Least-squares mixed finite elements for geometrically nonlinear solid mechanics

Steeger, Karl

The computation of reliable results using finite elements is a major engineering goal. Under the assumption of a linear elastic theory many stable and reliable (standard and mixed) finite elements have been developed. Unfortunately, in the geometrically nonlinear regime, e.g. applying these elements in the field of incompressible, hyperelastic materials, problems can occur. A possible approach to circumvent these issues might be the least-squares mixed finite element method. Therefore, in this thesis, a mixed least-squares formulation for hyperelastic materials in the field of solid mechanics is provided, investigated and valuated. To create a theoretical basis the continuum mechanical background is outlined, the necessary physical quantities are introduced and the construction of suitable interpolation functionsis shown. Furthermore, the general procedure for the construction of a least-squares functional is described and applied for hyperelastic material laws based on a free energy function. Basis for the proposed least-squares element formulation is a div-grad first-order system consisting of the equilibrium condition, the constitutive equation and a stress symmetry condition, all written in a residual form. The solution variables (displacements and stresses) are, dependent on the element type, interpolated using different approximation spaces. The performance of the provided elements is investigated and compared to standard and mixed Galerkin elements by extensive numerical studies with respect to e.g. bending dominated problems, incompressibility, stability issues, convergence of the field quantities and adaptivity. Furthermore, the crucial influence of weighting is discussed. Finally, the results are evaluated and the used elements are assessed.

Ein Hauptziel im Bereich des Ingenieurwesens ist die Berechnung vertrauenswürdiger Ergebnisse mit Hilfe der Methode der finiten Elemente. Unter Annahme einer linear elastischen Theorie wurden hierzu bereits viele stabile und zuverlässige standard und gemischte finite Elemente entwickelt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei einigen dieser Elemente, unter anderem angewandt auf inkompressible, hyperelastische Materialien, Probleme auftreten. Ein möglicher Ansatz um diese Probleme zu umgehen ist möglicherweise die gemischte least-squares finite Elemente Methode. Daher wird in Rahmen dieser Arbeit eine gemischte least-squares Formulierung für hyperelastische Materialien vorgestellt, untersucht und bewertet. Um eine theoretische Basis zu schaffen wird zuerst ein kontinuumsmechanischer Rahmen geschaffen, die nötigen physikalischen Größen werden eingeführt und die Konstruktion geeigneter Interpolationsfunktionen wird gezeigt. Im Folgenden wird das allgemeine Vorgehen zur Konstruktion eines least-squares Funktionals beschrieben und angewandt auf hyperelastische Materialien in der Festkörpermechanik basierend auf freien Energiefunktionen. Die Basis für die least-squares Formulierung stellt ein div-grad System erster Ordnung dar, bestehend aus der Gleichgewichtsbedingung, einem Materialgesetz und einer zusätzlichen Bedingung für die Einhaltung einer Spannungssymmetrie. Die Gleichungen liegen hierbei in einer residualen Form vor. Die Lösungsvariablen sind, im Rahmen dieser Arbeit, die Verschiebungen und die Spannungen welche, abhängig vom Elementtyp, mit unterschiedlichen Interpolationsfunktionen interpoliert werden. Die Performanz der entwickelten Elemente wird im Folgenden mit extensiven numerischen Studien untersucht, welche sich unter anderem mit biegedominierten Problemen, Inkompressibilität, Untersuchung von Stabilitätspunkten und der allgemeinen Konvergenz der Lösungsvariablen beschäftigen. Zur Bewertung der Ergebnisse werden diese mit Lösungen verglichen, welche durch standard und gemischte Galerkin Elemente berechnet wurden. Darüber hinaus wird der starke Einfluss der Wichtungsfaktoren auf die Qualität der Lösungen diskutiert. Abschließend werden die Ergebnisse ausgewertet und die entwickelten Elemente bewertet.

Share and cite

Citation style:

Steeger, Karl: Least-squares mixed finite elements for geometrically nonlinear solid mechanics. 2017.

Could not load citation form. Default citation form is displayed.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export