所謂顯式和隱式,是指求解方法的不同,即數(shù)學(xué)上的出發(fā)點不一樣。并不是說顯式只能求動力學(xué)問題,隱式只能求靜力學(xué)問題,只是求解策略不通。
顯式求解是對時間進行差分,不存在迭代和收斂問題,最小時間步取決于最小單元的尺寸。過多和過小的時間步往往導(dǎo)致求解時間非常漫長,但總能給出一個計算結(jié)果。解題費用非常昂貴。因此在建模劃分網(wǎng)格時要非常注意。
隱式求解和時間無關(guān),采用的是牛頓迭代法(線性問題就直接求解線性代數(shù)方程組),因此存在一個迭代收斂問題,不收斂就的不到結(jié)果。
兩者求解問題所耗時間的長短理論上無法比較。實際應(yīng)用中一般感覺來說顯式耗時多些。由于兩者解題的出發(fā)點,所以一般來說顯式用于求解和時間相關(guān)的動力學(xué)問題。隱式用來求解和時間無關(guān)的靜力學(xué)問題。但也不是絕對的。比如,用隱式求解時,為了克服迭代不收斂,改用顯式算,但是要多給點時間,這樣雖然克服了不收斂的問題,但是求解的時間費用也是相當客觀的。另外,隱式也可以求解動力學(xué)問題。
顯式求解與隱式在數(shù)學(xué)上說主要是在求解的遞推公式一個是用顯式方程表示,一個是用影視方程來表示。比如a(n)=a(n-1)+b(n-1),后一次迭代可以由前一次直接求解,這就是顯示方程,如果a(n)=a(n-1)+f[a(n)],f[a(n))為a(n)的函數(shù),此時a(n) 不能用方程顯示表示,及數(shù)學(xué)上的隱函數(shù),一般很難直接求解,多用迭代試算法間接求解。有限元在求解動力學(xué)問題中直接積分法中的中心差分積分就是顯示求解,而Newmark積分法則為隱式積分。
假設(shè)現(xiàn)在一個物體已經(jīng)被離散成有點個單元。
顯式求解與隱式在數(shù)學(xué)上說主要是在求解的遞推公式一個是用顯式方程表示,一個是用影視方程來表示。比如a(n)=a(n-1)+b(n-1),后一次迭代可以由前一次直接求解,這就是顯示方程,如果a(n)=a(n-1)+f[a(n)],f[a(n))為a(n)的函數(shù),此時a(n) 不能用方程顯示表示,及數(shù)學(xué)上的隱函數(shù),一般很難直接求解,多用迭代試算法間接求解。有限元在求解動力學(xué)問題中直接積分法中的中心差分積分就是顯示求解,而Newmark積分法則為隱式積分。顯式求解與隱式在數(shù)學(xué)上說主要是在求解的遞推公式一個是用顯式方程表示,一個是用影視方程來表示。比如a(n)=a(n-1)+b(n-1),后一次迭代可以由前一次直接求解,這就是顯示方程,如果a(n)=a(n-1)+f[a(n)],f[a(n))為a(n)的函數(shù),此時a(n) 不能用方程顯示表示,及數(shù)學(xué)上的隱函數(shù),一般很難直接求解,多用迭代試算法間接求解。
有限元在求解動力學(xué)問題中直接積分法中的中心差分積分就是顯示求解,而Newmark積分法則為隱式積分。顯式求解與隱式在數(shù)學(xué)上說主要是在求解的遞推公式一個是用顯式方程表示,一個是用影視方程來表示。比如a(n)=a(n-1)+b(n-1),后一次迭代可以由前一次直接求解,這就是顯示方程,如果a(n)=a(n-1)+f[a(n)],f[a(n))為a(n)的函數(shù),此時a(n) 不能用方程顯示表示,及數(shù)學(xué)上的隱函數(shù),一般很難直接求解,多用迭代試算法間接求解。有限元在求解動力學(xué)問題中直接積分法中的中心差分積分就是顯示求解,而Newmark積分法則為隱式積分。
首先定義幾個變量:x: 當前物體位置;則 表示速度,表示加速度。
為物體的質(zhì)量矩陣,
對于牛頓第二定律: F=ma,用矩陣的形式表示的話:
其中:表示物體在X位置下,速度為X導(dǎo)的情況下的受力。
首先問題的初始條件是初始位移和初始速度。
目的是求得h時間后的位移和速度。
對于式子:
若用顯示歐拉求解,記,,則可得到:
這樣,就利用歐拉前向方法在小步長的條件下求得當前狀態(tài)的位置和速度。
對于歐拉隱式解法,上式就變成了
前向解法和后向解法的區(qū)別就是前向的求解只依賴于前一時刻的狀態(tài)量,而后向求解則不僅依賴于前一時刻的狀態(tài),還依賴于當前時刻的狀態(tài)。
上式是一個非線性方程,不好直接求解,先對 f 進行泰勒級數(shù)展開:
代入原式:
用 I表示單位矩陣,對上式進行移項,有
通過這個式子很容易求得 detaV,然后detaX也可以求出,那么當前時刻的狀態(tài)就求出來了。
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