/* ---------------------------------------------------------------------
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 * Copyright (C) 2010 - 2020 by the deal.II authors and
 *                              & Jean-Paul Pelteret and Andrew McBride
 *
 * This file is part of the deal.II library.
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 * The deal.II library is free software; you can use it, redistribute
 * it, and/or modify it under the terms of the GNU Lesser General
 * Public License as published by the Free Software Foundation; either
 * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
 * The full text of the license can be found in the file LICENSE.md at
 * the top level directory of deal.II.
 *
 * ---------------------------------------------------------------------
 *
 * Authors: Jean-Paul Pelteret, University of Cape Town,
 *          Andrew McBride, University of Erlangen-Nuremberg, 2010
 */

// 我们首先包括所有必要的deal.II头文件和一些C++相关的文件。它们已经在以前的教程程序中详细讨论过了，所以你只需要参考过去的教程就可以了。

#include <deal.II/base/function.h>
#include <deal.II/base/parameter_handler.h>
#include <deal.II/base/point.h>
#include <deal.II/base/quadrature_lib.h>
#include <deal.II/base/symmetric_tensor.h>
#include <deal.II/base/tensor.h>
#include <deal.II/base/timer.h>
#include <deal.II/base/work_stream.h>
#include <deal.II/dofs/dof_renumbering.h>
#include <deal.II/dofs/dof_tools.h>

// 这个标头为我们提供了在正交点存储数据的功能

#include <deal.II/base/quadrature_point_data.h>

#include <deal.II/grid/grid_generator.h>
#include <deal.II/grid/grid_tools.h>
#include <deal.II/grid/grid_in.h>
#include <deal.II/grid/tria.h>

#include <deal.II/fe/fe_dgp_monomial.h>
#include <deal.II/fe/fe_q.h>
#include <deal.II/fe/fe_system.h>
#include <deal.II/fe/fe_tools.h>
#include <deal.II/fe/fe_values.h>
#include <deal.II/fe/mapping_q_eulerian.h>

#include <deal.II/lac/block_sparse_matrix.h>
#include <deal.II/lac/block_vector.h>
#include <deal.II/lac/dynamic_sparsity_pattern.h>
#include <deal.II/lac/full_matrix.h>
#include <deal.II/lac/precondition_selector.h>
#include <deal.II/lac/solver_cg.h>
#include <deal.II/lac/solver_selector.h>
#include <deal.II/lac/sparse_direct.h>
#include <deal.II/lac/affine_constraints.h>

// 这里是使用LinearOperator类所需的头文件。这些头文件也都被方便地打包到一个头文件中，即<deal.II/lac/linear_operator_tools.h>，但为了透明起见，我们在此列出那些特别需要的头文件。

#include <deal.II/lac/linear_operator.h>
#include <deal.II/lac/packaged_operation.h>

#include <deal.II/numerics/data_out.h>
#include <deal.II/numerics/vector_tools.h>

// 在这两个标题中定义的是一些与有限应变弹性有关的操作。第一个将帮助我们计算一些运动量，第二个提供一些标准的张量定义。

#include <deal.II/physics/elasticity/kinematics.h>
#include <deal.II/physics/elasticity/standard_tensors.h>

#include <iostream>
#include <fstream>

// 然后，我们将所有与本教程程序有关的东西都放入一个自己的命名空间，并将所有deal.II的函数和类名导入其中。

namespace Step44
{
  using namespace dealii;
// @sect3{Run-time parameters}

// 有几个参数可以在代码中设置，所以我们设置了一个ParameterHandler对象，在运行时读入选择。

  namespace Parameters
  {
// @sect4{Finite Element system}

// 正如介绍中提到的，对于位移 $\mathbf{u}$ 应该使用不同的阶次插值，而不是压力 $\widetilde{p}$ 和膨胀 $\widetilde{J}$ 。 选择 $\widetilde{p}$ 和 $\widetilde{J}$ 作为元素级的不连续（常数）函数，导致了平均扩张方法。不连续的近似允许 $\widetilde{p}$ 和 $\widetilde{J}$ 被浓缩出来，并恢复了基于位移的经典方法。这里我们指定用于近似解的多项式阶数。正交阶数应作相应调整。

    struct FESystem
    {
      unsigned int poly_degree;
      unsigned int quad_order;

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    void FESystem::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Finite element system");
      {
        prm.declare_entry("Polynomial degree",
                          "2",
                          Patterns::Integer(0),
                          "Displacement system polynomial order");

        prm.declare_entry("Quadrature order",
                          "3",
                          Patterns::Integer(0),
                          "Gauss quadrature order");
      }
      prm.leave_subsection();
    }

    void FESystem::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Finite element system");
      {
        poly_degree = prm.get_integer("Polynomial degree");
        quad_order  = prm.get_integer("Quadrature order");
      }
      prm.leave_subsection();
    }
// @sect4{Geometry}

// 对问题的几何形状和应用的载荷进行调整。 由于这里模拟的问题比较特殊，所以可以将载荷比例改变为特定的数值，以便与文献中给出的结果进行比较。

    struct Geometry
    {
      unsigned int global_refinement;
      double       scale;
      double       p_p0;

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    void Geometry::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Geometry");
      {
        prm.declare_entry("Global refinement",
                          "2",
                          Patterns::Integer(0),
                          "Global refinement level");

        prm.declare_entry("Grid scale",
                          "1e-3",
                          Patterns::Double(0.0),
                          "Global grid scaling factor");

        prm.declare_entry("Pressure ratio p/p0",
                          "100",
                          Patterns::Selection("20|40|60|80|100"),
                          "Ratio of applied pressure to reference pressure");
      }
      prm.leave_subsection();
    }

    void Geometry::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Geometry");
      {
        global_refinement = prm.get_integer("Global refinement");
        scale             = prm.get_double("Grid scale");
        p_p0              = prm.get_double("Pressure ratio p/p0");
      }
      prm.leave_subsection();
    }
// @sect4{Materials}

// 我们还需要新胡克材料的剪切模量 $ \mu $ 和泊松率 $ \nu $ 。

    struct Materials
    {
      double nu;
      double mu;

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    void Materials::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Material properties");
      {
        prm.declare_entry("Poisson's ratio",
                          "0.4999",
                          Patterns::Double(-1.0, 0.5),
                          "Poisson's ratio");

        prm.declare_entry("Shear modulus",
                          "80.194e6",
                          Patterns::Double(),
                          "Shear modulus");
      }
      prm.leave_subsection();
    }

    void Materials::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Material properties");
      {
        nu = prm.get_double("Poisson's ratio");
        mu = prm.get_double("Shear modulus");
      }
      prm.leave_subsection();
    }
// @sect4{Linear solver}

// 接下来，我们选择求解器和预处理器的设置。 当牛顿增量中出现大的非线性运动时，使用有效的前置条件对于确保收敛性至关重要。

    struct LinearSolver
    {
      std::string type_lin;
      double      tol_lin;
      double      max_iterations_lin;
      bool        use_static_condensation;
      std::string preconditioner_type;
      double      preconditioner_relaxation;

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    void LinearSolver::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Linear solver");
      {
        prm.declare_entry("Solver type",
                          "CG",
                          Patterns::Selection("CG|Direct"),
                          "Type of solver used to solve the linear system");

        prm.declare_entry("Residual",
                          "1e-6",
                          Patterns::Double(0.0),
                          "Linear solver residual (scaled by residual norm)");

        prm.declare_entry(
          "Max iteration multiplier",
          "1",
          Patterns::Double(0.0),
          "Linear solver iterations (multiples of the system matrix size)");

        prm.declare_entry("Use static condensation",
                          "true",
                          Patterns::Bool(),
                          "Solve the full block system or a reduced problem");

        prm.declare_entry("Preconditioner type",
                          "ssor",
                          Patterns::Selection("jacobi|ssor"),
                          "Type of preconditioner");

        prm.declare_entry("Preconditioner relaxation",
                          "0.65",
                          Patterns::Double(0.0),
                          "Preconditioner relaxation value");
      }
      prm.leave_subsection();
    }

    void LinearSolver::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Linear solver");
      {
        type_lin                  = prm.get("Solver type");
        tol_lin                   = prm.get_double("Residual");
        max_iterations_lin        = prm.get_double("Max iteration multiplier");
        use_static_condensation   = prm.get_bool("Use static condensation");
        preconditioner_type       = prm.get("Preconditioner type");
        preconditioner_relaxation = prm.get_double("Preconditioner relaxation");
      }
      prm.leave_subsection();
    }
// @sect4{Nonlinear solver}

// 采用牛顿-拉弗森方案来解决非线性治理方程组。 我们现在定义牛顿-拉弗森非线性求解器的公差和最大迭代次数。

    struct NonlinearSolver
    {
      unsigned int max_iterations_NR;
      double       tol_f;
      double       tol_u;

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    void NonlinearSolver::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Nonlinear solver");
      {
        prm.declare_entry("Max iterations Newton-Raphson",
                          "10",
                          Patterns::Integer(0),
                          "Number of Newton-Raphson iterations allowed");

        prm.declare_entry("Tolerance force",
                          "1.0e-9",
                          Patterns::Double(0.0),
                          "Force residual tolerance");

        prm.declare_entry("Tolerance displacement",
                          "1.0e-6",
                          Patterns::Double(0.0),
                          "Displacement error tolerance");
      }
      prm.leave_subsection();
    }

    void NonlinearSolver::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Nonlinear solver");
      {
        max_iterations_NR = prm.get_integer("Max iterations Newton-Raphson");
        tol_f             = prm.get_double("Tolerance force");
        tol_u             = prm.get_double("Tolerance displacement");
      }
      prm.leave_subsection();
    }
// @sect4{Time}

// 设置时间步长 $ \varDelta t $ 和模拟结束时间。

    struct Time
    {
      double delta_t;
      double end_time;

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    void Time::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Time");
      {
        prm.declare_entry("End time", "1", Patterns::Double(), "End time");

        prm.declare_entry("Time step size",
                          "0.1",
                          Patterns::Double(),
                          "Time step size");
      }
      prm.leave_subsection();
    }

    void Time::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      prm.enter_subsection("Time");
      {
        end_time = prm.get_double("End time");
        delta_t  = prm.get_double("Time step size");
      }
      prm.leave_subsection();
    }
// @sect4{All parameters}

// 最后，我们将上述所有的结构合并到一个容器中，这个容器可以容纳我们所有的运行时选择。

    struct AllParameters : public FESystem,
                           public Geometry,
                           public Materials,
                           public LinearSolver,
                           public NonlinearSolver,
                           public Time

    {
      AllParameters(const std::string &input_file);

      static void declare_parameters(ParameterHandler &prm);

      void parse_parameters(ParameterHandler &prm);
    };

    AllParameters::AllParameters(const std::string &input_file)
    {
      ParameterHandler prm;
      declare_parameters(prm);
      prm.parse_input(input_file);
      parse_parameters(prm);
    }

    void AllParameters::declare_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      FESystem::declare_parameters(prm);
      Geometry::declare_parameters(prm);
      Materials::declare_parameters(prm);
      LinearSolver::declare_parameters(prm);
      NonlinearSolver::declare_parameters(prm);
      Time::declare_parameters(prm);
    }

    void AllParameters::parse_parameters(ParameterHandler &prm)
    {
      FESystem::parse_parameters(prm);
      Geometry::parse_parameters(prm);
      Materials::parse_parameters(prm);
      LinearSolver::parse_parameters(prm);
      NonlinearSolver::parse_parameters(prm);
      Time::parse_parameters(prm);
    }
  } // namespace Parameters
// @sect3{Time class}

// 一个简单的类来存储时间数据。它的功能是透明的，所以没有必要讨论。为了简单起见，我们假设一个恒定的时间步长。

  class Time
  {
  public:
    Time(const double time_end, const double delta_t)
      : timestep(0)
      , time_current(0.0)
      , time_end(time_end)
      , delta_t(delta_t)
    {}

    virtual ~Time() = default;

    double current() const
    {
      return time_current;
    }
    double end() const
    {
      return time_end;
    }
    double get_delta_t() const
    {
      return delta_t;
    }
    unsigned int get_timestep() const
    {
      return timestep;
    }
    void increment()
    {
      time_current += delta_t;
      ++timestep;
    }

  private:
    unsigned int timestep;
    double       time_current;
    const double time_end;
    const double delta_t;
  };
// @sect3{Compressible neo-Hookean material within a three-field formulation}

// 正如介绍中所讨论的，新胡克材料是一种超弹性材料。 整个领域被假定为由可压缩的新胡克材料组成。 这个类别定义了这种材料在三场公式中的行为。 可压缩的新胡克材料可以用应变能量函数（SEF）来描述  $ \Psi = \Psi_{\text{iso}}(\overline{\mathbf{b}}) + \Psi_{\text{vol}}(\widetilde{J})$

// 等效响应由 $ \Psi_{\text{iso}}(\overline{\mathbf{b}}) = c_{1} [\overline{I}_{1} - 3] $ 给出，其中 $ c_{1} = \frac{\mu}{2} $ 和 $\overline{I}_{1}$ 是左或右等效Cauchy-Green变形张量的第一不变量。这就是 $\overline{I}_1 \dealcoloneq \textrm{tr}(\overline{\mathbf{b}})$  。在这个例子中，支配体积响应的SEF被定义为 $ \Psi_{\text{vol}}(\widetilde{J}) = \kappa \frac{1}{4} [ \widetilde{J}^2 - 1 - 2\textrm{ln}\; \widetilde{J} ]$  ，其中 $\kappa \dealcoloneq \lambda + 2/3 \mu$  是bulk modulus， $\lambda$ 是Lamé's first parameter。

