Feellgood
tetra.h
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1 #ifndef tetra_h
2 #define tetra_h
3 
9 #include <set>
10 
11 #include "triangle.h"
12 #include "node.h"
13 #include "time_integration.h"
14 #include "element.h"
15 
19 namespace Tetra
20  {
23 constexpr double epsilon = EPSILON;
24 
25 constexpr int N = 4;
27 #if ONE_GAUSS_POINT
28  constexpr int NPI = 1;
31  constexpr double A = 1. / 4.;
32  constexpr double u[NPI] = {A};
33  constexpr double v[NPI] = {A};
34  constexpr double w[NPI] = {A};
35  constexpr double pds[NPI] = {1./6.};
39  constexpr double a[N][NPI] = {{1. - u[0] - v[0] - w[0]},
40  {u[0]},
41  {v[0]},
42  {w[0]}};
43 
45  const Eigen::Matrix<double,N,NPI> eigen_a = (Eigen::MatrixXd(N,NPI) << a[0][0],
46  a[1][0],
47  a[2][0],
48  a[3][0] ).finished();
49 #else
50  constexpr int NPI = 5;
52  constexpr double A = 1. / 4.;
53  constexpr double B = 1. / 6.;
54  constexpr double C = 1. / 2.;
55  constexpr double D = -2. / 15.;
56  constexpr double E = 3. / 40.;
57  constexpr double u[NPI] = {A, B, B, B, C};
58  constexpr double v[NPI] = {A, B, B, C, B};
59  constexpr double w[NPI] = {A, B, C, B, B};
60  constexpr double pds[NPI] = {D, E, E, E, E};
68  constexpr double a[N][NPI] = {{1. - u[0] - v[0] - w[0], 1. - u[1] - v[1] - w[1],
69  1. - u[2] - v[2] - w[2], 1. - u[3] - v[3] - w[3],
70  1. - u[4] - v[4] - w[4]},
71  {u[0], u[1], u[2], u[3], u[4]},
72  {v[0], v[1], v[2], v[3], v[4]},
73  {w[0], w[1], w[2], w[3], w[4]}};
74 
76  const Eigen::Matrix<double,N,NPI> eigen_a =
77  (Eigen::MatrixXd(N,NPI) << a[0][0], a[0][1], a[0][2], a[0][3], a[0][4],
78  a[1][0], a[1][1], a[1][2], a[1][3], a[1][4],
79  a[2][0], a[2][1], a[2][2], a[2][3], a[2][4],
80  a[3][0], a[3][1], a[3][2], a[3][3], a[3][4] ).finished();
81 #endif
82 
86 struct prm
87  {
88  std::string regName;
89  double alpha_LLG;
90  double A;
91  double Ms;
93  double K;
94  Eigen::Vector3d uk;
96  double K3;
97  Eigen::Matrix3d e;
99  double P;
100  double N0;
102  double sigma;
104  double lsd;
105  double lsf;
107  double volume = 0;
109  void infos(void);
110  };
111 
129 class Tet : public element<N,NPI>
130  {
131 public:
138  inline Tet(const std::vector<Nodes::Node> &_p_node ,
139  const int _idx ,
140  const std::initializer_list<int> _i )
141  : element<N,NPI>(_p_node,_idx,_i), idx(0)
142  {
143  if (existNodes())
144  {
145  orientate(); // enforce the correct orientation
146 
147  Eigen::Matrix3d J;
148  double detJ = Jacobian(J);
149  Eigen::Matrix<double,N,Nodes::DIM> dadu; // Shape function derivatives
150  // (constant for linear tetrahedron)
151  dadu << -1., -1., -1., 1., 0., 0., 0., 1., 0., 0., 0., 1.;
152  da = dadu * J.inverse();
153 
154  for (int j = 0; j < NPI; j++)
155  { weight[j] = detJ * Tetra::pds[j]; }// if NPI=1 weight[0] is the tetrahedron volume
156  // do nothing lambda's (usefull for spin transfer torque)
157  extraField = [] ( const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,Tetra::NPI>> ) {};
158  }
159  else
160  { std::cerr<<"Error: Tet constructor has out of bound index\n"; }
161  }
162 
165  Eigen::Matrix<double,N,Nodes::DIM> da;
166 
171  inline void interpolation(const std::function<double(Nodes::Node)>& getter,
172  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,NPI,1>> result) const
173  {
174  Eigen::Matrix<double,N,1> scalar_nod;
175  for (int i = 0; i < N; i++) scalar_nod(i) = getter(getNode(i));
176  result = scalar_nod.transpose() * eigen_a;
177  }
178 
181  inline void interpolation(const std::function<Eigen::Vector3d(Nodes::Node)>& getter,
182  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> result,
183  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> Tx,
184  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> Ty,
185  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> Tz) const
186  {
187  Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,N> vec_nod;
188  for (int i = 0; i < N; i++) vec_nod.col(i) = getter(getNode(i));
189 
190  result = vec_nod * eigen_a;// interpolated value at Gauss point
191 
192  //Spatial derivatives: constant for linear elements, evaluated at any point including Gauss
