rule

Simpson's

Gaussian Quadratures

etc

Page 4: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 4

Numerical Integration

Depending on

choice of wi and xi

Numerical Integration – Upper & Lower Bounds

Lower Sum

L(f;xi)

Upper Sum

U(f;xi)

a=x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7=b

a=x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7=b

Page 5: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 5

Numerical Integration

It can be shown that

Objective

Where do such formulae come from?

Theory of Interpolation….

Let

Recall Shape Functions

li(x): cardinal functions

nn

b

a i

ii xfwxfwxfwxfwdxxf 2211

n

i

ii xfxlxpxf1

ii

b

a i

iiii

xfUxfwdxxfxfL ;lim;lim

i

b

a i

iii xfUxfwdxxfxfL ;;

Page 6: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 6

It will give correct values for the integral of every polynomial of

degree n-1

Numerical Integration: Quadratures

Karl Friedriech Gauss discovered that by a special placement

of nodes the accuracy of the numerical integration could be

greatly increased

Gaussian Quadrature:

i

n

i

i

b

a

i

n

i

i

b

a

b

a

wxfdxxlxfdxxpdxxf

11

Page 7: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 7

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Theorem on Gaussian nodes

Let q be a polynomial of degree n such that

Let x1,x2,…,xn be the roots of q (x). Then

with xi’s as nodes is exact for all polynomials of degree 2n-1.

1-0,1,..., 0 nkdxxxq kb

a

nn

b

a i

ii xfwxfwxfwxfwdxxf 2211

Page 8: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 8

Assume two point formulation, then:

1

1

2211 )()()( FwFwdF

Four equations are created using Legendre polynomials ),,,1( 32

0)()(

3/2)()(

0)()(

21)()(

1

1

3

2211

1

1

2

2211

1

1

2211

1

1

2211

dFwFw

dFwFw

dFwFw

dFwFw

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) /

( ) ( )

1 2

1 1 2 2

2 2

1 1 2 2

3 3

1 1 2 2

w 1 w 1 2

w w 0

w w 2 3

w w 0

3/1

3/1

1

2

1

21

ww

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 9: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 9

Gaussian Quadrature 2-point

-1 1

f()

f(1) W1=1

f(2) W2=1

312 311

31*131*1

1

1

ffdxxf

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 10: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 10

One Dimensional Gauss Integration Rules:

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 11: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 11

Weighting Factors & Sampling Points for Gauss-Legendre Formula ( )               ( )                  ( )i iPoints n Weighting Factor w Sampling Points

                            .                    .

                              .                    .

1 1

2 2

w 1 00000000 577350269

2 w 1 00000000 577350269

                              .                    .

                          .                   .

                               .                   .

1 1

2 2

3 3

w 0 55555556 774596669

3 w 0 88888889 0 0

w 0 55555556 0 77

4596669

                              .                      .

                              .                     .

                               .            

1 1

2 2

3

w 0 3478548 861136312

4 w 0 6521452 339981044

w 0 6521452

          .

                               .                      .

3

1 4

0 339981044

w 0 3478548 861136312

                             .                     .

                               .                    .

                              .             

1 1

2 2

3

w 0 2369269 906179846

w 0 4786287 538469310

5 w 0 5688889

       .

                               .                    .

                               .                    .

3

4 4

5 5

0 0

w 0 4786287 538469310

w 0 2369269 906179846

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 12: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 12

:Example

6

2

2 ?)35( dxxxI Analytical solution 161.3333

24 x

1

1

2 ]3)24(5)24[(2 dI

)(F

)3

1()

3

1()()( 2211

FFFwFwI

3333.161)68888.110)(1()64445.50)(1( I

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 13: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 13

Two Dimensional Product Gauss Rules

Canonical form of integral:

Gauss integration rules with p1 points in the direction and p2

points in the direction:

Usually p1 = p2 =p

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 14: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 14

2-Dimensional Integration:Gaussian Quadrature

n

j

n

i

jiij

n

i

ii fwwdfwddf1 1

1

1 1

1

1

1

1

,,,

2-D Integration 2-point formula

111 ww 112 ww

122 ww121 ww

312

312

311 311

11 w

12 w

2222

2121

1212

1111

1

1

1

1

,

,

,

,

,

fww

fww

fww

fww

ddf

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 15: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 15

Graphical Representation of the First Four 2D

Product-Type Gauss Integration Rules

With Equal # of Points p in Each Direction

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 16: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 16