// 下面的类将被用来描述我们工作中的材料特征，并提供了一个中心点，如果要实现不同的材料模型，就需要对其进行修改。为了使其发挥作用，我们将在每个正交点存储一个这种类型的对象，并在每个对象中存储当前状态（由三个场的值或度量来表征），这样我们就可以围绕当前状态计算出线性化的弹性系数。

  template <int dim>
  class Material_Compressible_Neo_Hook_Three_Field
  {
  public:
    Material_Compressible_Neo_Hook_Three_Field(const double mu, const double nu)
      : kappa((2.0 * mu * (1.0 + nu)) / (3.0 * (1.0 - 2.0 * nu)))
      , c_1(mu / 2.0)
      , det_F(1.0)
      , p_tilde(0.0)
      , J_tilde(1.0)
      , b_bar(Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::I)
    {
      Assert(kappa > 0, ExcInternalError());
    }

// 我们用基于  $F$  和压力  $\widetilde{p}$  以及膨胀  $\widetilde{J}$  的各种变形相关数据来更新材料模型，并在函数的最后包括一个内部一致性的物理检查。

    void update_material_data(const Tensor<2, dim> &F,
                              const double          p_tilde_in,
                              const double          J_tilde_in)
    {
      det_F                      = determinant(F);
      const Tensor<2, dim> F_bar = Physics::Elasticity::Kinematics::F_iso(F);
      b_bar                      = Physics::Elasticity::Kinematics::b(F_bar);
      p_tilde                    = p_tilde_in;
      J_tilde                    = J_tilde_in;

      Assert(det_F > 0, ExcInternalError());
    }

// 第二个函数决定了基尔霍夫应力  $\boldsymbol{\tau} = \boldsymbol{\tau}_{\textrm{iso}} + \boldsymbol{\tau}_{\textrm{vol}}$  。
    SymmetricTensor<2, dim> get_tau()
    {
      return get_tau_iso() + get_tau_vol();
    }

// 空间设置中的四阶弹性张量 $\mathfrak{c}$ 由SEF $\Psi$ 计算为 $ J \mathfrak{c}_{ijkl} = F_{iA} F_{jB} \mathfrak{C}_{ABCD} F_{kC} F_{lD}$  其中 $ \mathfrak{C} = 4 \frac{\partial^2 \Psi(\mathbf{C})}{\partial \mathbf{C} \partial \mathbf{C}}$
    SymmetricTensor<4, dim> get_Jc() const
    {
      return get_Jc_vol() + get_Jc_iso();
    }

// 体积自由能相对于  $\widetilde{J}$  的导数，返回  $\frac{\partial \Psi_{\text{vol}}(\widetilde{J})}{\partial \widetilde{J}}$  。
    double get_dPsi_vol_dJ() const
    {
      return (kappa / 2.0) * (J_tilde - 1.0 / J_tilde);
    }

// 体积自由能的二次导数，相对于  $\widetilde{J}$  。我们需要在切线中明确地进行以下计算，所以我们将其公开。 我们计算出  $\frac{\partial^2 \Psi_{\textrm{vol}}(\widetilde{J})}{\partial \widetilde{J} \partial \widetilde{J}}$  。
    double get_d2Psi_vol_dJ2() const
    {
      return ((kappa / 2.0) * (1.0 + 1.0 / (J_tilde * J_tilde)));
    }

// 接下来的几个函数会返回各种数据，我们选择将其与材料一起存储。

    double get_det_F() const
    {
      return det_F;
    }

    double get_p_tilde() const
    {
      return p_tilde;
    }

    double get_J_tilde() const
    {
      return J_tilde;
    }

  protected:

// 定义构成模型参数  $\kappa$  （体积模量）和新胡克模型参数  $c_1$  。

    const double kappa;
    const double c_1;

// 模型的具体数据，方便与材料一起存储。

    double                  det_F;
    double                  p_tilde;
    double                  J_tilde;
    SymmetricTensor<2, dim> b_bar;

// 以下函数在内部用于确定上述一些公共函数的结果。第一个函数决定了体积基尔霍夫应力  $\boldsymbol{\tau}_{\textrm{vol}}$  。

    SymmetricTensor<2, dim> get_tau_vol() const
    {
      return p_tilde * det_F * Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::I;
    }

// 接下来，确定等效基尔霍夫应力  $\boldsymbol{\tau}_{\textrm{iso}} = \mathcal{P}:\overline{\boldsymbol{\tau}}$  。

    SymmetricTensor<2, dim> get_tau_iso() const
    {
      return Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::dev_P * get_tau_bar();
    }

// 然后，确定虚构的基尔霍夫应力  $\overline{\boldsymbol{\tau}}$  。

    SymmetricTensor<2, dim> get_tau_bar() const
    {
      return 2.0 * c_1 * b_bar;
    }

// 计算切线的体积部分  $J \mathfrak{c}_\textrm{vol}$  。

    SymmetricTensor<4, dim> get_Jc_vol() const
    {
      return p_tilde * det_F *
             (Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::IxI -
              (2.0 * Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::S));
    }

// 计算切线的等值部分  $J \mathfrak{c}_\textrm{iso}$  。

    SymmetricTensor<4, dim> get_Jc_iso() const
    {
      const SymmetricTensor<2, dim> tau_bar = get_tau_bar();
      const SymmetricTensor<2, dim> tau_iso = get_tau_iso();
      const SymmetricTensor<4, dim> tau_iso_x_I =
        outer_product(tau_iso, Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::I);
      const SymmetricTensor<4, dim> I_x_tau_iso =
        outer_product(Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::I, tau_iso);
      const SymmetricTensor<4, dim> c_bar = get_c_bar();

      return (2.0 / dim) * trace(tau_bar) *
               Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::dev_P -
             (2.0 / dim) * (tau_iso_x_I + I_x_tau_iso) +
             Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::dev_P * c_bar *
               Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::dev_P;
    }

// 计算虚构的弹性张量  $\overline{\mathfrak{c}}$  。对于所选择的材料模型，这只是零。

    SymmetricTensor<4, dim> get_c_bar() const
    {
      return SymmetricTensor<4, dim>();
    }
  };
// @sect3{Quadrature point history}

// 正如在 step-18 中所看到的，  PointHistory  类提供了一种在正交点存储数据的方法。 这里每个正交点都持有一个指向材料描述的指针。 因此，不同的材料模型可以用在域的不同区域。 在其他数据中，我们选择为正交点存储Kirchhoff应力 $\boldsymbol{\tau}$ 和正切 $J\mathfrak{c}$ 。

  template <int dim>
  class PointHistory
  {
  public:
    PointHistory()
      : F_inv(Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::I)
      , tau(SymmetricTensor<2, dim>())
      , d2Psi_vol_dJ2(0.0)
      , dPsi_vol_dJ(0.0)
      , Jc(SymmetricTensor<4, dim>())
    {}

    virtual ~PointHistory() = default;

// 第一个函数用于创建一个材料对象并正确初始化所有的张量。第二个函数根据当前的变形量 $\textrm{Grad}\mathbf{u}_{\textrm{n}}$ 、压力 $\widetilde{p}$ 和扩张 $\widetilde{J}$ 场值更新存储的数值和应力。

    void setup_lqp(const Parameters::AllParameters &parameters)
    {
      material =
        std::make_shared<Material_Compressible_Neo_Hook_Three_Field<dim>>(
          parameters.mu, parameters.nu);
      update_values(Tensor<2, dim>(), 0.0, 1.0);
    }

// 为此，我们从位移梯度 $\textrm{Grad}\ \mathbf{u}$ 中计算出变形梯度 $\mathbf{F}$  ，即 $\mathbf{F}(\mathbf{u}) = \mathbf{I} + \textrm{Grad}\ \mathbf{u}$ ，然后让与这个正交点相关的材料模型进行自我更新。当计算变形梯度时，我们必须注意与哪些数据类型进行比较 $\mathbf{I} + \textrm{Grad}\ \mathbf{u}$ ：由于 $I$ 有数据类型SymmetricTensor，只要写 I + Grad_u_n 就可以将第二个参数转换为对称张量，进行求和，然后将结果投给Tensor（即可能是非对称张量的类型）。然而，由于 Grad_u_n 在一般情况下是非对称的，转换为SymmetricTensor将会失败。我们可以通过先将 $I$ 转换为Tensor，然后像在非对称张量之间一样执行加法，来避免这种来回折腾。

    void update_values(const Tensor<2, dim> &Grad_u_n,
                       const double          p_tilde,
                       const double          J_tilde)
    {
      const Tensor<2, dim> F = Physics::Elasticity::Kinematics::F(Grad_u_n);
      material->update_material_data(F, p_tilde, J_tilde);

// 材料已经更新，所以我们现在计算基尔霍夫应力 $\mathbf{\tau}$ ，切线 $J\mathfrak{c}$ 和体积自由能的一、二次导数。

// 我们还存储了变形梯度的逆值，因为我们经常使用它。

      F_inv         = invert(F);
      tau           = material->get_tau();
      Jc            = material->get_Jc();
      dPsi_vol_dJ   = material->get_dPsi_vol_dJ();
      d2Psi_vol_dJ2 = material->get_d2Psi_vol_dJ2();
    }

// 我们提供一个接口来检索某些数据。 下面是运动学变量。

    double get_J_tilde() const
    {
      return material->get_J_tilde();
    }

    double get_det_F() const
    {
      return material->get_det_F();
    }

    const Tensor<2, dim> &get_F_inv() const
    {
      return F_inv;
    }

// ...和动能变量。 这些在材料和全局切线矩阵以及残余装配操作中使用。

    double get_p_tilde() const
    {
      return material->get_p_tilde();
    }

    const SymmetricTensor<2, dim> &get_tau() const
    {
      return tau;
    }

    double get_dPsi_vol_dJ() const
    {
      return dPsi_vol_dJ;
    }

    double get_d2Psi_vol_dJ2() const
    {
      return d2Psi_vol_dJ2;
    }

// 最后是切线。

    const SymmetricTensor<4, dim> &get_Jc() const
    {
      return Jc;
    }

// 在成员函数方面，这个类为它所代表的正交点存储了一个材料类型的副本，以备在域的不同区域使用不同的材料，以及变形梯度的逆值...

  private:
    std::shared_ptr<Material_Compressible_Neo_Hook_Three_Field<dim>> material;

    Tensor<2, dim> F_inv;

// ...... 和应力型变量以及切线  $J\mathfrak{c}$  。

    SymmetricTensor<2, dim> tau;
    double                  d2Psi_vol_dJ2;
    double                  dPsi_vol_dJ;

    SymmetricTensor<4, dim> Jc;
  };
// @sect3{Quasi-static quasi-incompressible finite-strain solid}

// Solid类是中心类，它代表了手头的问题。它遵循通常的方案，即它真正拥有的是一个构造函数、解构函数和一个 run() 函数，该函数将所有的工作分派给这个类的私有函数。

  template <int dim>
  class Solid
  {
  public:
    Solid(const std::string &input_file);

    void run();

  private:

// 在这个类的私有部分，我们首先向前声明一些对象，这些对象在使用WorkStream对象进行并行工作时使用（关于这方面的更多信息，请参见 @ref threads 模块）。

// 我们声明这样的结构，用于正切（刚度）矩阵和右手边矢量的计算，静态冷凝，以及更新正交点。

    struct PerTaskData_ASM;
    struct ScratchData_ASM;

    struct PerTaskData_SC;
    struct ScratchData_SC;

    struct PerTaskData_UQPH;
    struct ScratchData_UQPH;

// 我们从一个建立网格的成员函数开始收集。

    void make_grid();

// 设置要解决的有限元系统。

    void system_setup();

    void determine_component_extractors();

// 为增量位移场创建Dirichlet约束。

    void make_constraints(const int it_nr);

// 使用多线程的几个函数来组装系统和右手边的矩阵。它们中的每一个都是包装函数，一个是在WorkStream模型中对一个单元进行工作的执行函数，另一个是将对这一个单元的工作复制到代表它的全局对象中。

    void assemble_system();

    void assemble_system_one_cell(
      const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
      ScratchData_ASM &                                     scratch,
      PerTaskData_ASM &                                     data) const;

// 还有类似的，执行全局静态冷凝。

    void assemble_sc();

    void assemble_sc_one_cell(
      const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
      ScratchData_SC &                                      scratch,
      PerTaskData_SC &                                      data);

    void copy_local_to_global_sc(const PerTaskData_SC &data);

// 创建并更新正交点。在这里，没有数据需要被复制到全局对象中，所以copy_local_to_global函数是空的。

    void setup_qph();

    void update_qph_incremental(const BlockVector<double> &solution_delta);

    void update_qph_incremental_one_cell(
      const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
      ScratchData_UQPH &                                    scratch,
      PerTaskData_UQPH &                                    data);

    void copy_local_to_global_UQPH(const PerTaskData_UQPH & /*data*/)
    {}

// 用牛顿-拉弗森方法求解位移。我们把这个函数分成非线性循环和解决线性化的Newton-Raphson步骤的函数。

    void solve_nonlinear_timestep(BlockVector<double> &solution_delta);

    std::pair<unsigned int, double>
    solve_linear_system(BlockVector<double> &newton_update);

// 检索解决方案，以及后期处理和将数据写入文件。

    BlockVector<double>
    get_total_solution(const BlockVector<double> &solution_delta) const;

    void output_results() const;

// 最后是一些描述当前状态的成员变量。一个用于描述问题设置的参数集合...

