使用8、14、20节点6面体的立方体弹性固体的三维分析(python,有限元)

本篇程序的整体路线基本与第七篇是类似的，所以大家可以以第七篇为参考。程序由8-14-20节点的六面体网格划分而成，其中的内置几何子程序hexahedron_xz产生以yz平面开始向y方向的节点和单元标号，具体可见下图。

具体的局部节点单元标号参照下图，以xz平面为顺时针编号，之后向y方向扩展

一个20节点六面体单元需要的积分点为27个，为了方便考虑”折减积分“，将积分点减少为8个

节点值为20；
网格划分x方向为1，y方向为3，z方向为2，积分点为8，单元性质类型由两类；
单元性质分别有e=100.0、v=0.3(序号1)和e=50.0和v=0.3(序号2)两种；
单元对应的性质类型序号为1、2、1、2、1、2；
三个方向坐标点值为 x：0.0，0.5；
y：0.0，1.0，2.0，3.0；
z：0.0，-1.0，-2.0；
约束结点有46个（1代表自由；0代表约束）例如节点1 x，y方向约束，z方向自由；
荷载节点为8个，1、2、3、14、15、20、21、22的z方向荷载分别为(0.0417、-0.1667、0.0417、-0.1667、-0.1667、0.0417、-0.1667、0.0417)；
没有固定位移和转角值。

