Contribution to the treatment of constraints due to standard boundary conditions in the context of the mixed Web-spline finite element method

This article proposes a new boundary condition using the web-spline that is formulated for a finite element space approximation. It enables to remedy the problems of constraints due to homogeneous and non-homogeneous Dirichlet boundary conditions. The 2D linear Navier- Lame elasticity equation with the condition CA,B is considered, which allows total insertion of the essential boundary conditions into the linear system obtained without the use of a numerical method such as the Lagrange multiplier. This development proposal of a mixed finite element method using B-splines Web-spline space offers an exact implementation of the homogeneous Dirichlet boundary conditions and eliminate the constraints imposed by the standard conditions. This offers proof of the existence and uniqueness of the weak solution, as well as convergence of the numerical solution for the quadratic case. The weighted extended B-spline approach is thus seen to offer a more practical solution

MULTIGRID PRECONDITIONED CONJUGATE GRADIENT METHOD IN THE MECHANICAL ANALYSIS OF HETEROGENEOUS SOLIDS

A fast solver method called the multigrid preconditioned conjugate gradient method is proposed for the mechanical analysis of heterogeneous materials on the mesoscale. Even small samples of a heterogeneous material such as concrete show a complex geometry of different phases. These materials can be modelled by projection onto a uniform, orthogonal grid of elements. As one major problem the possible resolution of the concrete specimen is generally restricted due to (a) computation times and even more critical (b) memory demand. Iterative solvers can be based on a local element-based formulation while orthogonal grids consist of geometrical identical elements. The element-based formulation is short and transparent, and therefore efficient in implementation. A variation of the material properties in elements or integration points is possible. The multigrid method is a fast iterative solver method, where ideally the computational effort only increases linear with problem size. This is an optimal property which is almost reached in the implementation presented here. In fact no other method is known which scales better than linear. Therefore the multigrid method gains in importance the larger the problem becomes. But for heterogeneous models with very large ratios of Young's moduli the multigrid method considerably slows down by a constant factor. Such large ratios occur in certain heterogeneous solids, as well as in the damage analysis of solids. As solution to this problem the multigrid preconditioned conjugate gradient method is proposed. A benchmark highlights the multigrid preconditioned conjugate gradient method as the method of choice for very large ratio's of Young's modulus. A proposed modified multigrid cycle shows good results, in the application as stand-alone solver or as preconditioner

MULTIPHASE B-SPLINE FINITE ELEMENTS OF VARIABLE ORDER IN THE MECHANICAL ANALYSIS OF HETEROGENEOUS SOLIDS

Advanced finite elements are proposed for the mechanical analysis of heterogeneous materials. The approximation quality of these finite elements can be controlled by a variable order of B-spline shape functions. An element-based formulation is developed such that the finite element problem can iteratively be solved without storing a global stiffness matrix. This memory saving allows for an essential increase of problem size. The heterogeneous material is modelled by projection onto a uniform, orthogonal grid of elements. Conventional, strictly grid-based finite element models show severe oscillating defects in the stress solutions at material interfaces. This problem is cured by the extension to multiphase finite elements. This concept enables to define a heterogeneous material distribution within the finite element. This is possible by a variable number of integration points to each of which individual material properties can be assigned. Based on an interpolation of material properties at nodes and further smooth interpolation within the finite elements, a continuous material function is established. With both, continuous B-spline shape function and continuous material function, also the stress solution will be continuous in the domain. The inaccuracy implied by the continuous material field is by far less defective than the prior oscillating behaviour of stresses. One- and two-dimensional numerical examples are presented