    Parameters::AllParameters parameters;

// ...参考配置的体积...

    double vol_reference;

// ......以及对解决问题的几何形状的描述。

    Triangulation<dim> triangulation;

// 同时，记录当前时间和评估某些函数的时间

    Time                time;
    mutable TimerOutput timer;

// 一个存储正交点信息的对象。与 step-18 不同，这里采用了deal.II的本地正交点数据管理器。

    CellDataStorage<typename Triangulation<dim>::cell_iterator,
                    PointHistory<dim>>
      quadrature_point_history;

// 对有限元系统的描述，包括位移多项式程度、自由度处理程序、每个单元的DoF数量以及用于从解向量中检索信息的提取器对象。

    const unsigned int               degree;
    const FESystem<dim>              fe;
    DoFHandler<dim>                  dof_handler;
    const unsigned int               dofs_per_cell;
    const FEValuesExtractors::Vector u_fe;
    const FEValuesExtractors::Scalar p_fe;
    const FEValuesExtractors::Scalar J_fe;

// 说明块系统是如何安排的。有3个块，第一个包含一个矢量DOF  $\mathbf{u}$  ，而另外两个描述标量DOF， $\widetilde{p}$  和  $\widetilde{J}$  。

    static const unsigned int n_blocks          = 3;
    static const unsigned int n_components      = dim + 2;
    static const unsigned int first_u_component = 0;
    static const unsigned int p_component       = dim;
    static const unsigned int J_component       = dim + 1;

    enum
    {
      u_dof = 0,
      p_dof = 1,
      J_dof = 2
    };

    std::vector<types::global_dof_index> dofs_per_block;
    std::vector<types::global_dof_index> element_indices_u;
    std::vector<types::global_dof_index> element_indices_p;
    std::vector<types::global_dof_index> element_indices_J;

//单元和面的高斯正交规则。单元和面的正交点的数量被记录下来。

    const QGauss<dim>     qf_cell;
    const QGauss<dim - 1> qf_face;
    const unsigned int    n_q_points;
    const unsigned int    n_q_points_f;

// 用于存储收敛的解和右手边向量以及切线矩阵的对象。有一个AffineConstraints对象，用于跟踪约束条件。 我们利用了为块状系统设计的稀疏性模式。

    AffineConstraints<double> constraints;
    BlockSparsityPattern      sparsity_pattern;
    BlockSparseMatrix<double> tangent_matrix;
    BlockVector<double>       system_rhs;
    BlockVector<double>       solution_n;
//然后
//定义一些变量来存储规范，并更新规范和归一化系数。

    struct Errors
    {
      Errors()
        : norm(1.0)
        , u(1.0)
        , p(1.0)
        , J(1.0)
      {}

      void reset()
      {
        norm = 1.0;
        u    = 1.0;
        p    = 1.0;
        J    = 1.0;
      }
      void normalize(const Errors &rhs)
      {
        if (rhs.norm != 0.0)
          norm /= rhs.norm;
        if (rhs.u != 0.0)
          u /= rhs.u;
        if (rhs.p != 0.0)
          p /= rhs.p;
        if (rhs.J != 0.0)
          J /= rhs.J;
      }

      double norm, u, p, J;
    };

    Errors error_residual, error_residual_0, error_residual_norm, error_update,
      error_update_0, error_update_norm;

// 计算误差措施的方法

    void get_error_residual(Errors &error_residual);

    void get_error_update(const BlockVector<double> &newton_update,
                          Errors &                   error_update);

    std::pair<double, double> get_error_dilation() const;

// 计算空间配置中的体积

    double compute_vol_current() const;

// 以悦目的方式向屏幕打印信息...

    static void print_conv_header();

    void print_conv_footer();
  };
// @sect3{Implementation of the Solid class}
// @sect4{Public interface}

// 我们使用从参数文件中提取的数据来初始化Solid类。

  template <int dim>
  Solid<dim>::Solid(const std::string &input_file)
    : parameters(input_file)
    , vol_reference(0.)
    , triangulation(Triangulation<dim>::maximum_smoothing)
    , time(parameters.end_time, parameters.delta_t)
    , timer(std::cout, TimerOutput::summary, TimerOutput::wall_times)
    , degree(parameters.poly_degree)
    ,

// 有限元系统是由昏暗的连续位移DOF和不连续的压力和膨胀DOF组成。为了满足Babuska-Brezzi或LBB稳定性条件（见Hughes（2000）），我们设置了一个 $Q_n \times DGPM_{n-1} \times DGPM_{n-1}$ 系统。  $Q_2 \times DGPM_1 \times DGPM_1$ 元素满足这个条件，而 $Q_1 \times DGPM_0 \times DGPM_0$ 元素不满足。然而，事实证明，后者还是表现出良好的收敛特性。

    fe(FE_Q<dim>(parameters.poly_degree),
       dim, // displacement
       FE_DGPMonomial<dim>(parameters.poly_degree - 1),
       1, // pressure
       FE_DGPMonomial<dim>(parameters.poly_degree - 1),
       1)
    , // dilatation
    dof_handler(triangulation)
    , dofs_per_cell(fe.n_dofs_per_cell())
    , u_fe(first_u_component)
    , p_fe(p_component)
    , J_fe(J_component)
    , dofs_per_block(n_blocks)
    , qf_cell(parameters.quad_order)
    , qf_face(parameters.quad_order)
    , n_q_points(qf_cell.size())
    , n_q_points_f(qf_face.size())
  {
    Assert(dim == 2 || dim == 3,
           ExcMessage("This problem only works in 2 or 3 space dimensions."));
    determine_component_extractors();
  }

// 在解决准静态问题时，时间成为一个加载参数，即我们随着时间线性增加加载量，使得这两个概念可以互换。我们选择用恒定的时间步长来线性递增时间。

// 我们从预处理开始，设置初始扩张值，然后输出初始网格，然后开始模拟，开始第一次时间（和载荷）递增。

// 在对初始解场施加约束 $\widetilde{J}=1$ 时，必须注意（或者至少要考虑一下）。该约束对应于未变形构型中变形梯度的行列式，也就是身份张量。我们使用FE_DGPMonomial基数来插值扩张场，因此我们不能简单地将相应的dof设置为unity，因为它们对应于单项式系数。因此，我们使用 VectorTools::project 函数来为我们做这项工作。 VectorTools::project 函数需要一个参数，表明悬挂节点的约束。我们在这个程序中没有 所以我们必须创建一个约束对象。在原始状态下，约束对象是没有排序的，必须先进行排序（使用 AffineConstraints::close 函数）才能使用。请看  step-21  以了解更多信息。我们只需要强制执行扩张的初始条件。为了做到这一点，我们使用ComponentSelectFunction，它作为一个掩码，将n_components的J_component设置为1。 这正是我们想要的。请看 step-20 中的用法，了解更多信息。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::run()
  {
    make_grid();
    system_setup();
    {
      AffineConstraints<double> constraints;
      constraints.close();

      const ComponentSelectFunction<dim> J_mask(J_component, n_components);

      VectorTools::project(
        dof_handler, constraints, QGauss<dim>(degree + 2), J_mask, solution_n);
    }
    output_results();
    time.increment();

// 然后我们宣布增量解决方案更新 $\varDelta \mathbf{\Xi} \dealcoloneq \{\varDelta \mathbf{u},\varDelta \widetilde{p}, \varDelta \widetilde{J} \}$ 并开始在时域上循环。

// 在开始的时候，我们重置这个时间步长的解决方案更新...

    BlockVector<double> solution_delta(dofs_per_block);
    while (time.current() < time.end())
      {
        solution_delta = 0.0;

// ...求解当前时间步长并更新总解向量  $\mathbf{\Xi}_{\textrm{n}} = \mathbf{\Xi}_{\textrm{n-1}} + \varDelta \mathbf{\Xi}$  ...

        solve_nonlinear_timestep(solution_delta);
        solution_n += solution_delta;

// ...并在快乐地进入下一个时间步骤之前绘制结果。

        output_results();
        time.increment();
      }
  }
// @sect3{Private interface}
// @sect4{Threading-building-blocks structures}

// 第一组私有成员函数与并行化有关。我们使用线程积木库（TBB）来执行尽可能多的计算密集型分布式任务。特别是，我们使用TBB组装正切矩阵和右手向量、静态凝结贡献，以及更新存储在正交点的数据。我们在这方面的主要工具是WorkStream类（更多信息见 @ref 线程模块）。

// 首先我们要处理正切矩阵和右手边的装配结构。PerTaskData对象存储了本地对全局系统的贡献。

  template <int dim>
  struct Solid<dim>::PerTaskData_ASM
  {
    FullMatrix<double>                   cell_matrix;
    Vector<double>                       cell_rhs;
    std::vector<types::global_dof_index> local_dof_indices;

    PerTaskData_ASM(const unsigned int dofs_per_cell)
      : cell_matrix(dofs_per_cell, dofs_per_cell)
      , cell_rhs(dofs_per_cell)
      , local_dof_indices(dofs_per_cell)
    {}

    void reset()
    {
      cell_matrix = 0.0;
      cell_rhs    = 0.0;
    }
  };

// 另一方面，ScratchData对象存储了较大的对象，如形状函数值数组（  Nx  ）和形状函数梯度和对称梯度向量，我们将在装配时使用。

  template <int dim>
  struct Solid<dim>::ScratchData_ASM
  {
    FEValues<dim>     fe_values;
    FEFaceValues<dim> fe_face_values;

    std::vector<std::vector<double>>                  Nx;
    std::vector<std::vector<Tensor<2, dim>>>          grad_Nx;
    std::vector<std::vector<SymmetricTensor<2, dim>>> symm_grad_Nx;

    ScratchData_ASM(const FiniteElement<dim> &fe_cell,
                    const QGauss<dim> &       qf_cell,
                    const UpdateFlags         uf_cell,
                    const QGauss<dim - 1> &   qf_face,
                    const UpdateFlags         uf_face)
      : fe_values(fe_cell, qf_cell, uf_cell)
      , fe_face_values(fe_cell, qf_face, uf_face)
      , Nx(qf_cell.size(), std::vector<double>(fe_cell.n_dofs_per_cell()))
      , grad_Nx(qf_cell.size(),
                std::vector<Tensor<2, dim>>(fe_cell.n_dofs_per_cell()))
      , symm_grad_Nx(qf_cell.size(),
                     std::vector<SymmetricTensor<2, dim>>(
                       fe_cell.n_dofs_per_cell()))
    {}

    ScratchData_ASM(const ScratchData_ASM &rhs)
      : fe_values(rhs.fe_values.get_fe(),
                  rhs.fe_values.get_quadrature(),
                  rhs.fe_values.get_update_flags())
      , fe_face_values(rhs.fe_face_values.get_fe(),
                       rhs.fe_face_values.get_quadrature(),
                       rhs.fe_face_values.get_update_flags())
      , Nx(rhs.Nx)
      , grad_Nx(rhs.grad_Nx)
      , symm_grad_Nx(rhs.symm_grad_Nx)
    {}

    void reset()
    {
      const unsigned int n_q_points      = Nx.size();
      const unsigned int n_dofs_per_cell = Nx[0].size();
      for (unsigned int q_point = 0; q_point < n_q_points; ++q_point)
        {
          Assert(Nx[q_point].size() == n_dofs_per_cell, ExcInternalError());
          Assert(grad_Nx[q_point].size() == n_dofs_per_cell,
                 ExcInternalError());
          Assert(symm_grad_Nx[q_point].size() == n_dofs_per_cell,
                 ExcInternalError());
          for (unsigned int k = 0; k < n_dofs_per_cell; ++k)
            {
              Nx[q_point][k]           = 0.0;
              grad_Nx[q_point][k]      = 0.0;
              symm_grad_Nx[q_point][k] = 0.0;
            }
        }
    }
  };

// 然后我们定义结构来组装静态凝结的切线矩阵。回顾一下，我们希望解决一个基于位移的公式。由于 $\widetilde{p}$ 和 $\widetilde{J}$ 字段在元素层面上是不连续的，所以我们在元素层面上进行缩合。 由于这些操作是基于矩阵的，我们需要设置一些矩阵来存储一些切线矩阵子块的局部贡献。 我们把这些放在PerTaskData结构中。

// 我们选择不在 reset() 函数中重置任何数据，因为矩阵提取和替换工具会处理这个问题。

  template <int dim>
  struct Solid<dim>::PerTaskData_SC
  {
    FullMatrix<double>                   cell_matrix;
    std::vector<types::global_dof_index> local_dof_indices;

    FullMatrix<double> k_orig;
    FullMatrix<double> k_pu;
    FullMatrix<double> k_pJ;
    FullMatrix<double> k_JJ;
    FullMatrix<double> k_pJ_inv;
    FullMatrix<double> k_bbar;
    FullMatrix<double> A;
    FullMatrix<double> B;
    FullMatrix<double> C;

    PerTaskData_SC(const unsigned int dofs_per_cell,
                   const unsigned int n_u,
                   const unsigned int n_p,
                   const unsigned int n_J)
      : cell_matrix(dofs_per_cell, dofs_per_cell)
      , local_dof_indices(dofs_per_cell)
      , k_orig(dofs_per_cell, dofs_per_cell)
      , k_pu(n_p, n_u)
      , k_pJ(n_p, n_J)
      , k_JJ(n_J, n_J)
      , k_pJ_inv(n_p, n_J)
      , k_bbar(n_u, n_u)
      , A(n_J, n_u)
      , B(n_J, n_u)
      , C(n_p, n_u)
    {}

    void reset()
    {}
  };

// 我们希望在这里执行的操作的ScratchData对象是空的，因为我们不需要临时数据，但它仍然需要为当前deal.II中TBB的实现而定义。 所以我们为此创建了一个假的结构。

  template <int dim>
  struct Solid<dim>::ScratchData_SC
  {
    void reset()
    {}
  };

