Elasticity en 2D With Freefem++
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Abdelouahab OUKHOUYA
12 juin 2012
Position du problme :
Soit un ouvert rgulier de de frontire de classe 1 par morceaux ; soit 0 une partie de de mesure supercielle strictement positive et soit 1 le complmentaire de 0 dans . On considre un solide occupant le domaine .
On note u le vecteur de dplacement. Si le solide est soumis la densit de force f (gravit par exemple), la contrainte normale g sur une partie de son bord 1 et encastr sur l'autre partie du bord 0 , alors le vecteur dplacement satisfait aux quations de l'lasticit linaire :
2 j=1 xj ij (u) 2 j=1
+ fi = 0 dans
ij (u)nj = gi u = 0
sur 1 sur 0
(1)
o nj dsigne la j ime composante de la normale extrieure ; fi L2 (), gi L2 (1 ) avec i=1,2. (ij )1i,jN est le tenseur donn par
ij (u) = trace((u))ij + 2ij (u) ( et IR : coecients de Lam) u 1 ui ij (u) = 2 ( xj + xj ) (appel tenseur des dformations) i
(2)
0.1.
TUDE THORIQUE :
0.1
tude thorique :
Cette section aborde l'approximation par lments nis de problmes (1). Le domaine IR2 reprsente un milieu dformable, initialement au repos et auquel on applique un chargement extrieur f : IR2 . L'objectif est de dterminer u : IR2 le champ de dplacement fois que le milieu a atteint l'quilibre.
Remarque 0.1.1
1. Le problme (1) des conditions limites de Van-Neumann, on peut par exemple le trait avec des conditions de Dirichlet. Dans ce cas l'tude est plus simple. 2. Les coecients de Lam sont des coecients et qui, pour des raisons physiques, sont 2 contraints par les relations > 0 et + 3 0. 3. Dans certaines applications, il est plus pratique d'introduire le module de Young E et le coecient de Poisson tels que :
E= 3 + 2 . (3) +
et
=
1 . (4) 2+
0,
=(
i=1
vi
1 2 2 0, )
et
v
1,
=(
i=1
vi
1 2 2 1, ) .
ij (u)
i,j=1
2 0,
dx
1 u 2
2 1,
1 u H0 ()N . (5)
Preuve
On donne l'ide de la dmonstration : On suppose dans les donnes du problme que 1 = 1. On crit le problme variationnel quivalent au problme (1). 2. on montre que pour tout champ u D()N , on a
ui uj dx = xj xi
ui uj dx xi xj
3. Puis on conclut.
4
Thorme 0.1.1 (seconde ingalit de Korn)
Soit un ouvert born et connexe de IRn de frontire assez rgulire. Alors il existe une constante C() > 0 qui dpend de telle que :
n
u H () ,
C() u
2 1,
i,j=1
ij (u)
2 0,
+ u
2 0, .
(6)
Preuve
1,
sur
On a
u(x) = Ax+b, o A est une matrice carre d'ordre n antisymtrique et b un vecteur de IRn .
Par suite u = 0 ; or on a suppos que 0 est mesure supercielle strictement positive donc :
V = {0}.
Donc u ( ij (u)
1 2 2 0, )
ij (u)
i,j=1
2 0,
dx
1 u 2
2 1,
u V.
Donc u ( ij (u)
1 2 2 0, )
1,
. On na le thorme :
0.1.
TUDE THORIQUE :
Thorme 0.1.2
Soit un ouvert born et connexe de IRn , de frontire assez rgulire. Alors il existe une constante C0 strictement positive telle que :
n
ij (u)
i,j=1
2 0,
C0 u
2 1,
u V.
(7)
De ce thorme on va montrer la V-ellipticit de la forme linaire associe la formulation variationnelle de problme (1).