Integration of Stiffness Matrix

311 312

311

312

1

1

2

1

w

wT

T det

A

1 1

1 1

t dA

t Jd d

k B DB

B DB

, , , ,

, , , ,

1 1 ij 1 1 2 1 ij 2 1 1 2 ij 1 2 2 2 ij 2 2

ij 1 1 ij 2 1 ij 1 2 ij 2 2

w w g w w g w w g w w g

g g g g

,

1 1

ij ij

1 1

k t g d d

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 17: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 17

Modeling Issues: Element Shape

Square : Optimum Shape

Not always possible to use

Rectangles:

Rule of Thumb

Ratio of sides <2

Angular Distortion

Internal Angle < 180o

Larger ratios

may be used

with caution

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 18: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 18

Modeling Issues: Degenerate Quadrilaterals

Coincident Corner Nodes

1

2

3

4

3 2

1

4

x x

x x

x

x x

x

Integration Bias

Less accurate

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 19: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 19

1

2

3

4

x x

x x

1

2

3

4 x

x x

x

Less accurate

Integration Bias

Modeling Issues: Degenerate Quadrilaterals

Three nodes collinear

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 20: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 20

Use only as necessary to improve representation of geometry

2 nodes

Do not use in place of triangular elements

Modeling Issues: Degenerate Quadrilaterals

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 21: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 21

A NoNo Situation

3

4

1 2

x

y

(3,2) (9,2)

(7,9)

(6,4)

Parent

All interior angles < 180

J singular

Modeling Issues: Degenerate Quadrilaterals

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 22: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 22

Another NoNo Situation

x, y

not uniquely

defined

Modeling Issues: Degenerate Quadrilaterals

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 23: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 23

Convergence Considerations

For monotonic convergence of solution; Requirements

Elements (mesh) must be compatible

Elements must be complete

Mesh Compatibility

OK

NO!

Mesh compatibility - Refinement

Acceptable Transition

Compatibility of displacements OK

Stresses?

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 24: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 24

Gauss integration

For evaluation of integrals in k (in practice)

In 1 direction: )()d(1

1

1jj

m

j

fwfI

m gauss points gives exact solution of polynomial integrand of n = 2m - 1

1 1

1 11 1

( , )d d ( , )yx

nn

i j i j

i j

I f w w f

In 2 directions:

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 25: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 25

Example:

Given: 4-node plane stress element has E = 30,000 ksi, = 0.25,

h = 0.50 in, no body force, and surface traction shown.

Required: Find k and f. Use 2 x 2 Gauss quadrature for k.

0.4* 8

, ksi0

yx y

t

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 26: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 26

Solution:

Isoparametric mapping:

Jacobian matrix and Jacobian:

1 1 1 11 2 3 44 4 4 4

1 1 1 14 4 4 4

25 13 514 4 4 4

1 1 1 14 4 4 4

25 3 11 14 4 4 4

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 *4 1 1 *8 1 1 *11 1 1 *2

= ;

1 1 *3 1 1 *4 1 1 *10 1 1 *8

= ;

x x x x x

y

13 5 3 14 4 4 4 35 271

4 8 851 11 14 4 4 4

; det .

x y

Jx y

J J

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 27: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 27

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

, ,

, ,

, , , ,

( , ) 1 2 3 4

i i η

i i η i

i η i i i η

1B η B B B B

a N b N 0

B 0 c N d N

c N d N a N b N

J

B matrix:

Page 28: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 28

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

B matrix:

, ,

, ,

, ,

, ,

1 11 1 η

2 22 2 η

3 33 3 η

4 44 4 η

1 1 η η 1 1 1 1N NN N

4 4 η 4 4

1 1 η 1 η 1 1 1N NN N

4 4 η 4 4

1 1 η 1 η 1 1 1N NN N

4 4 η 4 4

1 1 η 1 η 1 1 1N NN N

4 4 η 4 4

1 2 3 4

1 2 3 4

1 2 3 4

1 2 3 4

a 1 4 y 1 y 1 y 1 y 1

b 1 4 y η 1 y 1 η y η 1 y 1 η

c 1 4 x η 1 x 1 η x η 1 x 1 η

d 1 4 x 1 x 1 x 1 x 1

Page 29: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 29

B matrix:

1

=70 27

B

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

4 6 2 0 7 5 2 0 4 5 0 7 6 0

0 6 3 9 0 7 2 9 0 6 2 4 0 7 3 4

6 3 9 4 6 2 7 2 9 7 5 2 6 2 4 4 5 7 3 4 7 6

Page 30: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 30

k matrix:

2 2 2 2

2

1 1

1 1

31.25* 236 276 196 315 354 275 31.25* 70+231 203 90 231 43

8*

70 27sym 31.25* 539 588 490 180 228 131

32000 8000 0

8000 32000 0 ksi;

0 0 12000

0.5 in *

T Jd d

E

k B E B

2

1 1

1 1

,

d d

k

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 31: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 31

2 x 2 Gauss quadrature:

2 2

1 1 1 1 1 1 1 1

3 3 3 3 3 3 3 31 1

* , , , , ,

7028.9 1260.6

kips/in.

1260.6 8489.9

i j i j

i j

WW

k k k k k k

k

7136.6 1263.9

Note: kips/in.

1263.9 8499.0

exact

k

1; , 1,2.i jW W i j

Element nodal forces: . . . .

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 32: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 32

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

u8

x

y

(1,1) (5,1)

(6,6)

(1,4)

Problem 1

Figure (1) shows a four-node quadrilateral.

The (x,y) coordinates of each node are given

in the figure. The element displacement vector

u is given as: U=[0,0,0.20,0,0.15,0.10,0,0.05]

Find:

A- The x-y coordinates of a point P whose

location in the master element is given by

B- The u and v displacement of the point P

Problem 2

Using a 2 by 2 rule evaluate the following

integral by Gaussian quadrature, where a

denotes the region shown in Figure (1).

Figure (1)

5.0,5.0

A

dxdyxyx )( 22

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 33: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 33

Zero-Energy Modes (Mechanisms; Kinematic Modes) –

Instabilities for an element (or group of elements) that produce

deformation without any strain energy.

Typically caused by using an inappropriately low order of

Gauss quadrature.

If present, will dominate the deformation pattern.

Can occur for all 2D elements except the CST.

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 34: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 34

Zero-Energy Modes –

Deformation modes for a bilinear quad:

#1, #2, #3 = rigid body modes; can be eliminated by proper constraints.

#4, #5, #6 = constant strain modes; always have nonzero strain energy.

#7, #8 = bending modes; produce zero strain at origin.

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 35: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 35

Zero-Energy Modes –

Mesh instability for bilinear quads using order 1 quadrature:

“Hourglass modes”

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 36: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 36

Zero-Energy Modes –

Element instability for quadratic quadrilaterals using 2x2 Gauss

quadrature:

“Hourglass modes”

Numerical Integration: Gaussian Quadrature

Page 37: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 37

Zero-Energy Modes –

How can you prevent this?

Use higher order Gauss quadrature in formulation.

Can artificially “stiffen” zero-energy modes via penalty functions.

Avoid elements with known instabilities!

Page 38: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 38

Gauss Integration for Triangular Region

The gauss points for a triangular region differ from the square

region considered earlier. The simplest one is the one-point rule at

the centroid with weight w1=1/2 and

3/1111

e

JBEBtdJdEBBtK TTe det2

1det)(

Evaluated at Gauss point

( , ) ( , )

11 n

i i i

i 10 0

I f d d w f

Page 39: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 39

First set of quadrature rules for triangular elements

Second set of quadrature rules for triangular elements

Gauss Integration for Triangular Region

Page 40: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 40

n

i

iii fwddf1

1

0

1

0

),(),(

No. of

Points

(n)

Weight

Multiplicity

One

1/2

1

1/3

1/3

1/3

Three

1/6

3

2/3

1/6

1/6

Three

1/6

3

1/2

1/2

0

Four

-9/32

25/96

1

3

1/3

3/5

1/3

1/5

1/3

1/5

Six

1/12

6

0.6590276223

0.231933685

0.109039009

iw i ii

Because of triangular symmetry, the Gauss point are occurred in group or multiplicity

of one, three or six. For multiplicity of three if one Gauss point is at (2/3,1/6,1/6) then

the other two Gauss points are located at (1/6,2/3,1/6) and (1/6,1/6,2/3). For

multiplicity of six all six possible permutation of three coordinate are used.

Gauss Integration for Triangular Region

Page 41: 10 Indefinite 4 - دانشگاه صنعتی اصفهان · 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x2 Numerical Integration Integrals Indefinite Definite 2 2 0 8 x dx ³ 3 ³ 2dxx 3 C 3 1. كيناكم

دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 41

Appendix