// 最后我们定义结构以协助更新正交点信息。与SC的装配过程类似，我们不需要PerTaskData对象（因为这里没有什么可存储的），但还是必须定义一个。请注意，这是因为对于我们这里的操作--更新正交点的数据--是纯粹的局部操作：我们在每个单元上做的事情在每个单元上都会被消耗掉，没有像使用WorkStream类时通常会有的全局聚合操作。我们仍然必须定义每个任务的数据结构，这表明WorkStream类可能不适合这种操作（原则上，我们可以简单地为每个单元使用 Threads::new_task 创建一个新的任务），但无论如何这样做也没有什么坏处。此外，如果一个正交点有不同的材料模型，需要不同程度的计算费用，那么这里使用的方法可能是有利的。

  template <int dim>
  struct Solid<dim>::PerTaskData_UQPH
  {
    void reset()
    {}
  };

// ScratchData对象将被用来存储解向量的别名，这样我们就不必复制这个大的数据结构。然后我们定义一些向量来提取正交点的解值和梯度。

  template <int dim>
  struct Solid<dim>::ScratchData_UQPH
  {
    const BlockVector<double> &solution_total;

    std::vector<Tensor<2, dim>> solution_grads_u_total;
    std::vector<double>         solution_values_p_total;
    std::vector<double>         solution_values_J_total;

    FEValues<dim> fe_values;

    ScratchData_UQPH(const FiniteElement<dim> & fe_cell,
                     const QGauss<dim> &        qf_cell,
                     const UpdateFlags          uf_cell,
                     const BlockVector<double> &solution_total)
      : solution_total(solution_total)
      , solution_grads_u_total(qf_cell.size())
      , solution_values_p_total(qf_cell.size())
      , solution_values_J_total(qf_cell.size())
      , fe_values(fe_cell, qf_cell, uf_cell)
    {}

    ScratchData_UQPH(const ScratchData_UQPH &rhs)
      : solution_total(rhs.solution_total)
      , solution_grads_u_total(rhs.solution_grads_u_total)
      , solution_values_p_total(rhs.solution_values_p_total)
      , solution_values_J_total(rhs.solution_values_J_total)
      , fe_values(rhs.fe_values.get_fe(),
                  rhs.fe_values.get_quadrature(),
                  rhs.fe_values.get_update_flags())
    {}

    void reset()
    {
      const unsigned int n_q_points = solution_grads_u_total.size();
      for (unsigned int q = 0; q < n_q_points; ++q)
        {
          solution_grads_u_total[q]  = 0.0;
          solution_values_p_total[q] = 0.0;
          solution_values_J_total[q] = 0.0;
        }
    }
  };
// @sect4{Solid::make_grid}

// 进入第一个私有成员函数。在这里我们创建域的三角形，为此我们选择了按比例的立方体，每个面都有一个边界ID号。 对于缩进问题，网格必须至少被细化一次。

// 然后，我们确定参考配置的体积，并将其打印出来进行比较。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::make_grid()
  {
    GridGenerator::hyper_rectangle(
      triangulation,
      (dim == 3 ? Point<dim>(0.0, 0.0, 0.0) : Point<dim>(0.0, 0.0)),
      (dim == 3 ? Point<dim>(1.0, 1.0, 1.0) : Point<dim>(1.0, 1.0)),
      true);
    GridTools::scale(parameters.scale, triangulation);
    triangulation.refine_global(std::max(1U, parameters.global_refinement));

    vol_reference = GridTools::volume(triangulation);
    std::cout << "Grid:\n\t Reference volume: " << vol_reference << std::endl;

// 由于我们希望对顶面的一个补丁应用诺伊曼BC，我们必须找到域的这一部分的单元格面，并用一个明显的边界ID号来标记它们。 我们要找的面在+y面上，将得到边界ID 6（0到5已经在创建立方体域的六个面时使用了）。

    for (const auto &cell : triangulation.active_cell_iterators())
      for (const auto &face : cell->face_iterators())
        {
          if (face->at_boundary() == true &&
              face->center()[1] == 1.0 * parameters.scale)
            {
              if (dim == 3)
                {
                  if (face->center()[0] < 0.5 * parameters.scale &&
                      face->center()[2] < 0.5 * parameters.scale)
                    face->set_boundary_id(6);
                }
              else
                {
                  if (face->center()[0] < 0.5 * parameters.scale)
                    face->set_boundary_id(6);
                }
            }
        }
  }
// @sect4{Solid::system_setup}

// 接下来我们描述FE系统是如何设置的。 我们首先确定每块的分量数量。由于位移是一个矢量分量，所以前两个分量属于它，而后两个分量描述标量压力和扩张DOF。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::system_setup()
  {
    timer.enter_subsection("Setup system");

    std::vector<unsigned int> block_component(n_components,
                                              u_dof); // Displacement
    block_component[p_component] = p_dof;             // Pressure
    block_component[J_component] = J_dof;             // Dilatation

// 然后，DOF处理程序被初始化，我们以一种有效的方式对网格进行重新编号。我们还记录了每块DOF的数量。

    dof_handler.distribute_dofs(fe);
    DoFRenumbering::Cuthill_McKee(dof_handler);
    DoFRenumbering::component_wise(dof_handler, block_component);

    dofs_per_block =
      DoFTools::count_dofs_per_fe_block(dof_handler, block_component);

    std::cout << "Triangulation:"
              << "\n\t Number of active cells: "
              << triangulation.n_active_cells()
              << "\n\t Number of degrees of freedom: " << dof_handler.n_dofs()
              << std::endl;

// 设置稀疏模式和切线矩阵

    tangent_matrix.clear();
    {
      const types::global_dof_index n_dofs_u = dofs_per_block[u_dof];
      const types::global_dof_index n_dofs_p = dofs_per_block[p_dof];
      const types::global_dof_index n_dofs_J = dofs_per_block[J_dof];

      BlockDynamicSparsityPattern dsp(n_blocks, n_blocks);

      dsp.block(u_dof, u_dof).reinit(n_dofs_u, n_dofs_u);
      dsp.block(u_dof, p_dof).reinit(n_dofs_u, n_dofs_p);
      dsp.block(u_dof, J_dof).reinit(n_dofs_u, n_dofs_J);

      dsp.block(p_dof, u_dof).reinit(n_dofs_p, n_dofs_u);
      dsp.block(p_dof, p_dof).reinit(n_dofs_p, n_dofs_p);
      dsp.block(p_dof, J_dof).reinit(n_dofs_p, n_dofs_J);

      dsp.block(J_dof, u_dof).reinit(n_dofs_J, n_dofs_u);
      dsp.block(J_dof, p_dof).reinit(n_dofs_J, n_dofs_p);
      dsp.block(J_dof, J_dof).reinit(n_dofs_J, n_dofs_J);
      dsp.collect_sizes();

// 全局系统矩阵最初具有以下结构
// @f{align*}
//  \underbrace{\begin{bmatrix}
//    \mathsf{\mathbf{K}}_{uu}  & \mathsf{\mathbf{K}}_{u\widetilde{p}} &
//    \mathbf{0}
//    \\ \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} & \mathbf{0} &
//    \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}
//    \\ \mathbf{0} & \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}} &
//    \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
//  \end{bmatrix}}_{\mathsf{\mathbf{K}}(\mathbf{\Xi}_{\textrm{i}})}
//       \underbrace{\begin{bmatrix}
//           d \mathsf{u}
//       \\  d \widetilde{\mathsf{\mathbf{p}}}
//       \\  d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
//       \end{bmatrix}}_{d \mathbf{\Xi}}
//  =
//  \underbrace{\begin{bmatrix}
//   \mathsf{\mathbf{F}}_{u}(\mathbf{u}_{\textrm{i}})
//   \\ \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}(\widetilde{p}_{\textrm{i}})
//   \\ \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}(\widetilde{J}_{\textrm{i}})
// \end{bmatrix}}_{ \mathsf{\mathbf{F}}(\mathbf{\Xi}_{\textrm{i}}) } \, .
//  @f}
//   我们优化稀疏模式以反映这一结构，并防止为右对角块成分创建不必要的数据。

      Table<2, DoFTools::Coupling> coupling(n_components, n_components);
      for (unsigned int ii = 0; ii < n_components; ++ii)
        for (unsigned int jj = 0; jj < n_components; ++jj)
          if (((ii < p_component) && (jj == J_component)) ||
              ((ii == J_component) && (jj < p_component)) ||
              ((ii == p_component) && (jj == p_component)))
            coupling[ii][jj] = DoFTools::none;
          else
            coupling[ii][jj] = DoFTools::always;
      DoFTools::make_sparsity_pattern(
        dof_handler, coupling, dsp, constraints, false);
      sparsity_pattern.copy_from(dsp);
    }

    tangent_matrix.reinit(sparsity_pattern);

// 然后，我们设置了存储向量

    system_rhs.reinit(dofs_per_block);
    system_rhs.collect_sizes();

    solution_n.reinit(dofs_per_block);
    solution_n.collect_sizes();

// ...最后设置正交点历史。

    setup_qph();

    timer.leave_subsection();
  }
//接下来我们从FE系统中计算出一些信息，描述哪些局部元素DOF连接到哪个块组件上。 这将在后面用于从全局矩阵中提取子块。

// 本质上，我们所需要的就是让FES系统对象指出参考单元上的DOF连接到哪个块状部件上。 目前，插值域的设置是这样的：0表示位移DOF，1表示压力DOF，2表示膨胀DOF。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::determine_component_extractors()
  {
    element_indices_u.clear();
    element_indices_p.clear();
    element_indices_J.clear();

    for (unsigned int k = 0; k < fe.n_dofs_per_cell(); ++k)
      {
        const unsigned int k_group = fe.system_to_base_index(k).first.first;
        if (k_group == u_dof)
          element_indices_u.push_back(k);
        else if (k_group == p_dof)
          element_indices_p.push_back(k);
        else if (k_group == J_dof)
          element_indices_J.push_back(k);
        else
          {
            Assert(k_group <= J_dof, ExcInternalError());
          }
      }
  }
// @sect4{Solid::setup_qph}  用于存储正交信息的方法已经在  step-18  中描述。这里我们为SMP机器实现一个类似的设置。

// 首先，实际的QPH数据对象被创建。这必须在网格被细化到最细的程度后才能完成。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::setup_qph()
  {
    std::cout << "    Setting up quadrature point data..." << std::endl;

    quadrature_point_history.initialize(triangulation.begin_active(),
                                        triangulation.end(),
                                        n_q_points);

// 接下来我们设置初始正交点数据。请注意，当检索正交点数据时，它将作为一个智能指针的向量返回。

    for (const auto &cell : triangulation.active_cell_iterators())
      {
        const std::vector<std::shared_ptr<PointHistory<dim>>> lqph =
          quadrature_point_history.get_data(cell);
        Assert(lqph.size() == n_q_points, ExcInternalError());

        for (unsigned int q_point = 0; q_point < n_q_points; ++q_point)
          lqph[q_point]->setup_lqp(parameters);
      }
  }
// @sect4{Solid::update_qph_incremental}  由于QP信息的更新经常发生，并且涉及一些昂贵的操作，我们定义了一个多线程的方法，将任务分布在一些CPU核心上。

// 要开始这样做，首先我们需要获得这个牛顿增量时的总解，然后创建初始的从头开始的副本和复制数据对象。

  template <int dim>
  void
  Solid<dim>::update_qph_incremental(const BlockVector<double> &solution_delta)
  {
    timer.enter_subsection("Update QPH data");
    std::cout << " UQPH " << std::flush;

    const BlockVector<double> solution_total(
      get_total_solution(solution_delta));

    const UpdateFlags uf_UQPH(update_values | update_gradients);
    PerTaskData_UQPH  per_task_data_UQPH;
    ScratchData_UQPH  scratch_data_UQPH(fe, qf_cell, uf_UQPH, solution_total);

// 然后，我们将它们和单格更新函数传递给WorkStream进行处理。

    WorkStream::run(dof_handler.active_cell_iterators(),
                    *this,
                    &Solid::update_qph_incremental_one_cell,
                    &Solid::copy_local_to_global_UQPH,
                    scratch_data_UQPH,
                    per_task_data_UQPH);

    timer.leave_subsection();
  }

// 现在我们描述一下我们如何从解决方案向量中提取数据，并将其传递给每个QP存储对象进行处理。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::update_qph_incremental_one_cell(
    const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
    ScratchData_UQPH &                                    scratch,
    PerTaskData_UQPH & /*data*/)
  {
    const std::vector<std::shared_ptr<PointHistory<dim>>> lqph =
      quadrature_point_history.get_data(cell);
    Assert(lqph.size() == n_q_points, ExcInternalError());

    Assert(scratch.solution_grads_u_total.size() == n_q_points,
           ExcInternalError());
    Assert(scratch.solution_values_p_total.size() == n_q_points,
           ExcInternalError());
    Assert(scratch.solution_values_J_total.size() == n_q_points,
           ExcInternalError());

    scratch.reset();

// 我们首先需要找到当前单元内正交点的数值和梯度，然后利用位移梯度和总压力及扩张解数值更新每个局部QP。

    scratch.fe_values.reinit(cell);
    scratch.fe_values[u_fe].get_function_gradients(
      scratch.solution_total, scratch.solution_grads_u_total);
    scratch.fe_values[p_fe].get_function_values(
      scratch.solution_total, scratch.solution_values_p_total);
    scratch.fe_values[J_fe].get_function_values(
      scratch.solution_total, scratch.solution_values_J_total);

    for (const unsigned int q_point :
         scratch.fe_values.quadrature_point_indices())
      lqph[q_point]->update_values(scratch.solution_grads_u_total[q_point],
                                   scratch.solution_values_p_total[q_point],
                                   scratch.solution_values_J_total[q_point]);
  }
// @sect4{Solid::solve_nonlinear_timestep}

