Schäuble, A.-K., Tkachuk, A., & Bischoff, M. (2014). Variationelle Methoden zur Massenskalierung für eine effizientere explizite Zeitintegration in der Dynamik. K.-U. Bletzinger, N. Gebbeken, R. Fisch (eds.): Berichte der Fachtagung Baustatik - Baupraxis 12., 705–713.
Zusammenfassung
Um dynamische Finite-Elemente-Berechnungen mit expliziter Zeitintegration zu beschleunigen, ist es in der Praxis üblich, Massenskalierung anzuwenden. Damit soll die kritische Zeitschrittweite erhöht werden ohne maßgeblich an Genauigkeit in den entscheidenden niederfrequenten Moden zu verlieren. Bei der konventionellen Massenskalierung (CMS) wird künstliche Masse zu den Diagonaltermen der diagonalisierten Massenmatrix addiert und die Diagonalform der Massenmatrix bleibt erhalten. CMS wird gewöhnlich auf eine geringe Anzahl kleiner oder steifer Elemente angewandt, deren hohe Eigenfrequenzen die kritische Zeitschrittweite begrenzen. Dabei wird allerdings die Trägheit der Struktur erhöht, was zu unphysikalischen Effekten führen kann. Mit einer sogenannten selektiven Massenskalierung kann wenigstens die translatorische Trägheit (d.h. der Impuls bei gleichmäßiger Anfangsgeschwindigkeit) erhalten werden, allerdings auf Kosten von Nebendiagonaltermen in der Massenmatrix. Diese Methode lässt sich gleichmäßig auf die gesamte Struktur anwenden und hat geringere unphysikalische Nebeneffekte. Bislang werden skalierte Massenmatrizen rein algebraisch, z.B. steifigkeitsproportional konstruiert. Die Auswahl an Skalierungs-Templates ist beschränkt und ihnen liegt keine konsistente Formulierung zugrunde. In diesem Artikel werden variationelle Methoden zur selektiven Massenskalierung vorgestellt, die nicht nur mathematisch konsistent sind, sondern es auch erlauben, gezielt bestimmte Eigenschaften wie die Erhaltung der Trägheit, Reduktion der höchsten Frequenzen und Genauigkeit bei den niedrigen Frequenzen einzustellen. Die Leistungsfähigkeit der Methode wird an numerischen Beispielen mit Tetraeder- und Hexaeder-Elementen demonstriert.BibTeX