Composite Finite Elements for Trabecular Bone Microstructures

In many medical and technical applications, numerical simulations need to be performed for objects with interfaces of geometrically complex shape. We focus on the biomechanical problem of elasticity simulations for trabecular bone microstructures. The goal of this dissertation is to develop and implement an efficient simulation tool for finite element simulations on such structures, so-called composite finite elements. We will deal with both the case of material/void interfaces (complicated domains) and the case of interfaces between different materials (discontinuous coefficients). In classical finite element simulations, geometric complexity is encoded in tetrahedral and typically unstructured meshes. Composite finite elements, in contrast, encode geometric complexity in specialized basis functions on a uniform mesh of hexahedral structure. Other than alternative approaches (such as e.g. fictitious domain methods, generalized finite element methods, immersed interface methods, partition of unity methods, unfitted meshes, and extended finite element methods), the composite finite elements are tailored to geometry descriptions by 3D voxel image data and use the corresponding voxel grid as computational mesh, without introducing additional degrees of freedom, and thus making use of efficient data structures for uniformly structured meshes. The composite finite element method for complicated domains goes back to Wolfgang Hackbusch and Stefan Sauter and restricts standard affine finite element basis functions on the uniformly structured tetrahedral grid (obtained by subdivision of each cube in six tetrahedra) to an approximation of the interior. This can be implemented as a composition of standard finite element basis functions on a local auxiliary and purely virtual grid by which we approximate the interface. In case of discontinuous coefficients, the same local auxiliary composition approach is used. Composition weights are obtained by solving local interpolation problems for which coupling conditions across the interface need to be determined. These depend both on the local interface geometry and on the (scalar or tensor-valued) material coefficients on both sides of the interface. We consider heat diffusion as a scalar model problem and linear elasticity as a vector-valued model problem to develop and implement the composite finite elements. Uniform cubic meshes contain a natural hierarchy of coarsened grids, which allows us to implement a multigrid solver for the case of complicated domains. Besides simulations of single loading cases, we also apply the composite finite element method to the problem of determining effective material properties, e.g. for multiscale simulations. For periodic microstructures, this is achieved by solving corrector problems on the fundamental cells using affine-periodic boundary conditions corresponding to uniaxial compression and shearing. For statistically periodic trabecular structures, representative fundamental cells can be identified but do not permit the periodic approach. Instead, macroscopic displacements are imposed using the same set as before of affine-periodic Dirichlet boundary conditions on all faces. The stress response of the material is subsequently computed only on an interior subdomain to prevent artificial stiffening near the boundary. We finally check for orthotropy of the macroscopic elasticity tensor and identify its axes.Zusammengesetzte finite Elemente für trabekuläre Mikrostrukturen in Knochen In vielen medizinischen und technischen Anwendungen werden numerische Simulationen für Objekte mit geometrisch komplizierter Form durchgeführt. Gegenstand dieser Dissertation ist die Simulation der Elastizität trabekulärer Mikrostrukturen von Knochen, einem biomechanischen Problem. Ziel ist es, ein effizientes Simulationswerkzeug für solche Strukturen zu entwickeln, die sogenannten zusammengesetzten finiten Elemente. Wir betrachten dabei sowohl den Fall von Interfaces zwischen Material und Hohlraum (komplizierte Gebiete) als auch zwischen verschiedenen Materialien (unstetige Koeffizienten). In klassischen Finite-Element-Simulationen wird geometrische Komplexität typischerweise in unstrukturierten Tetraeder-Gittern kodiert. Zusammengesetzte finite Elemente dagegen kodieren geometrische Komplexität in speziellen Basisfunktionen auf einem gleichförmigen Würfelgitter. Anders als alternative Ansätze (wie zum Beispiel fictitious domain methods, generalized finite element methods, immersed interface methods, partition of unity methods, unfitted meshes und extended finite element methods) sind die zusammengesetzten finiten Elemente zugeschnitten auf die Geometriebeschreibung durch dreidimensionale Bilddaten und benutzen das zugehörige Voxelgitter als Rechengitter, ohne zusätzliche Freiheitsgrade einzuführen. Somit können sie effiziente Datenstrukturen für gleichförmig strukturierte Gitter ausnutzen. Die Methode der zusammengesetzten finiten Elemente geht zurück auf Wolfgang Hackbusch und Stefan Sauter. Man schränkt dabei übliche affine Finite-Element-Basisfunktionen auf gleichförmig strukturierten Tetraedergittern (die man durch Unterteilung jedes Würfels in sechs Tetraeder erhält) auf das approximierte Innere ein. Dies kann implementiert werden durch das Zusammensetzen von Standard-Basisfunktionen auf einem lokalen und rein virtuellen Hilfsgitter, durch das das Interface approximiert wird. Im Falle unstetiger Koeffizienten wird die gleiche lokale Hilfskonstruktion verwendet. Gewichte für das Zusammensetzen erhält man hier, indem lokale Interpolationsprobleme gelöst werden, wozu zunächst Kopplungsbedingungen über das Interface hinweg bestimmt werden. Diese hängen ab sowohl von der lokalen Geometrie des Interface als auch von den (skalaren oder tensorwertigen) Material-Koeffizienten auf beiden Seiten des Interface. Wir betrachten Wärmeleitung als skalares und lineare Elastizität als vektorwertiges Modellproblem, um die zusammengesetzten finiten Elemente zu entwickeln und zu implementieren. Gleichförmige Würfelgitter enthalten eine natürliche Hierarchie vergröberter Gitter, was es uns erlaubt, im Falle komplizierter Gebiete einen Mehrgitterlöser zu implementieren. Neben Simulationen einzelner Lastfälle wenden wir die zusammengesetzten finiten Elemente auch auf das Problem an, effektive Materialeigenschaften zu bestimmen, etwa für mehrskalige Simulationen. Für periodische Mikrostrukturen wird dies erreicht, indem man Korrekturprobleme auf der Fundamentalzelle löst. Dafür nutzt man affin-periodische Randwerte, die zu uniaxialem Druck oder zu Scherung korrespondieren. In statistisch periodischen trabekulären Mikrostrukturen lassen sich ebenfalls Fundamentalzellen identifizieren, sie erlauben jedoch keinen periodischen Ansatz. Stattdessen werden makroskopische Verschiebungen zu denselben affin-periodischen Randbedingungen vorgegeben, allerdings durch Dirichlet-Randwerte auf allen Seitenflächen. Die Spannungsantwort des Materials wird anschließend nur auf einem inneren Teilbereich berechnet, um künstliche Versteifung am Rand zu verhindern. Schließlich prüfen wir den makroskopischen Elastizitätstensor auf Orthotropie und identifizieren deren Achsen