// 下一个函数是牛顿-拉弗逊方案的驱动方法。在它的顶部，我们创建一个新的向量来存储当前的牛顿更新步骤，重置错误存储对象并打印求解器头。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::solve_nonlinear_timestep(BlockVector<double> &solution_delta)
  {
    std::cout << std::endl
              << "Timestep " << time.get_timestep() << " @ " << time.current()
              << "s" << std::endl;

    BlockVector<double> newton_update(dofs_per_block);

    error_residual.reset();
    error_residual_0.reset();
    error_residual_norm.reset();
    error_update.reset();
    error_update_0.reset();
    error_update_norm.reset();

    print_conv_header();

// 我们现在进行一些牛顿迭代来迭代解决这个非线性问题。 由于问题是完全非线性的，而且我们使用的是完全牛顿方法，所以存储在切线矩阵和右手边向量中的数据是不能重复使用的，必须在每个牛顿步骤中清除。然后，我们最初建立线性系统并检查收敛性（并在第一次迭代中存储这个值）。rhs向量的无约束DOF持有失衡的力，并共同决定是否达到了平衡解。

// 尽管对于这个特定的问题，我们可以在组合系统矩阵之前构建RHS向量，但为了扩展性，我们选择不这样做。分别组装RHS向量和系统矩阵的好处是，后者是一个昂贵的操作，我们可以通过在达到收敛时不组装切线矩阵来避免一个额外的组装过程。然而，这使得使用MPI并行化代码变得更加困难。此外，当把问题扩展到瞬态情况时，由于时间离散化和对速度和加速度场的约束应用，可能会对RHS产生额外的贡献。

    unsigned int newton_iteration = 0;
    for (; newton_iteration < parameters.max_iterations_NR; ++newton_iteration)
      {
        std::cout << " " << std::setw(2) << newton_iteration << " "
                  << std::flush;

// 我们构建线性系统，但暂不求解它（这一步应该比装配要贵得多）。

        make_constraints(newton_iteration);
        assemble_system();

// 我们现在可以确定归一化剩余误差，并检查解决方案的收敛性。

        get_error_residual(error_residual);
        if (newton_iteration == 0)
          error_residual_0 = error_residual;

        error_residual_norm = error_residual;
        error_residual_norm.normalize(error_residual_0);

        if (newton_iteration > 0 && error_update_norm.u <= parameters.tol_u &&
            error_residual_norm.u <= parameters.tol_f)
          {
            std::cout << " CONVERGED! " << std::endl;
            print_conv_footer();

            break;
          }

// 如果我们决定要继续迭代，我们就解决线性化系统。

        const std::pair<unsigned int, double> lin_solver_output =
          solve_linear_system(newton_update);

// 我们现在可以确定归一化的牛顿更新误差。

        get_error_update(newton_update, error_update);
        if (newton_iteration == 0)
          error_update_0 = error_update;

        error_update_norm = error_update;
        error_update_norm.normalize(error_update_0);

// 最后，由于我们隐含地接受了求解步骤，我们可以对当前时间步骤的求解增量进行实际更新，更新与这个新位移和应力状态有关的所有正交点信息，并继续迭代。

        solution_delta += newton_update;
        update_qph_incremental(solution_delta);

        std::cout << " | " << std::fixed << std::setprecision(3) << std::setw(7)
                  << std::scientific << lin_solver_output.first << "  "
                  << lin_solver_output.second << "  "
                  << error_residual_norm.norm << "  " << error_residual_norm.u
                  << "  " << error_residual_norm.p << "  "
                  << error_residual_norm.J << "  " << error_update_norm.norm
                  << "  " << error_update_norm.u << "  " << error_update_norm.p
                  << "  " << error_update_norm.J << "  " << std::endl;
      }

// 在最后，如果发现我们事实上做了比参数文件允许的更多的迭代，我们会引发一个异常，可以在main()函数中捕获。调用AssertThrow(condition, exc_object)实质上等同于if (!cond) throw exc_object;，但前一种形式在异常对象中填充了某些字段，以确定异常发生的位置（文件名和行号），使之更容易识别问题发生的位置。

    AssertThrow(newton_iteration < parameters.max_iterations_NR,
                ExcMessage("No convergence in nonlinear solver!"));
  }
// @sect4{Solid::print_conv_header and Solid::print_conv_footer}

// 这个程序在一个漂亮的表格中打印出数据，这个表格在每次迭代的基础上被更新。接下来的两个函数设置了表头和表脚。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::print_conv_header()
  {
    static const unsigned int l_width = 150;

    for (unsigned int i = 0; i < l_width; ++i)
      std::cout << "_";
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "               SOLVER STEP               "
              << " |  LIN_IT   LIN_RES    RES_NORM    "
              << " RES_U     RES_P      RES_J     NU_NORM     "
              << " NU_U       NU_P       NU_J " << std::endl;

    for (unsigned int i = 0; i < l_width; ++i)
      std::cout << "_";
    std::cout << std::endl;
  }

  template <int dim>
  void Solid<dim>::print_conv_footer()
  {
    static const unsigned int l_width = 150;

    for (unsigned int i = 0; i < l_width; ++i)
      std::cout << "_";
    std::cout << std::endl;

    const std::pair<double, double> error_dil = get_error_dilation();

    std::cout << "Relative errors:" << std::endl
              << "Displacement:\t" << error_update.u / error_update_0.u
              << std::endl
              << "Force: \t\t" << error_residual.u / error_residual_0.u
              << std::endl
              << "Dilatation:\t" << error_dil.first << std::endl
              << "v / V_0:\t" << error_dil.second * vol_reference << " / "
              << vol_reference << " = " << error_dil.second << std::endl;
  }
// @sect4{Solid::get_error_dilation}

// 计算空间配置中的域的体积

  template <int dim>
  double Solid<dim>::compute_vol_current() const
  {
    double vol_current = 0.0;

    FEValues<dim> fe_values(fe, qf_cell, update_JxW_values);

    for (const auto &cell : triangulation.active_cell_iterators())
      {
        fe_values.reinit(cell);

// 与之前调用的不同，在这个例子中，正交点的数据是特别不可修改的，因为我们将只访问数据。我们通过将这个更新函数标记为常量来确保正确的get_data函数被调用。

        const std::vector<std::shared_ptr<const PointHistory<dim>>> lqph =
          quadrature_point_history.get_data(cell);
        Assert(lqph.size() == n_q_points, ExcInternalError());

        for (const unsigned int q_point : fe_values.quadrature_point_indices())
          {
            const double det_F_qp = lqph[q_point]->get_det_F();
            const double JxW      = fe_values.JxW(q_point);

            vol_current += det_F_qp * JxW;
          }
      }
    Assert(vol_current > 0.0, ExcInternalError());
    return vol_current;
  }

//从 $L^2$ 的误差 $ \bigl[ \int_{\Omega_0} {[ J - \widetilde{J}]}^{2}\textrm{d}V \bigr]^{1/2}$ 中计算出扩张 $\widetilde{J}$ $J \dealcoloneq \textrm{det}\ \mathbf{F}$ 的吻合程度。我们还返回域的当前体积与参考体积的比率。这对于不可压缩介质来说是很有意义的，因为我们要检查等熵约束的执行情况。

  template <int dim>
  std::pair<double, double> Solid<dim>::get_error_dilation() const
  {
    double dil_L2_error = 0.0;

    FEValues<dim> fe_values(fe, qf_cell, update_JxW_values);

    for (const auto &cell : triangulation.active_cell_iterators())
      {
        fe_values.reinit(cell);

        const std::vector<std::shared_ptr<const PointHistory<dim>>> lqph =
          quadrature_point_history.get_data(cell);
        Assert(lqph.size() == n_q_points, ExcInternalError());

        for (const unsigned int q_point : fe_values.quadrature_point_indices())
          {
            const double det_F_qp   = lqph[q_point]->get_det_F();
            const double J_tilde_qp = lqph[q_point]->get_J_tilde();
            const double the_error_qp_squared =
              std::pow((det_F_qp - J_tilde_qp), 2);
            const double JxW = fe_values.JxW(q_point);

            dil_L2_error += the_error_qp_squared * JxW;
          }
      }

    return std::make_pair(std::sqrt(dil_L2_error),
                          compute_vol_current() / vol_reference);
  }
// @sect4{Solid::get_error_residual}

// 确定问题的真实残差误差。 也就是说，确定无约束自由度的残差误差。 注意，要做到这一点，我们需要忽略受约束的自由度，将这些向量分量的残差设置为零。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::get_error_residual(Errors &error_residual)
  {
    BlockVector<double> error_res(dofs_per_block);

    for (unsigned int i = 0; i < dof_handler.n_dofs(); ++i)
      if (!constraints.is_constrained(i))
        error_res(i) = system_rhs(i);

    error_residual.norm = error_res.l2_norm();
    error_residual.u    = error_res.block(u_dof).l2_norm();
    error_residual.p    = error_res.block(p_dof).l2_norm();
    error_residual.J    = error_res.block(J_dof).l2_norm();
  }
// @sect4{Solid::get_error_update}

// 确定问题的真实牛顿更新误差

  template <int dim>
  void Solid<dim>::get_error_update(const BlockVector<double> &newton_update,
                                    Errors &                   error_update)
  {
    BlockVector<double> error_ud(dofs_per_block);
    for (unsigned int i = 0; i < dof_handler.n_dofs(); ++i)
      if (!constraints.is_constrained(i))
        error_ud(i) = newton_update(i);

    error_update.norm = error_ud.l2_norm();
    error_update.u    = error_ud.block(u_dof).l2_norm();
    error_update.p    = error_ud.block(p_dof).l2_norm();
    error_update.J    = error_ud.block(J_dof).l2_norm();
  }

//  @sect4{Solid::get_total_solution}

// 这个函数提供了总解，它在任何牛顿步都有效。这是必须的，因为为了减少计算误差，总解只在时间步数结束时更新。

  template <int dim>
  BlockVector<double> Solid<dim>::get_total_solution(
    const BlockVector<double> &solution_delta) const
  {
    BlockVector<double> solution_total(solution_n);
    solution_total += solution_delta;
    return solution_total;
  }
// @sect4{Solid::assemble_system}

// 由于我们使用TBB进行装配，我们只需设置一份流程所需的数据结构，并将其与装配函数一起传递给WorkStream对象进行处理。请注意，我们必须确保在任何装配操作发生之前，矩阵和RHS向量被重置。此外，由于我们描述的是一个诺伊曼BC的问题，我们将需要面的法线，因此必须在面的更新标志中指定这个。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::assemble_system()
  {
    timer.enter_subsection("Assemble system");
    std::cout << " ASM_SYS " << std::flush;

    tangent_matrix = 0.0;
    system_rhs     = 0.0;

    const UpdateFlags uf_cell(update_values | update_gradients |
                              update_JxW_values);
    const UpdateFlags uf_face(update_values | update_normal_vectors |
                              update_JxW_values);

    PerTaskData_ASM per_task_data(dofs_per_cell);
    ScratchData_ASM scratch_data(fe, qf_cell, uf_cell, qf_face, uf_face);

// 这里用于向WorkStream类传递数据的语法在  step-13  中讨论。

    WorkStream::run(
      dof_handler.active_cell_iterators(),
      [this](const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
             ScratchData_ASM &                                     scratch,
             PerTaskData_ASM &                                     data) {
        this->assemble_system_one_cell(cell, scratch, data);
      },
      [this](const PerTaskData_ASM &data) {
        this->constraints.distribute_local_to_global(data.cell_matrix,
                                                     data.cell_rhs,
                                                     data.local_dof_indices,
                                                     tangent_matrix,
                                                     system_rhs);
      },
      scratch_data,
      per_task_data);

    timer.leave_subsection();
  }

// 当然，我们仍然要定义如何组装单个单元的切线矩阵贡献。 我们首先需要重置和初始化一些从头开始的数据结构，并检索一些关于这个单元上DOF编号的基本信息。 我们可以预先计算单元的形状函数值和梯度。请注意，形状函数梯度是根据当前配置来定义的。 也就是  $\textrm{grad}\ \boldsymbol{\varphi} = \textrm{Grad}\ \boldsymbol{\varphi} \ \mathbf{F}^{-1}$  。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::assemble_system_one_cell(
    const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
    ScratchData_ASM &                                     scratch,
    PerTaskData_ASM &                                     data) const
  {
    data.reset();
    scratch.reset();
    scratch.fe_values.reinit(cell);
    cell->get_dof_indices(data.local_dof_indices);

    const std::vector<std::shared_ptr<const PointHistory<dim>>> lqph =
      quadrature_point_history.get_data(cell);
    Assert(lqph.size() == n_q_points, ExcInternalError());

    for (const unsigned int q_point :
         scratch.fe_values.quadrature_point_indices())
      {
        const Tensor<2, dim> F_inv = lqph[q_point]->get_F_inv();
        for (const unsigned int k : scratch.fe_values.dof_indices())
          {
            const unsigned int k_group = fe.system_to_base_index(k).first.first;

            if (k_group == u_dof)
              {
                scratch.grad_Nx[q_point][k] =
                  scratch.fe_values[u_fe].gradient(k, q_point) * F_inv;
                scratch.symm_grad_Nx[q_point][k] =
                  symmetrize(scratch.grad_Nx[q_point][k]);
              }
            else if (k_group == p_dof)
              scratch.Nx[q_point][k] =
                scratch.fe_values[p_fe].value(k, q_point);
            else if (k_group == J_dof)
              scratch.Nx[q_point][k] =
                scratch.fe_values[J_fe].value(k, q_point);
            else
              Assert(k_group <= J_dof, ExcInternalError());
          }
      }