193  //point
194  Tx = vec_nod * (da.col(Nodes::IDX_X)).replicate(1,NPI);
195  Ty = vec_nod * (da.col(Nodes::IDX_Y)).replicate(1,NPI);
196  Tz = vec_nod * (da.col(Nodes::IDX_Z)).replicate(1,NPI);
197  }
198 
202  inline void interpolation_field(const std::function<double(Nodes::Node)>& getter,
203  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> X) const
204  {
205  Eigen::Matrix<double,N,1> scalar_nod;
206  for (int i = 0; i < N; i++) scalar_nod(i) = getter(getNode(i));
207 
208  X.setZero();
209  for (int j = 0; j < NPI; j++)
210  {
211  for (int i = 0; i < N; i++)
212  {
213  X.col(j) -= (scalar_nod[i] * da.row(i));
214  }
215  }
216  }
217 
220  inline void interpolation(const std::function<double(Nodes::Node, Nodes::index)>& getter,
221  const Nodes::index idx, Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Tetra::NPI,1>> result) const
222  {
223  Eigen::Matrix<double,N,1> scalar_nod;
224 
225  for (int i = 0; i < N; i++)
226  {
227  scalar_nod[i] = getter(getNode(i),idx);
228  }
229  result = scalar_nod.transpose() * eigen_a;
230  }
231 
242  void lumping(const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,NPI,1>> alpha_eff, double prefactor,
243  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,3*N,3*N>> AE ) const;
244 
249  Eigen::Matrix<double,N,N> calcDiagBlock(const double c,
250  const Eigen::Matrix<double,N,1> &x) const;
251 
256  Eigen::Matrix<double,N,1> calcOffDiagBlock(const Nodes::index idx) const;
257 
260  void add_drift_BE(double alpha, double s_dt, double Vdrift,
261  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> U,
262  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> V,
263  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dUd_,
264  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dVd_,
265  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,N>> BE) const;
266 
269  Eigen::Matrix<double,NPI,1> calc_aniso_uniax(const Eigen::Ref<const Eigen::Vector3d> uk,
270  const double Kbis, const double s_dt,
271  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> U,
272  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> V,
273  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> H_aniso) const;
274 
277  Eigen::Matrix<double,NPI,1> calc_aniso_cub(const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix3d> e ,
278  const double K3bis ,
279  const double s_dt ,
280  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> U ,
281  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> V ,
282  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> H_aniso ) const;
283 
287  Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI> Hst_order2_contribution(const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> Hst,
288  const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> U ,
289  const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> V) const;
290 
294  void integrales( const Tetra::prm &param, const timing &prm_t,
295  const std::function< Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI> (void)>& calc_Hext,
296  Nodes::index idx_dir, double Vdrift);
297 
299  double exchangeEnergy(const Tetra::prm &param,
300  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dudx,
301  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dudy,
302  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dudz) const;
303 
305  double uniaxialAnisotropyEnergy(const Tetra::prm &param,
306  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> u) const;
307 
309  double cubicAnisotropyEnergy(const Tetra::prm &param,
310  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> u) const;
311 
313  Eigen::Matrix<double,Tetra::NPI,1> charges(const double &Ms,
314  const std::function<Eigen::Vector3d(const Nodes::Node&)> &getter) const override;
315 
317  double demagEnergy(const Tetra::prm &param,
318  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dudx,
319  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dudy,
320  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> dudz,
321  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,NPI,1>> phi) const;
322 