Grid-based procedures for the mechanical analysis of heterogeneous solids

The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.Die wichtige Bedeutung moderner Simulationsverfahren in der mechanischen Analyse heterogener Festkörper wird eingangs ausführlich dargestellt. Dabei wird als Problem festgestellt, dass die erforderliche hochauflösende Analyse bereits für relativ kleine Körper an die Grenzen heutiger Rechenleistung stößt, sowohl bezüglich Speicherbedarf als auch akzeptablen Rechenaufwands. Ein weiteres Problem stellt die häufig unzureichend genaue geometrische Modellierung der Zusammensetzung heterogener Körper dar. Die vorliegende Arbeit führt eine systematische Kombination und Anpassung von gitterbasierten Methoden ein, um dadurch eine wesentlich höhere Auflösung in der numerischen Analyse heterogener Körper zu erzielen. Gitterverfahren eignen sich ebenfalls ausgezeichnet, um effiziente und numerisch stabile Algorithmen zur flexiblen geometrischen Modellierung zu entwickeln. Ein Schlüsselaspekt stellt ein gleichmäßiges Datenmanagement für Gitter dar, welches dafür eingesetzt werden kann, um den Aufwand und die Komplexität von nahezu allen beteiligten Methoden zu reduzieren. Ein neues Finite-Elemente Programm, namens Mulgrido, wurde eigens dafür entwickelt, um das vorgeschlagene Konzept konsistent zu realisieren und zu untersuchen. Einige Nachteile, die sich klassischerweise aus Gitterdiskretisierungen ergeben, werden gezielt durch modifizierte Verfahren korrigiert. Die gegenwärtige Arbeit gliedert sich in ein geometrisches Modell, ein mechanisches Modell und ein numerisches Modell. Das geometrische Modell beinhaltet neben Methoden der digitalen Bildverarbeitung, insbesondere sämtliche Verfahren zur künstlichen Generierung von Einschluss-Matrix Geometrien. Wesentliche Beiträge werden bezüglich variabler Form, Größenverteilung, Überschneidungsabfragen und Platzierung von Einschlüssen geleistet. Das mechanische Modell bereitet durch Grundlagen der Kontinuumsmechanik, der Homogenisierung und der Schädigungsmodellierung auf eine numerische Umsetzung vor. Als erstes Thema des numerischen Modells wird eine besondere Umsetzung von B-Spline Finiten Elementen vorgestellt. Diese Finite Elemente können generisch für eine beliebige Ordnung k der B-Splines erzeugt werden. Für homogene Körper verfügen diese somit über beliebig skalierbare Approximationseigenschaften. Mittels des Konzepts mehrphasiger Finite Elemente in Kombination mit Übergangszonen entlang von Materialgrenzen gelingt eine hochwertige Erweiterung für heterogene Körper. Durch die Formulierung auf Elementebene, kann die Speicherung der globalen Steifigkeitsmatrix und somit wesentlicher Speicherplatz eingespart werden. Dies ist möglich in Kombination mit iterativen Lösungsverfahren, die das zweite Thema des numerischen Modells darstellen. Dabei liegt der Fokus auf Mehrgitterverfahren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Anzahl der erforderlichen Operationen um ein lineares Gleichungssystem zu lösen, nur linear mit der Problemgröße ansteigt. Durch Vorkonditionierung wird für schlecht konditionierte Probleme eine ganz wesentliche Verbesserung erreicht. Als drittes Thema des numerischen Modells werden Aspekte der Schädigungssimulation diskutiert, die in engem Zusammenhang mit der Gitterdiskretisierung stehen. Die hohe Effizienz der linearen Analyse kann durch ein schädigungskontrolliertes, schrittweise lineares Iterationsschema für die Schädigungsanalyse aufrecht erhalten werden. Abschließend wird eine Studie über das effektive Materialverhalten heterogener Körper vorgestellt. Insbesondere wird der Einfluss der Form von Einschlüssen untersucht. Mittels insgesamt weit über hunderttausend zufälliger geometrischer Anordnungen wird das effektive Materialverhalten statistisch analysiert und bewertet