移动最小二乘法使用空间Ω上已知的一系列点{xi}i=1,…,n拟合该空间上的未知位移场函数u(x),其近似函数us(x)为:
式中:p(x)为空间坐标的基函数,一般取帕斯卡三角单项式以保证完整性,如图3-4所示;n为基函数的项数;x T=[x ,y]为二维空间坐标;a(x)为待定的系数向量,a T(x)={a i(x)}i=1,…,n 。
图3-4 帕斯卡三角单项式构造(二维)
设兴趣点x的支撑域内有m个节点,这些节点满足权函数W(x-xi)≠0,近似函数us(x)在这些节点处的误差加权平方和可以用以下泛函表示:
式中:ui是位移场函数u在x=xi处的节点参数值。由于落在支撑域中的节点个数m一般都会远远超过待定系数个数n,因此近似函数us(x)与节点参数值一般不相等,即us(xi)≠ui。
令J取最小值,解得待定系数a(x)为:
再将上式代入式(3-21)中可以得到如下关系:
式中:Us为支撑域中所有节点的位移场节点参数值组成的向量,Us={u1 u2…um}T;ΦT(x)为对应m个节点的移动最小二乘形函数向量,具体为:(www.daowen.com)
在本专著中基向量p取二次多项式形式p T(x)=[1 x y x 2 xy y 2],因此n=6;加权动差矩阵A(x)、向量B(x)以及权函数Wi(x)分别取如下形式:
在高阶梯度模型的背景下,为了方便地获得形函数的高阶偏导数,需要将式(3-25)重新表示为ΦT(x)=ηT(x)B(x),其中:
由于加权动差矩阵A是对称矩阵,因此可以从式(3-29)求得η(x):
于是可以通过解下列方程逐一求得η的各阶偏导数:
式中:i、j、k为在二维空间表示坐标x和y。
在求得了η的偏导数后,形函数的偏导数便可逐一求出:
需要注意的是,为了保证矩阵A可逆,支撑域中的场节点个数必须足够多。节点个数m由节点分布和基函数的个数n来决定,通常选取m≫n。
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