// 现在我们建立本地单元刚度矩阵和RHS向量。由于全局和局部系统矩阵是对称的，我们可以利用这一特性，只建立局部矩阵的下半部分，并将其值复制到上半部分。 所以我们只组装一半的 $\mathsf{\mathbf{k}}_{uu}$  ,  $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{p}} = \mathbf{0}$  ,  $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}$ 块，而整个 $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$  ,  $\mathsf{\mathbf{k}}_{u \widetilde{J}} = \mathbf{0}$  ,  $\mathsf{\mathbf{k}}_{u \widetilde{p}}$ 块被构建。

// 在这样做的时候，我们首先从我们的正交历史对象中提取一些配置相关的变量，用于当前的正交点。

    for (const unsigned int q_point :
         scratch.fe_values.quadrature_point_indices())
      {
        const SymmetricTensor<2, dim> tau     = lqph[q_point]->get_tau();
        const Tensor<2, dim>          tau_ns  = lqph[q_point]->get_tau();
        const SymmetricTensor<4, dim> Jc      = lqph[q_point]->get_Jc();
        const double                  det_F   = lqph[q_point]->get_det_F();
        const double                  p_tilde = lqph[q_point]->get_p_tilde();
        const double                  J_tilde = lqph[q_point]->get_J_tilde();
        const double dPsi_vol_dJ   = lqph[q_point]->get_dPsi_vol_dJ();
        const double d2Psi_vol_dJ2 = lqph[q_point]->get_d2Psi_vol_dJ2();
        const SymmetricTensor<2, dim> &I =
          Physics::Elasticity::StandardTensors<dim>::I;

// 这两个张量存储了一些预计算的数据。它们的用途将很快得到解释。

        SymmetricTensor<2, dim> symm_grad_Nx_i_x_Jc;
        Tensor<1, dim>          grad_Nx_i_comp_i_x_tau;

// 接下来我们定义一些别名，使装配过程更容易操作。

        const std::vector<double> &                 N = scratch.Nx[q_point];
        const std::vector<SymmetricTensor<2, dim>> &symm_grad_Nx =
          scratch.symm_grad_Nx[q_point];
        const std::vector<Tensor<2, dim>> &grad_Nx = scratch.grad_Nx[q_point];
        const double                       JxW = scratch.fe_values.JxW(q_point);

        for (const unsigned int i : scratch.fe_values.dof_indices())
          {
            const unsigned int component_i =
              fe.system_to_component_index(i).first;
            const unsigned int i_group = fe.system_to_base_index(i).first.first;

// 我们首先计算来自内力的贡献。 注意，根据rhs作为残差负数的定义，这些贡献被减去。

            if (i_group == u_dof)
              data.cell_rhs(i) -= (symm_grad_Nx[i] * tau) * JxW;
            else if (i_group == p_dof)
              data.cell_rhs(i) -= N[i] * (det_F - J_tilde) * JxW;
            else if (i_group == J_dof)
              data.cell_rhs(i) -= N[i] * (dPsi_vol_dJ - p_tilde) * JxW;
            else
              Assert(i_group <= J_dof, ExcInternalError());

// 在我们进入内循环之前，我们还有最后一次机会来引入一些优化。我们已经考虑到了系统的对称性，现在我们可以预先计算一些在内循环中反复应用的常用项。  我们在这里不会过分，而是将重点放在昂贵的操作上，即那些涉及等级4材料刚度张量和等级2应力张量的操作。    我们可以观察到的是，这两个张量都是以 "i "DoF为索引的形状函数梯度收缩的。这意味着，当我们在 "j "DoF上循环时，这个特殊的操作保持不变。出于这个原因，我们可以从内循环中提取这个操作，并节省许多操作，对于每个正交点和DoF索引 "i"，并在索引 "j "上重复，需要用等级4对称张量对等级2对称张量进行双重收缩，用等级2张量对等级1张量进行双重收缩。    在损失一些可读性的情况下，当使用模拟默认参数时，这个小变化将使对称系统的装配时间减少一半左右，并且随着h-细化水平的提高而变得更加显著。

            if (i_group == u_dof)
              {
                symm_grad_Nx_i_x_Jc    = symm_grad_Nx[i] * Jc;
                grad_Nx_i_comp_i_x_tau = grad_Nx[i][component_i] * tau_ns;
              }

// 现在我们准备计算正切矩阵的贡献。

            for (const unsigned int j :
                 scratch.fe_values.dof_indices_ending_at(i))
              {
                const unsigned int component_j =
                  fe.system_to_component_index(j).first;
                const unsigned int j_group =
                  fe.system_to_base_index(j).first.first;

// 这就是 $\mathsf{\mathbf{k}}_{uu}$ 的贡献。它包括一个材料贡献和一个几何应力贡献，后者只沿局部矩阵对角线添加。

                if ((i_group == j_group) && (i_group == u_dof))
                  {

// 材料贡献。

                    data.cell_matrix(i, j) += symm_grad_Nx_i_x_Jc *  //
                                              symm_grad_Nx[j] * JxW; //

// 几何应力的贡献。

                    if (component_i == component_j)
                      data.cell_matrix(i, j) +=
                        grad_Nx_i_comp_i_x_tau * grad_Nx[j][component_j] * JxW;
                  }

// 接下来是 $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{p} u}$ 的贡献。

                else if ((i_group == p_dof) && (j_group == u_dof))
                  {
                    data.cell_matrix(i, j) += N[i] * det_F *               //
                                              (symm_grad_Nx[j] * I) * JxW; //
                  }

// 最后是  $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{J \widetilde{p}}$  和  $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{J} \widetilde{J}}$  的贡献。

                else if ((i_group == J_dof) && (j_group == p_dof))
                  data.cell_matrix(i, j) -= N[i] * N[j] * JxW;
                else if ((i_group == j_group) && (i_group == J_dof))
                  data.cell_matrix(i, j) += N[i] * d2Psi_vol_dJ2 * N[j] * JxW;
                else
                  Assert((i_group <= J_dof) && (j_group <= J_dof),
                         ExcInternalError());
              }
          }
      }

// 接下来，我们组装诺伊曼贡献。我们首先检查单元格面是否存在于施加了牵引力的边界上，如果是这样的话，就加入贡献。

    for (const auto &face : cell->face_iterators())
      if (face->at_boundary() && face->boundary_id() == 6)
        {
          scratch.fe_face_values.reinit(cell, face);

          for (const unsigned int f_q_point :
               scratch.fe_face_values.quadrature_point_indices())
            {
              const Tensor<1, dim> &N =
                scratch.fe_face_values.normal_vector(f_q_point);

// 使用该正交点的面法线，我们指定参考配置中的牵引力。对于这个问题，在参考配置中应用了一个定义的压力。    假设施加的牵引力的方向不随领域的变形而变化。牵引力是用第一个Piola-Kirchhoff应力简单地定义的 $\mathbf{t} = \mathbf{P}\mathbf{N} = [p_0 \mathbf{I}] \mathbf{N} = p_0 \mathbf{N}$ 我们用时间变量来线性提升压力负荷。        请注意，我们在这里计算的对右手边向量的贡献只存在于向量的位移分量中。

              static const double p0 =
                -4.0 / (parameters.scale * parameters.scale);
              const double         time_ramp = (time.current() / time.end());
              const double         pressure  = p0 * parameters.p_p0 * time_ramp;
              const Tensor<1, dim> traction  = pressure * N;

              for (const unsigned int i : scratch.fe_values.dof_indices())
                {
                  const unsigned int i_group =
                    fe.system_to_base_index(i).first.first;

                  if (i_group == u_dof)
                    {
                      const unsigned int component_i =
                        fe.system_to_component_index(i).first;
                      const double Ni =
                        scratch.fe_face_values.shape_value(i, f_q_point);
                      const double JxW = scratch.fe_face_values.JxW(f_q_point);

                      data.cell_rhs(i) += (Ni * traction[component_i]) * JxW;
                    }
                }
            }
        }

// 最后，我们需要将本地矩阵的下半部分复制到上半部分。

    for (const unsigned int i : scratch.fe_values.dof_indices())
      for (const unsigned int j :
           scratch.fe_values.dof_indices_starting_at(i + 1))
        data.cell_matrix(i, j) = data.cell_matrix(j, i);
  }

//  @sect4{Solid::make_constraints}  这个问题的约束条件很容易描述。在这个特殊的例子中，边界值将被计算为牛顿算法的两次第一次迭代。一般来说，我们会在第2次迭代中建立非均质约束（也就是在后面的代码块中`apply_dirichlet_bc == true`时），在接下来的步骤中只建立相应的均质约束。虽然目前的例子只有同质约束，但以前的经验表明，一个常见的错误是在重构代码到特定用途时忘记添加额外的条件。这可能导致难以调试的错误。本着这种精神，我们选择让代码在每个牛顿步骤中执行什么操作方面更加啰嗦。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::make_constraints(const int it_nr)
  {

// 由于我们(a)处理的是牛顿迭代方法，(b)使用的是位移的增量公式，以及(c)将约束条件应用于增量位移场，所以对位移更新的任何非均质约束条件只应在第2次迭代时指定。由于该迭代后约束条件将得到完全满足，因此不需要做后续的贡献。

    const bool apply_dirichlet_bc = (it_nr == 0);

//此外，
//在一个时间段内的第一次牛顿迭代之后，约束条件保持不变，只要不清除 @p constraints 对象，我们就不需要修改或重建它们。

    if (it_nr > 1)
      {
        std::cout << " --- " << std::flush;
        return;
      }

    std::cout << " CST " << std::flush;

    if (apply_dirichlet_bc)
      {

// 在牛顿第2次迭代时，我们希望应用代表位移增量的边界条件的全套非均质和均质约束。因为一般来说，每个时间步长的约束条件可能是不同的，我们需要清除约束矩阵并完全重建它。一个例子是，如果一个表面正在加速，在这种情况下，每个时间步长的位移变化是不恒定的。

        constraints.clear();

// 三维压痕问题的边界条件如下。在-x、-y和-z面（IDs 0,2,4）我们设置了一个对称条件，只允许平面运动，而+x和+z面（IDs 1,5）无牵引力。在这个设计好的问题中，+y面的一部分（ID 3）被设定为在x-和z-分量上没有运动。最后，如前所述，+y面的另一部分有一个施加的压力，但在x和z方向上也受到约束。

// 在下文中，我们必须告诉函数插值的边界值应该约束解向量的哪些分量（也就是说，是x-、y-、z-位移还是它们的组合）。这是用ComponentMask对象完成的（见 @ref GlossComponentMask ），如果我们为有限元提供一个我们希望选择的分量的提取器对象，我们可以从有限元得到这些对象。为此，我们首先设置了这样的提取器对象，然后在生成相关构件掩码时使用它。

        const FEValuesExtractors::Scalar x_displacement(0);
        const FEValuesExtractors::Scalar y_displacement(1);

        {
          const int boundary_id = 0;

          VectorTools::interpolate_boundary_values(
            dof_handler,
            boundary_id,
            Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
            constraints,
            fe.component_mask(x_displacement));
        }
        {
          const int boundary_id = 2;

          VectorTools::interpolate_boundary_values(
            dof_handler,
            boundary_id,
            Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
            constraints,
            fe.component_mask(y_displacement));
        }

        if (dim == 3)
          {
            const FEValuesExtractors::Scalar z_displacement(2);

            {
              const int boundary_id = 3;

              VectorTools::interpolate_boundary_values(
                dof_handler,
                boundary_id,
                Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
                constraints,
                (fe.component_mask(x_displacement) |
                 fe.component_mask(z_displacement)));
            }
            {
              const int boundary_id = 4;

              VectorTools::interpolate_boundary_values(
                dof_handler,
                boundary_id,
                Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
                constraints,
                fe.component_mask(z_displacement));
            }

            {
              const int boundary_id = 6;

              VectorTools::interpolate_boundary_values(
                dof_handler,
                boundary_id,
                Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
                constraints,
                (fe.component_mask(x_displacement) |
                 fe.component_mask(z_displacement)));
            }
          }
        else
          {
            {
              const int boundary_id = 3;

              VectorTools::interpolate_boundary_values(
                dof_handler,
                boundary_id,
                Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
                constraints,
                (fe.component_mask(x_displacement)));
            }
            {
              const int boundary_id = 6;

              VectorTools::interpolate_boundary_values(
                dof_handler,
                boundary_id,
                Functions::ZeroFunction<dim>(n_components),
                constraints,
                (fe.component_mask(x_displacement)));
            }
          }
      }
    else
      {

// 由于所有的Dirichlet约束在牛顿第2次迭代后被完全满足，我们要确保对这些条目不做进一步的修改。这意味着我们要将所有非均质的Dirichlet约束转换成均质的约束。

// 在这个例子中，这样做的程序是非常简单的，事实上，当只应用同质边界条件时，我们可以（也会）规避任何不必要的操作。在一个更普遍的问题中，我们应该注意悬挂节点和周期性约束，这也可能引入一些不均匀性。那么，为不同类型的约束保留不同的对象可能是有利的，一旦构建了同质Dirichlet约束，就将它们合并在一起。

        if (constraints.has_inhomogeneities())
          {

// 由于仿生约束是在上一次牛顿迭代中完成的，所以不能直接修改。所以我们需要将它们复制到另一个临时对象，并在那里进行修改。一旦我们完成了，我们将把它们转移回主 @p constraints 对象。

            AffineConstraints<double> homogeneous_constraints(constraints);
            for (unsigned int dof = 0; dof != dof_handler.n_dofs(); ++dof)
              if (homogeneous_constraints.is_inhomogeneously_constrained(dof))
                homogeneous_constraints.set_inhomogeneity(dof, 0.0);

            constraints.clear();
            constraints.copy_from(homogeneous_constraints);
          }
      }

    constraints.close();
  }
// @sect4{Solid::assemble_sc}  解决整个块系统有点问题，因为对 $\mathsf{\mathbf{K}}_{ \widetilde{J} \widetilde{J}}$ 块没有贡献，使其不可逆转（当使用迭代求解器时）。由于压力和扩张变量DOF是不连续的，我们可以将它们浓缩成一个较小的仅有位移的系统，然后我们将对其进行求解，随后进行后处理以检索出压力和扩张的解决方案。