324  double zeemanEnergy(const Tetra::prm &param ,
325  const Eigen::Ref<const Eigen::Vector3d> Hext ,
326  const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,Tetra::NPI>> u ) const;
327 
329  double zeemanEnergy(const Tetra::prm &param ,
330  double fieldAmp ,
331  const std::vector<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,Tetra::NPI>> &spaceField,
333  const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,Tetra::NPI>> u) const;
335 
337  double Jacobian(Eigen::Ref<Eigen::Matrix3d> J) const;
338 
340  double calc_vol(void) const;
341 
343  int idx;
344 
346  std::function<void( Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI>> H)> extraField;
347 
349  Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI> getPtGauss(void) const override
350  {
351  Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,N> vec_nod;
352  for (int i = 0; i < N; i++)
353  {
354  vec_nod.col(i) << getNode(i).p;
355  }
356  return vec_nod*eigen_a;
357  }
358 
360  Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,NPI> gradV(const std::vector<double> &V) const;
361 
362 private:
364  void orientate(void) override;
365  }; // end class Tetra
366 
369  Eigen::Matrix<double,NPI,1> calc_alpha_eff(const double dt, const double alpha,
370  Eigen::Ref<Eigen::Matrix<double,NPI,1>> uHeff);
371 
373  Eigen::Matrix<double,Nodes::DIM,Tetra::NPI> calc_Hst(const Tetra::Tet &tet,
374  const double prefactor,
375  const std::vector<Eigen::Vector3d> &s);
376 } // end namespace Tetra
377 
378 #endif /* tetra_h */
Definition: tetra.h:130
double calc_vol(void) const
Definition: tetra.cpp:433
Eigen::Matrix< double, N, N > calcDiagBlock(const double c, const Eigen::Matrix< double, N, 1 > &x) const
Definition: tetra.cpp:131
double zeemanEnergy(const Tetra::prm &param, const Eigen::Ref< const Eigen::Vector3d > Hext, const Eigen::Ref< const Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, Tetra::NPI >> u) const
Definition: tetra.cpp:381
double cubicAnisotropyEnergy(const Tetra::prm &param, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> u) const
Definition: tetra.cpp:337
double Jacobian(Eigen::Ref< Eigen::Matrix3d > J) const
Definition: tetra.cpp:400
Eigen::Matrix< double, N, Nodes::DIM > da
Definition: tetra.h:165
double uniaxialAnisotropyEnergy(const Tetra::prm &param, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> u) const
Definition: tetra.cpp:327
void integrales(const Tetra::prm &param, const timing &prm_t, const std::function< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >(void)> &calc_Hext, Nodes::index idx_dir, double Vdrift)
Definition: tetra.cpp:219
Eigen::Matrix< double, NPI, 1 > calc_aniso_cub(const Eigen::Ref< const Eigen::Matrix3d > e, const double K3bis, const double s_dt, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> U, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> V, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> H_aniso) const
Definition: tetra.cpp:181
double exchangeEnergy(const Tetra::prm &param, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dudx, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dudy, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dudz) const
Definition: tetra.cpp:316
Eigen::Matrix< double, Tetra::NPI, 1 > charges(const double &Ms, const std::function< Eigen::Vector3d(const Nodes::Node &)> &getter) const override
Definition: tetra.cpp:354
Eigen::Matrix< double, N, 1 > calcOffDiagBlock(const Nodes::index idx) const
Definition: tetra.cpp:140
Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI > getPtGauss(void) const override
Definition: tetra.h:349
void interpolation(const std::function< double(Nodes::Node)> &getter, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, NPI, 1 >> result) const
Definition: tetra.h:171
void add_drift_BE(double alpha, double s_dt, double Vdrift, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> U, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> V, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dUd_, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dVd_, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, N >> BE) const
