Perfectly matched layers for time-harmonic elastodynamics of unbounded domains: theory and finite-element implementation

完全匹配层 笛卡尔坐标系 数学分析 有限元法 有界函数 数学 几何学 谐波 平面(几何) 平面波 边值问题 经典力学 物理 光学 声学 热力学
作者
Ushnish Basu,Anil K. Chopra
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier]
卷期号:192 (11-12): 1337-1375 被引量:327
标识
DOI:10.1016/s0045-7825(02)00642-4
摘要

One approach to the numerical solution of a wave equation on an unbounded domain uses a bounded domain surrounded by an absorbing boundary or layer that absorbs waves propagating outwards from the bounded domain. A perfectly matched layer (PML) is an unphysical absorbing layer model for linear wave equations that absorbs, almost perfectly, outgoing waves of all non-tangential angles-of-incidence and of all non-zero frequencies. This paper develops the PML concept for time-harmonic elastodynamics in Cartesian coordinates, utilising insights obtained with electromagnetics PMLs, and presents a novel displacement-based, symmetric finite-element implementation of the PML for time-harmonic plane-strain or three-dimensional motion. The PML concept is illustrated through the example of a one-dimensional rod on elastic foundation and through the anti-plane motion of a two-dimensional continuum. The concept is explored in detail through analytical and numerical results from a PML model of the semi-infinite rod on elastic foundation, and through numerical results for the anti-plane motion of a semi-infinite layer on a rigid base. Numerical results are presented for the classical soil–structure interaction problems of a rigid strip-footing on a (i) half-plane, (ii) layer on a half-plane, and (iii) layer on a rigid base. The analytical and numerical results obtained for these canonical problems demonstrate the high accuracy achievable by PML models even with small bounded domains.

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