// 静态凝结过程可以在全局层面上进行，但我们需要其中一个块的逆向。然而，由于压力和扩张变量是不连续的，静态凝结（SC）操作也可以在每个单元的基础上进行，我们可以通过反转局部块来产生块对角线 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}$ 块的逆。我们可以再次使用TBB来做这件事，因为每个操作都将是相互独立的。

//通过WorkStream类使用TBB，我们把每个元素的贡献集合起来形成 $ \mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}= \bigl[ \mathsf{\mathbf{K}}_{uu} + \overline{\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}}~ \bigr]$ 。然后这些贡献被添加到全局刚度矩阵中。鉴于这样的描述，以下两个函数应该是清楚的。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::assemble_sc()
  {
    timer.enter_subsection("Perform static condensation");
    std::cout << " ASM_SC " << std::flush;

    PerTaskData_SC per_task_data(dofs_per_cell,
                                 element_indices_u.size(),
                                 element_indices_p.size(),
                                 element_indices_J.size());
    ScratchData_SC scratch_data;

    WorkStream::run(dof_handler.active_cell_iterators(),
                    *this,
                    &Solid::assemble_sc_one_cell,
                    &Solid::copy_local_to_global_sc,
                    scratch_data,
                    per_task_data);

    timer.leave_subsection();
  }

  template <int dim>
  void Solid<dim>::copy_local_to_global_sc(const PerTaskData_SC &data)
  {
    for (unsigned int i = 0; i < dofs_per_cell; ++i)
      for (unsigned int j = 0; j < dofs_per_cell; ++j)
        tangent_matrix.add(data.local_dof_indices[i],
                           data.local_dof_indices[j],
                           data.cell_matrix(i, j));
  }

// 现在我们描述静态凝结过程。按照惯例，我们必须首先找出这个单元上的自由度有哪些全局数字，并重置一些数据结构。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::assemble_sc_one_cell(
    const typename DoFHandler<dim>::active_cell_iterator &cell,
    ScratchData_SC &                                      scratch,
    PerTaskData_SC &                                      data)
  {
    data.reset();
    scratch.reset();
    cell->get_dof_indices(data.local_dof_indices);

// 我们现在提取与当前单元相关的DFS对全局刚度矩阵的贡献。  $\widetilde{p}$ 和 $\widetilde{J}$ 插值的不连续性质意味着它们在全局水平上没有局部贡献的耦合。而 $\mathbf{u}$ 道夫则不是这样。 换句话说， $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}$ 、 $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{p}}$ 和 $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}$ ，当从全局刚度矩阵中提取时是元素贡献。 而 $\mathsf{\mathbf{k}}_{uu}$ 则不是这种情况。

// 注：用小写的符号表示元素刚度矩阵。

// 目前，与当前元素相关的dof矩阵（松散地表示为 $\mathsf{\mathbf{k}}$ ）是这样的。
// @f{align*}
//     \begin{bmatrix}
//        \mathsf{\mathbf{k}}_{uu}  &  \mathsf{\mathbf{k}}_{u\widetilde{p}}
//        & \mathbf{0}
//     \\ \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p}u} & \mathbf{0}  &
//     \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}
//     \\ \mathbf{0}  &  \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}  &
//     \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}} \end{bmatrix}
//  @f}

// 我们现在需要对其进行修改，使其显示为
// @f{align*}
//    \begin{bmatrix}
//       \mathsf{\mathbf{k}}_{\textrm{con}}   &
//       \mathsf{\mathbf{k}}_{u\widetilde{p}}    & \mathbf{0}
//    \\ \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p}u} & \mathbf{0} &
//    \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1}
//    \\ \mathbf{0} & \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}} &
//    \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}} \end{bmatrix}
// @f}
// with $\mathsf{\mathbf{k}}_{\textrm{con}} = \bigl[
// \mathsf{\mathbf{k}}_{uu} +\overline{\overline{\mathsf{\mathbf{k}}}}~
// \bigr]$ where $               \overline{\overline{\mathsf{\mathbf{k}}}}
// \dealcoloneq \mathsf{\mathbf{k}}_{u\widetilde{p}}
// \overline{\mathsf{\mathbf{k}}} \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p}u}
// $
// and
// $
//    \overline{\mathsf{\mathbf{k}}} =
//     \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
//     \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
//    \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1}
// $.

// 在这一点上，我们需要注意到全局数据已经存在于 $\mathsf{\mathbf{K}}_{uu}$  ,  $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$  和  $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}$  子块中。 因此，如果我们要修改它们，我们必须考虑到已经存在的数据（也就是说，如果需要的话，简单地添加到它或删除它）。 由于copy_local_to_global操作是一个 "+="操作，我们需要考虑到这一点

// 特别是对于 $\mathsf{\mathbf{K}}_{uu}$ 块，这意味着从周围的单元格中加入了贡献，所以我们在操作这个块时需要小心。 我们不能直接擦除子块。

// 我们将采用这种策略来获得我们想要的子块。

// -  $ {\mathsf{\mathbf{k}}}_{\textrm{store}}$  : 由于我们不能访问 $\mathsf{\mathbf{k}}_{uu}$ ，但我们知道它的贡献被添加到全局 $\mathsf{\mathbf{K}}_{uu}$ 矩阵中，我们只想添加元素明智的静态凝结 $\overline{\overline{\mathsf{\mathbf{k}}}}$  。

// -  $\mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$  : 类似地， $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 存在于子块中。由于复制操作是一个+=操作，我们需要减去现有的 $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 子矩阵，此外还需要 "添加 "我们想要替换它的东西。

// -  $\mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}$  : 由于全局矩阵是对称的，这个块和上面那个块是一样的，我们可以简单地用 $\mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 来代替这个块。

// 我们首先从系统矩阵中提取元素数据。因此，首先我们得到单元格的整个子块，然后提取 $\mathsf{\mathbf{k}}$ 作为与当前元素相关的道夫。

    data.k_orig.extract_submatrix_from(tangent_matrix,
                                       data.local_dof_indices,
                                       data.local_dof_indices);

//接下来是 $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{p} u}$ 的局部矩阵
// $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{p} \widetilde{J}}$  和  $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{J} \widetilde{J}}$  的局部矩阵。

    data.k_pu.extract_submatrix_from(data.k_orig,
                                     element_indices_p,
                                     element_indices_u);
    data.k_pJ.extract_submatrix_from(data.k_orig,
                                     element_indices_p,
                                     element_indices_J);
    data.k_JJ.extract_submatrix_from(data.k_orig,
                                     element_indices_J,
                                     element_indices_J);

// 为了得到 $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 的逆值，我们直接将其反转。 由于 $\mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 是块状对角线，所以这个操作相对便宜。

    data.k_pJ_inv.invert(data.k_pJ);

// 现在，我们可以将凝结项添加到 $\mathsf{\mathbf{k}}_{uu}$ 块中，并将其放入单元格局部矩阵
    // $
    // \mathsf{\mathbf{A}}
    // =
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} u}
    // $  中。

    data.k_pJ_inv.mmult(data.A, data.k_pu);
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{B}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} u}
      // $
    data.k_JJ.mmult(data.B, data.A);
//
    // $
    // \mathsf{\mathbf{C}}
    // =
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} u}
    // $
    data.k_pJ_inv.Tmmult(data.C, data.B);
//
    // $
    // \overline{\overline{\mathsf{\mathbf{k}}}}
    // =
    // \mathsf{\mathbf{k}}_{u \widetilde{p}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
    // \mathsf{\mathbf{k}}_{\widetilde{p} u}
    // $
    data.k_pu.Tmmult(data.k_bbar, data.C);
    data.k_bbar.scatter_matrix_to(element_indices_u,
                                  element_indices_u,
                                  data.cell_matrix);

// 接下来我们将 $\mathsf{\mathbf{k}}^{-1}_{ \widetilde{p} \widetilde{J}}$ 放在 $\mathsf{\mathbf{k}}_{ \widetilde{p} \widetilde{J}}$ 块中进行后处理。 再次注意，我们需要删除那里已经存在的贡献。

    data.k_pJ_inv.add(-1.0, data.k_pJ);
    data.k_pJ_inv.scatter_matrix_to(element_indices_p,
                                    element_indices_J,
                                    data.cell_matrix);
  }
// @sect4{Solid::solve_linear_system}  我们现在拥有所有必要的组件，可以使用两种可能的方法之一来解决线性化系统。第一种是在元素层面上进行静态凝结，这需要对切线矩阵和RHS向量进行一些改动。另外，也可以通过在全局层面上进行凝结来解决全块系统。下面我们将实现这两种方法。

  template <int dim>
  std::pair<unsigned int, double>
  Solid<dim>::solve_linear_system(BlockVector<double> &newton_update)
  {
    unsigned int lin_it  = 0;
    double       lin_res = 0.0;

    if (parameters.use_static_condensation == true)
      {

// 首先，这里是使用切线矩阵的（永久）增量的方法。对于下面的内容，回顾一下
// @f{align*}
//   \mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{store}}
// \dealcoloneq
//   \begin{bmatrix}
//       \mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}      &
//       \mathsf{\mathbf{K}}_{u\widetilde{p}}    & \mathbf{0}
//   \\  \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u}    &       \mathbf{0} &
//   \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1}
//   \\  \mathbf{0}      &
//   \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}                &
//   \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}} \end{bmatrix} \, .
//  @f}
//  和
//  @f{align*}
//               d \widetilde{\mathsf{\mathbf{p}}}
//               & =
//               \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
//               \bigl[
//                        \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
//                        -
//                        \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
//                        d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}} \bigr]
//               \\ d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
//               & =
//               \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1}
//               \bigl[
//                       \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
//                       - \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d
//                       \mathsf{\mathbf{u}} \bigr]
//                \\ \Rightarrow d \widetilde{\mathsf{\mathbf{p}}}
//               &= \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
//               \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
//               -
//               \underbrace{\bigl[\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
//               \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
//               \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1}\bigr]}_{\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}}\bigl[
//               \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
//               - \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d
//               \mathsf{\mathbf{u}} \bigr]
//   @f}
  // ，从而
  // @f[
  //             \underbrace{\bigl[ \mathsf{\mathbf{K}}_{uu} +
  //             \overline{\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}}~ \bigr]
  //             }_{\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}} d
  //             \mathsf{\mathbf{u}}
  //             =
  //         \underbrace{
  //             \Bigl[
  //             \mathsf{\mathbf{F}}_{u}
  //                     - \mathsf{\mathbf{K}}_{u\widetilde{p}} \bigl[
  //                     \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
  //                     \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
  //                     -
  //                     \overline{\mathsf{\mathbf{K}}}\mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
  //                     \bigr]
  //             \Bigr]}_{\mathsf{\mathbf{F}}_{\textrm{con}}}
  // @f]
  // 其中
  // @f[
  //             \overline{\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}} \dealcoloneq
  //                     \mathsf{\mathbf{K}}_{u\widetilde{p}}
  //                     \overline{\mathsf{\mathbf{K}}}
  //                     \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} \, .
  // @f]

// 在顶部，我们分配了两个临时向量来帮助进行静态凝结，并分配了变量来存储线性求解器的迭代次数和（希望收敛的）残差。

        BlockVector<double> A(dofs_per_block);
        BlockVector<double> B(dofs_per_block);

// 在这个函数的第一步，我们求解增量位移  $d\mathbf{u}$  。 为此，我们进行静态浓缩，使
    // $\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}
    // = \bigl[ \mathsf{\mathbf{K}}_{uu} +
    // \overline{\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}}~ \bigr]$ ，并将 $\mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 放在原 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}$ 块中。也就是说，我们制作 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{store}}$  。

        {
          assemble_sc();

//
    //  $
    //   \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{J}}
    //   =
    //           \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
    //           \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
    //   $
          tangent_matrix.block(p_dof, J_dof)
            .vmult(A.block(J_dof), system_rhs.block(p_dof));

      // $
      // \mathsf{\mathbf{B}}_{\widetilde{J}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // $
          tangent_matrix.block(J_dof, J_dof)
            .vmult(B.block(J_dof), A.block(J_dof));
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{J}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
      // -
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // $
          A.block(J_dof) = system_rhs.block(J_dof);
          A.block(J_dof) -= B.block(J_dof);
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{J}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}
      // [
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
      // -
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // ]
      // $
          tangent_matrix.block(p_dof, J_dof)
            .Tvmult(A.block(p_dof), A.block(J_dof));
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{u}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{u \widetilde{p}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}
      // [
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
      // -
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // ]
      // $
          tangent_matrix.block(u_dof, p_dof)
            .vmult(A.block(u_dof), A.block(p_dof));
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\text{con}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{u}
      // -
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{u \widetilde{p}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{J} \widetilde{p}}
      // [
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
      // -
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p} \widetilde{J}}
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // ]
      // $
          system_rhs.block(u_dof) -= A.block(u_dof);

          timer.enter_subsection("Linear solver");
          std::cout << " SLV " << std::flush;
          if (parameters.type_lin == "CG")
            {
              const auto solver_its = static_cast<unsigned int>(
                tangent_matrix.block(u_dof, u_dof).m() *
                parameters.max_iterations_lin);
              const double tol_sol =
                parameters.tol_lin * system_rhs.block(u_dof).l2_norm();

              SolverControl solver_control(solver_its, tol_sol);