Formulation variationnelle et solution :
On pose
a(u, v) =
avec, ij (u) et ij (v) sont donns dans l'quation (2). Par (2), on a :
u1 u2 v1 v2 a(u, v) = ( + )( + ) dx + 2 x2 x1 x2 x1 i,j=1
2
par cette relation on a : a(u, v) = a(v, u), donc a(., .) est symtrique. De plus d'aprs le thorme (0.1.2) : il existe C0 > 0, telle que
a(v, v) 2C0 u
2 1,
u V. (10)
Il en dcoule que a(., .) est V-elliptique. Il est claire que a(., .) est continue sur V 2 . D'autre part on a la forme :
u
(f1 u1 + f2 u2 ) dx +
1
(g1 u1 + g2 u2 ) d
(11).
est une forme linaire continue sur V . : Vu les hypothses donnes donc par le thorme Lax-Milgram du cours : il existe v V unique solution de
Conclusion
a(u, v) =
(f1 u1 + f2 u2 ) dx +
1
(g1 u1 + g2 u2 ) d
u V. (12)
ij (u)ij (v) dx
(f1 u1 + f2 u2 ) dx
1
(g1 u1 + g2 u2 ) d. (13)
6
Rgularit de la solution
:
2 i,j=1 ui ij (v) xj dx (15).
j=1
ij (u) + fi = 0dans xj
, i = 1, 2 (16).
a(u, v) =
i,j=1
( ij (v))ui dx + xj
gi ui d
i=1 1
u V. (17)
i,j=1
ui dx = ij (v) xj i,j=1
ij (v))ui dx + ( xj i,j=1
(
i=1 1 j=1
ij (v)uj gi )ui d = 0,
u V. (19)
ij (v)uj = gi
j=1
sur 1 , i = 1, 2 (20).
0.2.
TUDE PRATIQUE
0.2
tude pratique
On considre un domaine = ]0, 4[ x ]0, 1[ un ouvert de IR2 . Soit i , i = 1, 2, 3, 4 les cots du rectangle . On introduit un maillage rgulier h et Wh l'espace des fonctions P1 valeurs vectorielles (dans IR2 ) associe.
Premier cas :
On va chercher rsoudre le problme de l'lasticit linaire dans une poutre de longueur 4 et de largeur 1, xe son extrmiste gauche, soumise des forces f .
tel que
2e(uh ) : e(vh ) + ( uh )( vh ) dx =
L'achage de donnes vectorielles l'aide de la fonction plot n'est pas idal. Par contre, FreeFem++ ore la possibilit de visualiser la dformation d'un maillage h . Dans un premier temps, on dnit le maillage dform par : real ex=0.05 ;//coecient d'exageration mesh Sh=movemesh(Th,[x+ex*uh1,y+ex*uh2]) ;//on dforme ou dplace le mesh Il sut alors d'acher le maillage dformer Sh .
Remarque 0.2.1
plot(Sh) ;
Code
0.2.
TUDE PRATIQUE
Figures :
10
On peut amliorerai le calcul prcdent en travaillant sur un maillage de plus en plus n. Cependant, utiliser un maillage uniforme n'est pas optimal. Il plus intressant de raner dans les rgions o il se passe rellement quelque chose,dans notre cas c'est les bords de 4 , c'est dire o le gradient de la solution uh varie rapidement. Pour cela en utilise la fonction adaptmesh, qui permet de raner le maillage en l'adaptant une fonction spcie :
real erreur=0.001 ; Th=adaptmesh(Th,uh1,uh2,err=erreur) ;
Commentaires :
permet d'adapter le maillage avec une prcision inversement proportionnelle l'erreur en fonction de uh . Alors par ce possd on amliore notre solution comme on le va montrer.
Code :
0.2.
TUDE PRATIQUE
11
Figures :
12
0.2.
TUDE PRATIQUE
13
Deuxime cas :
Codes :
Ce cas se traite comme le cas prcdente ; sauf qu'on ajoute dans la rsolution du problme variationnelle, une autre condition limite. Dans ce cas on trouve les singularits au bord de 2 et 4 .
14
0.2.
TUDE PRATIQUE
15
Figures associes
16
0.2.
TUDE PRATIQUE
17