import numpy as np
import A
type_2d='plane'
element='hexahedron'
dir='y'
nxe=1
nye=3
nze=2
nst=6
np_types=2
loaded_nodes=8
fixed_freedoms=0
nod=20
nprops=2
nr=46
nodof=3
ndim=3
nip=8
nels=np.array([0])
nn=np.array([0])
A.mesh_size(element,nod,nels,nn,nxe,nye,nze)
ndof=nod*nodof
if type_2d=='axisymmetric':
    nst=4
nels=int(nels)
nn=int(nn)
#初始化定义数组
nf=np.ones((nodof,nn),dtype=np.int64)
points=np.ones((nip,ndim))
g=np.ones((ndof,1),dtype=np.int64)
g_coord=np.ones((ndim,nn))
fun=np.ones((nod,1))
coord=np.ones((nod,ndim))
jac=np.ones((ndim,ndim))
g_num=np.ones((nod,nels))
der=np.ones((ndim,nod))
deriv=np.ones((ndim,nod))
bee=np.zeros((nst,ndof))
km=np.ones((ndof,ndof))
eld=np.ones((ndof,1))
weights=np.ones((nip,1))
g_g=np.ones((ndof,nels))
prop=np.ones((nprops,np_types))
num=np.ones((nod,1),dtype=np.int64)
#x_coords=np.ones((nxe+1,1))
#y_coords=np.ones((nxe+1,1))
etype=np.ones((nels,1),dtype=np.int64)
gc=np.ones((ndim,1))
dee=np.zeros((nst,nst))
sigma=np.ones((nst,1))
if np_types==1:
  etype[:,0]=1
else:
  etype[:,0]=(1,2,1,2,1,2)
if np_types==1:
  prop[:nprops,np_types-1]=(1.0e6,0.3)
else:
  prop[0,:]=(100,50)
  prop[1,:]=(0.3,0.3)
x_coords=np.array([0.0,0.5])
y_coords=np.array([0.0,1.0,2.0,3.0])
z_coords=np.array([0.0,-1.0,-2.0])
#读取nr
if nr!=0:
    Dim_1=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,18,19,20,23,25,28,30,31,32,33,35,37,38,39,42,44,47,49,50,51,52,54,56,57,58,61,63,66,68,69,70]
    nf_value=np.array([[0,1,1,0,1,0,1,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
        [0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0],
            [1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0]])
    m=0
    for i in Dim_1:
        for j in range(1,nodof+1):
            nf[j-1,i-1]=nf_value[j-1,m]
        m=m+1  
#form nf
A.formnf(nf)
neq=int(max(nf.reshape(nf.shape[0]*nf.shape[1],1)))
kdiag=np.zeros((neq,1),dtype=np.int64)
loads=np.zeros((neq+1,1))
##累加单元去发现全局尺寸
for iel in range(1,nels+1):
    A.hexahedron_xz(iel,x_coords,y_coords,z_coords,coord,num)
    A.num_to_g(num,nf,g)
    g_num[:,iel-1]=num[:,0]
    g_coord[:,num[:,0]-1]=np.transpose(coord[:,:])
    g_g[:,iel-1]=g[:,0]
    A.fkdiag(kdiag,g)
for i in range(1,neq):
    kdiag[i]=kdiag[i]+kdiag[i-1]
kv=np.zeros((kdiag[neq-1,0],1),dtype=float)
print('一共有'+str(neq)+'等式和天际线存储个数为'+str(kdiag[neq-1]))
#单元刚度积分和安装
A.sample(element,points,weights)
for iel in range(1,nels+1):
    A.deemat(dee,prop[0,etype[iel-1]-1],prop[1,etype[iel-1]-1])
    num[:,0]=g_num[:,iel-1]
    coord[:,:]=np.transpose(g_coord[:,num[:,0]-1])
    g[:,0]=g_g[:,iel-1]
    km[:]=0
    for i in range(1,nip+1):
        #A.shape_fun(fun,points,i)
        A.shape_der(der,points,i)
        jac=np.dot(der,coord)
        det=np.linalg.det(jac)
        A.invert(jac)
        deriv=np.dot(jac,der)
        A.beemat(bee,deriv)
        km[:]=km[:]+np.dot(np.dot(np.transpose(bee),dee),bee)*det*weights[i-1]
#call fsparv
    A.fsparv(kv,km,g,kdiag)
###读荷载和位移
if loaded_nodes!=0:
  Dim_2 = [1,2,3,14,15,20,21,22]
  load_value=np.array([[0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0],[0.0417,-0.1667,0.0417,-0.1667,-0.1667,0.0417,-0.1667,0.0417]])
  m=0
  for i in Dim_2:
      for j in range(1,nodof+1):
        loads[nf[j-1,i-1]-1]=load_value[j-1,m]
      m=m+1
#####方程求解
if fixed_freedoms!=0:
  node=np.ones((fixed_freedoms,1),dtype=np.int64)
  sense=np.ones((fixed_freedoms,1),dtype=np.int64)
  value=np.ones((fixed_freedoms,1))
  no=np.ones((fixed_freedoms,1),dtype=np.int64)
  node[:,0]=(1,3)
  sense[:,0]=(2,1)
  value[:,0]=(-0.001,-0.005)
####位移赋值
  for i in range(1,fixed_freedoms+1):
    no[i-1]=nf[sense[i-1]-1,node[i-1]-1]
  kv[kdiag[no-1]-1]=kv[kdiag[no-1]-1]+1e20
  loads[no-1,0]=kv[kdiag[no-1,0]-1,0]*value
##荷载增量累加
A.sparin(kv,kdiag)
A.spabac(kv,loads,kdiag)
loads[neq]=0
print('节点 x-位移 y-位移 z-位移')
for k in range(1,nn+1):
  print(k,end=' ')
  for m in range(1,nodof+1):
    print('{:9.4e}'.format(loads[nf[m-1,k-1]-1,0]),end=' ')
  print()
#取得单元中心点的力矩
nip=1
points=np.ones((nip,ndim))
weights=np.ones((nip,1))
A.sample(element,points,weights)
print('积分点nip='+str(nip)+'应力为')
print('单元 x-坐标     y-坐标        z-坐标      sig_x       sig_y         sig_z       tau_xy
        tau_yz      tau_zx')
for iel in range(1,nels+1):
  A.deemat(dee,prop[0,etype[iel-1]-1],prop[1,etype[iel-1]-1])
  num[:,0]=g_num[:,iel-1]
  coord[:,:]=np.transpose(g_coord[:,num[:,0]-1])
  g[:,0]=g_g[:,iel-1]
  eld=loads[g-1,0]
  for i in range(1,nip+1):
    A.shape_fun(fun,points,i)
    A.shape_der(der,points,i)
    for i in range(1,ndim+1):
        gc[i-1]=np.dot(np.transpose(fun[:,0]),coord[:,i-1])
    jac=np.dot(der,coord)
    A.invert(jac)
    deriv=np.dot(jac,der)
    A.beemat(bee,deriv)
    sigma[:]=np.dot(dee[:],np.dot(bee[:],eld[:]))
    print(iel,end='  ')
    for i in range(1,ndim+1):
      print('{:9.4e}'.format(gc[i-1,0]),end='  ')
    for i in range(1,nst+1):
      print('{:9.4e}'.format(sigma[i-1,0]),end='  ')
    print( )