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A Ritz-based Finite Element Method for a Fractional-Order Boundary Value Problem of Nonlocal Elasticity
arXiv - CS - Numerical Analysis Pub Date : 2020-01-19 , DOI: arxiv-2001.06885 Sansit Patnaik, Sai Sidhardh, and Fabio Semperlotti
arXiv - CS - Numerical Analysis Pub Date : 2020-01-19 , DOI: arxiv-2001.06885 Sansit Patnaik, Sai Sidhardh, and Fabio Semperlotti
We present the analytical formulation and the finite element solution of a
fractional-order nonlocal continuum model of a Euler-Bernoulli beam. Employing
consistent definitions for the fractional-order kinematic relations, the
governing equations and the associated boundary conditions are derived based on
variational principles. Remarkably, the fractional-order nonlocal model gives
rise to a self-adjoint and positive-definite system accepting a unique
solution. Further, owing to the difficulty in obtaining analytical solutions to
this boundary value problem, a finite element model for the fractional-order
governing equations is presented. Following a thorough validation with
benchmark problems, the fractional finite element model (f-FEM) is used to
study the nonlocal response of a Euler-Bernoulli beam subjected to various
loading and boundary conditions. The fractional-order positive definite system
will be used here to address some paradoxical results obtained for nonlocal
beams through classical integral approaches to nonlocal elasticity. Although
presented in the context of a 1D Euler-Bernoulli beam, the f-FEM formulation is
very general and could be extended to the solution of any general
fractional-order boundary value problem.
中文翻译:
非局部弹性分数阶边值问题的一种基于 Ritz 的有限元方法
我们提出了欧拉-伯努利梁的分数阶非局部连续介质模型的解析公式和有限元解。对分数阶运动学关系采用一致的定义,控制方程和相关的边界条件是基于变分原理推导出来的。值得注意的是,分数阶非局部模型产生了一个接受唯一解的自伴随和正定系统。此外,由于难以获得该边值问题的解析解,提出了分数阶控制方程的有限元模型。在对基准问题进行彻底验证之后,分数有限元模型 (f-FEM) 用于研究 Euler-Bernoulli 梁在各种载荷和边界条件下的非局部响应。这里将使用分数阶正定系统来解决通过非局部弹性的经典积分方法获得的非局部梁的一些矛盾结果。尽管在一维 Euler-Bernoulli 梁的上下文中提出,f-FEM 公式非常通用,可以扩展到任何一般分数阶边界值问题的解决方案。
更新日期:2020-06-04
中文翻译:
非局部弹性分数阶边值问题的一种基于 Ritz 的有限元方法
我们提出了欧拉-伯努利梁的分数阶非局部连续介质模型的解析公式和有限元解。对分数阶运动学关系采用一致的定义,控制方程和相关的边界条件是基于变分原理推导出来的。值得注意的是,分数阶非局部模型产生了一个接受唯一解的自伴随和正定系统。此外,由于难以获得该边值问题的解析解,提出了分数阶控制方程的有限元模型。在对基准问题进行彻底验证之后,分数有限元模型 (f-FEM) 用于研究 Euler-Bernoulli 梁在各种载荷和边界条件下的非局部响应。这里将使用分数阶正定系统来解决通过非局部弹性的经典积分方法获得的非局部梁的一些矛盾结果。尽管在一维 Euler-Bernoulli 梁的上下文中提出,f-FEM 公式非常通用,可以扩展到任何一般分数阶边界值问题的解决方案。