توصيفگر ها :
مكانيك شكست , روش بدون المان گالركين , غنيسازي , توابع پايهي متعادلشدهي تكين
چكيده فارسي :
در چند دهه اخير، روشهاي عددي بهطور گسترده براي حل مسائل مكانيك جامدات مورد استفاده قرار گرفتهاند. يكي از مهمترين مسائل موجود در حيطهي مكانيك محيطهاي پيوسته، بحث وجود تكينگي و تشديد تنش در مجاورت آن است. روش عددي بدون المان گالركين، يك روش قدرتمند و شناختهشده بهمنظور حل مسائل مكانيك جامدات است كه دقت مناسب، پيوستگي خوب پاسخ، پشتيباني از تغييرشكلهاي بزرگ و پايداري مناسب روند حل آن به اثبات رسيده است. تاكنون تحقيقات زيادي مبتني بر روش مذكور جهت حل مسائل مكانيك شكست بهمنظور برآورد صحيح ميدان تنش و جابهجايي در مجاورت نقطهي تكين انجام شده است. در اين پژوهش، مسائلي مبتني بر روش مذكور مورد بررسي قرار ميگيرد كه در محدودهي فيزيكي خود داراي تكينگي ضعيف، به معناي ناپيوستگي مشتقات ميدان پتانسيل هستند. عمدهي روشهاي عددي شناختهشده از جمله روش بدون المان گالركين از پايههاي هموار جهت برآورد ميدانهاي مجهول مسئله استفاده ميكنند و اين پايهها توانايي بازسازي پاسخ مسئله در محدودهي تكينگي را ندارند. ازاينرو اضافهكردن جملاتي به پايههاي مذكور كه دربرگيرندهي خواص تكينگي لازم متناسب با نوع مسئله است ميتواند به بهبود كيفيت پاسخ در اين ناحيه منجر شود. بهطور مرسوم استخراج چنين جملاتي مستلزم حل مسئلهي تحليلي جديدي معادل با هندسهي مورد بررسي جهت برآورد دقيق مرتبهي تكينگي مسئله است. آنچه در اين تحقيق دنبال ميشود استخراج خودكار اين جملات در روند حل مسئله و بدون اطلاع از مرتبهي تكينگي آن است. براي اين منظور اقدام به ارضاي تقريبي صورت همگن معادله ديفرانسيل مسئلهي مورد بررسي با استفاده از انتگرال وزني شده است و نهايتاً توابع پايهي متعادلشده تكين توليد ميشود. پايههاي اوليهي حل استفادهشده در انتگرال مذكور از بسط چندجملهاي معمولي در راستاي شعاعي و بسط فوريهي كامل در راستاي زاويهاي تشكيل ميشود. بهمنظور افزودن قابليت حل مسائل داراي تكينگي ضعيف به اين توابع، ضمن استفاده از يك تبديل ويژه اقدام به بازنويسي معادلات در دستگاه قطبي تبديليافته شده است، بهنحوي كه امكان بازسازي اثر تكينگي توسط اين توابع فراهم شود. توابع جديد كه توابع پايهي متعادلشدهي تكين نامگذاري شدهاند به پايههاي هموار روش بدون المان گالركين افزوده شده و اصطلاحاً منجر به غنيسازي روش مذكور ميشوند. در اين تحقيق مسائل متنوعي براي ارزيابي روش پيشنهادشده مورد بررسي قرار خواهد گرفت كه برخي از آنها داراي پاسخ تحليلي و برخي فاقد آن هستند. صحتسنجي نتايج براي مسائل واقعي فاقد پاسخ تحليلي با استفاده از نرمافزار تجاري COMSOL انجام گرفته است. نتايج ارائهشده براي مسائل مذكور نشان خواهد داد كه غنيسازي بهروش پيشنهادي به برآورد منطقي ميدان تنش و جابهجايي در ناحيهي تحت غلبه تكينگي و بهبود كيفيت پاسخ منجر خواهد شد. اين در حالي است كه اين غنيسازي بهسادگي قابل اعمال است و ميتواند همگام با حفظ خواص و مزيتهاي مهم روش بدون المان گالركين استفاده شود.
چكيده انگليسي :
In recent decades, numerical methods have been widely used to solve solid mechanics problems. One of the most important issues in the Continuum mechanics' field is the singularity and the stress intensification in its adjacency. Element Free Galerkin (EFG) method is one of the most powerful and well-known numerical methods for solving solid mechanics' problems, which has been proved for its proper accuracy, good continuity of response, supporting large deformations, and appropriate stability of the solution process. So far, a large number of Studies have been done based on EFG method to solve fracture mechanics' problems, in order to correctly estimate the stress and displacement fields in the vicinity of the singular point. The present research examines EFG problems with weak singularities in their physical domain, suffering from discontinuity in the derivatives of the potential fields. Most of the well-known numerical methods, including EFG, use smooth bases to estimate the unknown fields of the problem. These bases are unable to reproduce the response in the singularity affected zone. Adding some enrichment bases that include the singularity properties according to the type of the problem can improve the answer quality in that zone. Conventionally, deriving such bases requires solution of an analytical problem having similar geometry to the main problem, in order to accurately estimate the singularity order of the problem. What is followed in this research is the automatic extraction of the enrichment bases in the process of solving problems, without knowledge of its singularity order. For this purpose, the homogeneous form of the PDE is approximately satisfied using the weighted residual integration. Consequently, the Equilibrated Singular Basis Functions (EqSBFs) are produced. Primary basis functions used in the weighted integral are an expansion of polynomials in the radial direction and Fourier series in the angular direction. In order to add the ability to solve problems with weak singularities, by using a special transformation, the equations are rewritten in a transformed polar coordinate system, so that the singularity effect can be reproduced. New functions, named Equilibrated Singular Basis Functions, are added to the smooth bases of the EFG and lead to the enrichment of the mentioned method. In this research, various problems will be analyzed to evaluate the proposed method, some of which having analytical solution and some do not. Validation for real scaled problems without analytical solution is done using COMSOL commercial software. The presented results for the mentioned problems will show that enrichment by the proposed method will lead to a reasonable estimation of the stress and displacement fields in the singularity-dominated zone, and improve the quality of the answer. Meanwhile, this enrichment is easy to apply and can be used while preserving the important properties and advantages of the EFG method.