              GrowingVectorMemory<Vector<double>> GVM;
              SolverCG<Vector<double>> solver_CG(solver_control, GVM);

// 我们默认选择了SSOR预处理程序，因为在单线程机器上，它似乎为这个问题提供了最快的求解器收敛特性。 然而，对于不同的问题规模，这可能不是真的。

              PreconditionSelector<SparseMatrix<double>, Vector<double>>
                preconditioner(parameters.preconditioner_type,
                               parameters.preconditioner_relaxation);
              preconditioner.use_matrix(tangent_matrix.block(u_dof, u_dof));

              solver_CG.solve(tangent_matrix.block(u_dof, u_dof),
                              newton_update.block(u_dof),
                              system_rhs.block(u_dof),
                              preconditioner);

              lin_it  = solver_control.last_step();
              lin_res = solver_control.last_value();
            }
          else if (parameters.type_lin == "Direct")
            {

// 否则，如果问题足够小，可以利用直接求解器。

              SparseDirectUMFPACK A_direct;
              A_direct.initialize(tangent_matrix.block(u_dof, u_dof));
              A_direct.vmult(newton_update.block(u_dof),
                             system_rhs.block(u_dof));

              lin_it  = 1;
              lin_res = 0.0;
            }
          else
            Assert(false, ExcMessage("Linear solver type not implemented"));

          timer.leave_subsection();
        }

// 现在我们有了位移更新，将约束分配回牛顿更新。

        constraints.distribute(newton_update);

        timer.enter_subsection("Linear solver postprocessing");
        std::cout << " PP " << std::flush;

// 解决位移问题后的下一步是进行后处理，从置换中得到扩张解。
    // $
    //  d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
    //   = \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1} \bigl[
    //    \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
    //  - \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d \mathsf{\mathbf{u}}
    //   \bigr]
    // $
        {
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{p}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d \mathsf{\mathbf{u}}
      // $
          tangent_matrix.block(p_dof, u_dof)
            .vmult(A.block(p_dof), newton_update.block(u_dof));
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{p}}
      // =
      // -\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d \mathsf{\mathbf{u}}
      // $
          A.block(p_dof) *= -1.0;
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{p}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // -\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d \mathsf{\mathbf{u}}
      // $
          A.block(p_dof) += system_rhs.block(p_dof);
//
      // $
      // d\mathsf{\mathbf{\widetilde{J}}}
      // =
      // \mathsf{\mathbf{K}}^{-1}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}
      // [
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{p}}
      // -\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}u} d \mathsf{\mathbf{u}}
      // ]
      // $
          tangent_matrix.block(p_dof, J_dof)
            .vmult(newton_update.block(J_dof), A.block(p_dof));
        }

// 我们在此确保任何迪里希特约束都分布在更新的解决方案上。

        constraints.distribute(newton_update);

// 最后我们用代入法求解压力的更新。
    // $
    // d \widetilde{\mathsf{\mathbf{p}}}
    //  =
    // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
    // \bigl[
    //  \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
    //   - \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
    // d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
    // \bigr]
    // $
        {
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{J}}
      //  =
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
      // d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
      // $
          tangent_matrix.block(J_dof, J_dof)
            .vmult(A.block(J_dof), newton_update.block(J_dof));
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{J}}
      //  =
      // -\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
      // d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
      // $
          A.block(J_dof) *= -1.0;
//
      // $
      // \mathsf{\mathbf{A}}_{\widetilde{J}}
      //  =
      // \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
      // -
      // \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
      // d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
      // $
          A.block(J_dof) += system_rhs.block(J_dof);

//和
//最后....

  //  $
  //   d \widetilde{\mathsf{\mathbf{p}}}
  //    =
  //   \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}
  //   \bigl[
  //    \mathsf{\mathbf{F}}_{\widetilde{J}}
  //     - \mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{J}}
  //   d \widetilde{\mathsf{\mathbf{J}}}
  //   \bigr]
  //   $
          tangent_matrix.block(p_dof, J_dof)
            .Tvmult(newton_update.block(p_dof), A.block(J_dof));
        }

// 我们现在已经到了终点，所以我们将所有受限的道夫分配到牛顿更新中。

        constraints.distribute(newton_update);

        timer.leave_subsection();
      }
    else
      {
        std::cout << " ------ " << std::flush;

        timer.enter_subsection("Linear solver");
        std::cout << " SLV " << std::flush;

        if (parameters.type_lin == "CG")
          {

// 在局部水平上手动凝结扩张和压力场，以及随后的后处理，需要花费相当大的努力才能实现。简而言之，我们必须产生逆矩阵 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{p}\widetilde{J}}^{-1}$ ，并将其永久写入全局切线矩阵中。然后我们对 $\mathsf{\mathbf{K}}_{uu}$ 进行永久修改，产生 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}$ 。这涉及到对切线矩阵的局部子块的提取和操作。在对位移进行求解后，对扩张和压力进行求解所需的各个矩阵-向量操作被仔细地执行。将这些众多的步骤与使用LinearOperator类提供的功能进行的更简单、更透明的实现形成对比。

// 为了便于以后使用，我们为RHS向量中的块定义了一些别名

            const Vector<double> &f_u = system_rhs.block(u_dof);
            const Vector<double> &f_p = system_rhs.block(p_dof);
            const Vector<double> &f_J = system_rhs.block(J_dof);

// ... 对于牛顿更新向量中的块。

            Vector<double> &d_u = newton_update.block(u_dof);
            Vector<double> &d_p = newton_update.block(p_dof);
            Vector<double> &d_J = newton_update.block(J_dof);

// 我们将利用系统的对称性，所以不是所有的块都需要。

            const auto K_uu =
              linear_operator(tangent_matrix.block(u_dof, u_dof));
            const auto K_up =
              linear_operator(tangent_matrix.block(u_dof, p_dof));
            const auto K_pu =
              linear_operator(tangent_matrix.block(p_dof, u_dof));
            const auto K_Jp =
              linear_operator(tangent_matrix.block(J_dof, p_dof));
            const auto K_JJ =
              linear_operator(tangent_matrix.block(J_dof, J_dof));

// 然后我们构建一个LinearOperator，代表（方形块） $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}$ 的逆。由于它是对角线的（或者，当使用高阶分解时，几乎是对角线的），所以雅可比预处理器是合适的。

            PreconditionSelector<SparseMatrix<double>, Vector<double>>
              preconditioner_K_Jp_inv("jacobi");
            preconditioner_K_Jp_inv.use_matrix(
              tangent_matrix.block(J_dof, p_dof));
            ReductionControl solver_control_K_Jp_inv(
              static_cast<unsigned int>(tangent_matrix.block(J_dof, p_dof).m() *
                                        parameters.max_iterations_lin),
              1.0e-30,
              parameters.tol_lin);
            SolverSelector<Vector<double>> solver_K_Jp_inv;
            solver_K_Jp_inv.select("cg");
            solver_K_Jp_inv.set_control(solver_control_K_Jp_inv);
            const auto K_Jp_inv =
              inverse_operator(K_Jp, solver_K_Jp_inv, preconditioner_K_Jp_inv);

// 现在我们可以构建 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\widetilde{J}\widetilde{p}}^{-1}$ 的那个转置和一个线性算子，它代表了浓缩的操作 $\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}$ 和 $\overline{\overline{\mathsf{\mathbf{K}}}}$ 以及最后的增强矩阵 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}$  。  请注意，schur_complement()算子在这里也能派上用场，但为了清楚起见，也为了展示线性求解方案的表述和实现之间的相似性，我们将手动执行这些操作。

            const auto K_pJ_inv     = transpose_operator(K_Jp_inv);
            const auto K_pp_bar     = K_Jp_inv * K_JJ * K_pJ_inv;
            const auto K_uu_bar_bar = K_up * K_pp_bar * K_pu;
            const auto K_uu_con     = K_uu + K_uu_bar_bar;

// 最后，我们定义了一个增强刚度矩阵的逆运算，即  $\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}^{-1}$  。请注意，增强刚度矩阵的预处理程序与我们使用静态凝结的情况不同。在这种情况下，预处理程序是基于未修改的 $\mathsf{\mathbf{K}}_{uu}$ ，而在第一种方法中，我们实际上修改了这个子块的条目。然而，由于 $\mathsf{\mathbf{K}}_{\textrm{con}}$ 和 $\mathsf{\mathbf{K}}_{uu}$ 在同一空间操作，它对这个问题仍然足够。

            PreconditionSelector<SparseMatrix<double>, Vector<double>>
              preconditioner_K_con_inv(parameters.preconditioner_type,
                                       parameters.preconditioner_relaxation);
            preconditioner_K_con_inv.use_matrix(
              tangent_matrix.block(u_dof, u_dof));
            ReductionControl solver_control_K_con_inv(
              static_cast<unsigned int>(tangent_matrix.block(u_dof, u_dof).m() *
                                        parameters.max_iterations_lin),
              1.0e-30,
              parameters.tol_lin);
            SolverSelector<Vector<double>> solver_K_con_inv;
            solver_K_con_inv.select("cg");
            solver_K_con_inv.set_control(solver_control_K_con_inv);
            const auto K_uu_con_inv =
              inverse_operator(K_uu_con,
                               solver_K_con_inv,
                               preconditioner_K_con_inv);

// 现在我们可以对位移场进行求解了。  我们可以嵌套线性运算，结果立即写入牛顿更新向量中。  很明显，这个实现密切模仿了介绍中所说的推导。

            d_u =
              K_uu_con_inv * (f_u - K_up * (K_Jp_inv * f_J - K_pp_bar * f_p));

            timer.leave_subsection();

// 需要对扩张场和压力场进行后处理的操作，也同样容易表达。

            timer.enter_subsection("Linear solver postprocessing");
            std::cout << " PP " << std::flush;

            d_J = K_pJ_inv * (f_p - K_pu * d_u);
            d_p = K_Jp_inv * (f_J - K_JJ * d_J);

            lin_it  = solver_control_K_con_inv.last_step();
            lin_res = solver_control_K_con_inv.last_value();
          }
        else if (parameters.type_lin == "Direct")
          {

// 用直接求解器求解全块系统。由于它是相对稳健的，它可能对因零 $\mathsf{\mathbf{K}}_{ \widetilde{J} \widetilde{J}}$ 块的存在而产生的问题免疫。

            SparseDirectUMFPACK A_direct;
            A_direct.initialize(tangent_matrix);
            A_direct.vmult(newton_update, system_rhs);

            lin_it  = 1;
            lin_res = 0.0;

            std::cout << " -- " << std::flush;
          }
        else
          Assert(false, ExcMessage("Linear solver type not implemented"));

        timer.leave_subsection();

// 最后，我们在这里再次确保任何Dirichlet约束都分布在更新的解决方案上。

        constraints.distribute(newton_update);
      }

    return std::make_pair(lin_it, lin_res);
  }
// @sect4{Solid::output_results}  这里我们介绍如何将结果写入文件，以便用ParaView或Visi来查看。该方法与以前的教程中的方法类似，因此将不作详细讨论。

  template <int dim>
  void Solid<dim>::output_results() const
  {
    DataOut<dim> data_out;
    std::vector<DataComponentInterpretation::DataComponentInterpretation>
      data_component_interpretation(
        dim, DataComponentInterpretation::component_is_part_of_vector);
    data_component_interpretation.push_back(
      DataComponentInterpretation::component_is_scalar);
    data_component_interpretation.push_back(
      DataComponentInterpretation::component_is_scalar);

    std::vector<std::string> solution_name(dim, "displacement");
    solution_name.emplace_back("pressure");
    solution_name.emplace_back("dilatation");

    DataOutBase::VtkFlags output_flags;
    output_flags.write_higher_order_cells = true;
    data_out.set_flags(output_flags);

    data_out.attach_dof_handler(dof_handler);
    data_out.add_data_vector(solution_n,
                             solution_name,
                             DataOut<dim>::type_dof_data,
                             data_component_interpretation);

// 由于我们处理的是一个大的变形问题，如果能在一个位移的网格上显示结果就更好了!  与DataOut类相连的MappingQEulerian类提供了一个接口，通过该接口可以实现这一目的，而不需要我们自己物理地移动三角测量对象中的网格点。 我们首先需要将解决方案复制到一个临时矢量，然后创建欧拉映射。我们还向DataOut对象指定了多项式的度数，以便在使用高阶多项式时产生一个更精细的输出数据集。

    Vector<double> soln(solution_n.size());
    for (unsigned int i = 0; i < soln.size(); ++i)
      soln(i) = solution_n(i);
    MappingQEulerian<dim> q_mapping(degree, dof_handler, soln);
    data_out.build_patches(q_mapping, degree);

    std::ofstream output("solution-" + std::to_string(dim) + "d-" +
                         std::to_string(time.get_timestep()) + ".vtu");
    data_out.write_vtu(output);
  }

} // namespace Step44
// @sect3{Main function}  最后我们提供了主要的驱动函数，它看起来与其他教程没有什么不同。

int main()
{
  using namespace Step44;

  try
    {
      const unsigned int dim = 3;
      Solid<dim>         solid("parameters.prm");
      solid.run();
    }
  catch (std::exception &exc)
    {
      std::cerr << std::endl
                << std::endl
                << "----------------------------------------------------"
                << std::endl;
      std::cerr << "Exception on processing: " << std::endl
                << exc.what() << std::endl
                << "Aborting!" << std::endl
                << "----------------------------------------------------"
                << std::endl;

      return 1;
    }
  catch (...)
    {
      std::cerr << std::endl
                << std::endl
                << "----------------------------------------------------"
                << std::endl;
      std::cerr << "Unknown exception!" << std::endl
                << "Aborting!" << std::endl
                << "----------------------------------------------------"
                << std::endl;
      return 1;
    }

  return 0;
}