将单元刚度矩阵组装为全局刚度矩阵后,有:

此时的线性方程没有唯一解,([K])是奇异矩阵,这是没有引入边界条件,消除刚体位移的原因.
边界条件分为两类:Forced and Geometric;对于力边界条件可以直接附加到节点力向量([P])中,即(P_j=P_j^{*}),(P_j^{*})是给定的节点力值.
因此我们基本只需要处理Geometric Boundary condition.下面介绍三种方法,将Bcs引入到([K]、[P])
以位移边界条件为例,指定相关自由度值即:(Phi_j=Phi_j^{*})
Method 1
将开头的([K][Phi]=[P])划分为:
其中,(Phi_1)是未知的自由节点自由度向量(free dofs);(Phi_2)是已知的约束节点自由度值(Phi_j^{*})向量(specified nodal dof);(P_1)是已知节点力向量;(P_2)是未知的支反力向量
公式2进一步:
这时,([K_{11}])是非奇异矩阵.因此自由节点自由度(未知节点位移)可求:
一旦(Phi_1)求得,则未知支反力(P_2)可由公式3求得.
Method 2
也称划行划列法.method 1 中需要对([K] ,[Phi],[P])进行行列对调,重新排序.当出现非0位移边界时,method 1耗时长且需要记录过程,之后还需要恢复刚度矩阵.因此和method 1等效的处理方法是构建下式:
实际计算中,不需要对刚度阵重新排序.算法操作如下:


对所有的约束自由度(Phi_j)重复Step 1~3即可,这种操作能够保持刚度和方程的对称性.
Method 3
该方法也称乘大数法.假设约束自由度为(Phi_j=Phi_j^*),操作如下:

该方法通用性强,适合大多数的静力学线性问题,但数值精度与大数的取值有关,太小了精度差,太大了容易出现"矩阵奇异"的现象
Method 4(对角元素置1法)
该方法的做法是,对于约束自由度(Phi_j=0),把([K])的j行j列置0,但对角元素Kjj=1,([P])中对应元素置0.
以6x6的刚度矩阵为例子,
不引入大数,避免了数值稳定性的问题,不会影响矩阵的条件数; 但只适合(Phi_j=0)这样的简单边界;可能影响系统矩阵的特性,直接替换可能改变矩阵的对称性(尤其在动力学和非线性问题中);不能处理非0的位移加载,只能处理力加载
Example
例题来自《The Finite Element Method in Engineering》的悬臂梁模型(example6.4, page227)

静力平衡方程为:

解为:
solve by method 1



solve by method 2

循环每个位移约束,需要注意高亮处的操作:

求解:

solve by method 3


Code Realize
四种方法进行Python+Numpy+Scipy编程实现,并与Example的解进行对比.
#------------------------------------------------------------------------------- # Name: BcsProcess # Purpose: 引入边界条件到[K]中,并返回解[U],[P] # input: # K:全局刚度矩阵,(M,M) numpy.array # BcDict:位移约束,key (int) = 自由度序号(1-based) , value (float) = 自由度约束值 # LoadDict:节点力加载,key (int) = 自由度序号(1-based) , value (float) = 施加的节点力加载或者等效节点力加载 # # Author: Administrator # # Created: 08-03-2025 # Copyright: (c) Administrator 2025 # Licence: <your licence> #------------------------------------------------------------------------------- import numpy as np from typing import Dict,List,Tuple import scipy as sc def Method1(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple: dofNum=K.shape[0] # 初始化向量 U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1)) prescribedDofIndexs=np.array(list(BcDict.keys()))-1 #使用集合运算,全部自由度与约束自由度求差, 得到自由位移自由度的 freeDofIndexs=np.array(list(set(range(dofNum))-set(prescribedDofIndexs.tolist())),dtype=int) # 已知节点力加到P for label,Pval in LoadDict.items(): ind=label-1 P[ind,0]+=Pval # 已知节点位移(prescribed dof) for label,Uval in BcDict.items(): ind=label-1 U[ind,0]+=Uval U2=U[np.ix_(prescribedDofIndexs,[0])].copy() # 已知节点力(free dof) P1=P[np.ix_(freeDofIndexs,[0])].copy() # 重新划分K行列 K11=K[np.ix_(freeDofIndexs,freeDofIndexs)].copy() K12=K[np.ix_(freeDofIndexs,prescribedDofIndexs)].copy() K21=K[np.ix_(prescribedDofIndexs,freeDofIndexs)].copy() K22=K[np.ix_(prescribedDofIndexs,prescribedDofIndexs)].copy() # 计算自由节点位移值 U1=np.dot(sc.linalg.inv(K11),P1-K12.dot(U2)) # 计算支反力 P2=np.dot(K21,U1)+np.dot(K22,U2) # 合并到U,P向量 U[np.ix_(freeDofIndexs,[0])]=U1 P[np.ix_(prescribedDofIndexs,[0])]=P2 return U,P def Method2(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple: K_origin=K.copy() dofNum=K.shape[0] # 初始化向量 U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1)) # 已知节点力加到 P for label,Pval in LoadDict.items(): ind=label-1 P[ind,0]+=Pval # 循环所有的位移约束 for label,Uval in BcDict.items(): j=label-1 #Step1 for i in range(dofNum): P[i,0]=P[i,0]-K[i,j]*Uval #Step2 for i in range(dofNum): K[i,j]=0 K[j,i]=0 K[j,j]=1 #Step3 P[j,0]=Uval # 求解 K'U=P' U_=sc.linalg.solve(K,P) P_=np.dot(K_origin,U_) return U_,P_ def Method3(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple: C=np.max(K)*10e6 K_origin=K.copy() dofNum=K.shape[0] # 初始化向量 U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1)) # 已知节点力加到 P for label,Pval in LoadDict.items(): ind=label-1 P[ind,0]+=Pval # 循环所有位移约束 for label,Uval in BcDict.items(): j=label-1 # Step1 K[j,j]=K[j,j]*C # Step2 P[j,0]=K[j,j]*Uval # 求解 K'U=P' U_=sc.linalg.solve(K,P) P_=np.dot(K_origin,U_) return U_,P_ def Method4(K:np.ndarray,BcDict:Dict[int,float],LoadDict:Dict[int,float])->Tuple: if np.any(np.array(list(BcDict.values())) != 0): raise ValueError('该方法不能处理非0位移加载') K_origin=K.copy() dofNum=K.shape[0] # 初始化向量 U,P=np.zeros((dofNum,1)),np.zeros((dofNum,1)) # 已知节点力加到 P for label,Pval in LoadDict.items(): ind=label-1 P[ind,0]+=Pval # loop all nodal bcs for label, Uval in BcDict.items(): j=label-1 K[j,:]=0.0 K[:,j]=0.0 K[j,j]=1.0 P[j,0]=0 # solve K'U=P' U_=sc.linalg.solve(K,P) P_=np.dot(K_origin,U_) return U_,P_ if __name__ == '__main__': K=np.array([[12,600,-12,600], [600,40000,-600,20000], [-12,-600,12,-600], [600,20000,-600,40000]]) Bcs={1:0,2:0} loads={3:-50,4:20} # 精确解 extract_U=np.array([0,0,-16.5667,-0.2480]) extract_P=np.array([50.0,4980.0,-50,20]) # 求解 u,p=Method4(K,Bcs,loads) print(f"extract U=n{extract_U}") print(f"u=n{u.T}") print(f"extract_P=n{extract_P}") print(f"p=n{p.T}")
计算结果:
extract_U= [ 0. 0. -16.5667 -0.248 ] extract_P= [ 50. 4980. -50. 20.] solving by method 1 u= [[ 0. 0. -16.56666667 -0.248 ]] p= [[ 50. 4980. -50. 20.]] solving by method 2 u= [[ 0. 0. -16.56666667 -0.248 ]] p= [[ 50. 4980. -50. 20.]] solving by method 3 u= [[-1.04166667e-11 -3.11250000e-13 -1.65666667e+01 -2.48000000e-01]] p= [[ 50. 4980. -50. 20.]] solving by method 4 u= [[ 0. 0. -16.56666667 -0.248 ]] p= [[ 50. 4980. -50. 20.]]
总结
列举了四种直接节点位移边界条件的处理办法,并编程实现,求解案例.对比结果发现:相比Method3存在数值误差,其他三个都更加精确.
如果需要处理多点耦合边界条件,则有罚函数法,拉格朗日乘子法等.
参考资料:
- 有限元基础编程 | 边界条件专题(对角元素置"1"法、乘大数法、划行划列法、拉格朗日乘子法、罚函数法)
- 范雨有限元博客
- 有限元软件开发 致力于国产大型通用商业有限元计算软件的开发
Singiresu S. Rao, sixth edition
Note Completed at 2025/03/08