Definition: tetra.cpp:148
void interpolation(const std::function< Eigen::Vector3d(Nodes::Node)> &getter, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> result, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> Tx, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> Ty, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> Tz) const
Definition: tetra.h:181
Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI > gradV(const std::vector< double > &V) const
Definition: tetra.cpp:76
int idx
Definition: tetra.h:343
void lumping(const Eigen::Ref< const Eigen::Matrix< double, NPI, 1 >> alpha_eff, double prefactor, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, 3 *N, 3 *N >> AE) const
Definition: tetra.cpp:106
std::function< void(Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> H)> extraField
Definition: tetra.h:346
void orientate(void) override
Definition: tetra.cpp:417
Tet(const std::vector< Nodes::Node > &_p_node, const int _idx, const std::initializer_list< int > _i)
Definition: tetra.h:138
void interpolation_field(const std::function< double(Nodes::Node)> &getter, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> X) const
Definition: tetra.h:202
void interpolation(const std::function< double(Nodes::Node, Nodes::index)> &getter, const Nodes::index idx, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Tetra::NPI, 1 >> result) const
Definition: tetra.h:220
Eigen::Matrix< double, NPI, 1 > calc_aniso_uniax(const Eigen::Ref< const Eigen::Vector3d > uk, const double Kbis, const double s_dt, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> U, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> V, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> H_aniso) const
Definition: tetra.cpp:169
double demagEnergy(const Tetra::prm &param, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dudx, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dudy, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> dudz, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, NPI, 1 >> phi) const
Definition: tetra.cpp:368
Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI > Hst_order2_contribution(const Eigen::Ref< const Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> Hst, const Eigen::Ref< const Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> U, const Eigen::Ref< const Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, NPI >> V) const
Definition: tetra.cpp:206
Template abstract class, mother class for tetraedrons and triangles.
Definition: element.h:30
Eigen::Matrix< double, NPI, 1 > weight
Definition: element.h:59
bool existNodes(void) const
Definition: element.h:119
const Nodes::Node & getNode(const int i) const
Definition: element.h:131
Definition: time_integration.h:13
index
Definition: node.h:33
constexpr double A
Definition: tetra.h:52
constexpr double a[N][NPI]
Definition: tetra.h:68
constexpr double B
Definition: tetra.h:53
constexpr int N
Definition: tetra.h:25
constexpr double epsilon
Definition: tetra.h:23
Eigen::Matrix< double, NPI, 1 > calc_alpha_eff(const double dt, const double alpha, Eigen::Ref< Eigen::Matrix< double, NPI, 1 >> uHeff)
Definition: tetra.cpp:47
constexpr double w[NPI]
Definition: tetra.h:59
constexpr double D
Definition: tetra.h:55
constexpr int NPI
Definition: tetra.h:50
constexpr double C
Definition: tetra.h:54
constexpr double pds[NPI]
Definition: tetra.h:60
constexpr double v[NPI]
Definition: tetra.h:58
const Eigen::Matrix< double, N, NPI > eigen_a
Definition: tetra.h:76
constexpr double E
Definition: tetra.h:56
constexpr double u[NPI]
Definition: tetra.h:57
Eigen::Matrix< double, Nodes::DIM, Tetra::NPI > calc_Hst(const Tetra::Tet &tet, const double prefactor, const std::vector< Eigen::Vector3d > &s)
Definition: tetra.cpp:91
header to define struct Node
Definition: node.h:60
Eigen::Vector3d p
Definition: node.h:61
Definition: tetra.h:87
double P
Definition: tetra.h:99
Eigen::Matrix3d e
Definition: tetra.h:97
double volume
Definition: tetra.h:107
Eigen::Vector3d uk
Definition: tetra.h:94
std::string regName
Definition: tetra.h:88
double A
Definition: tetra.h:90
double alpha_LLG
Definition: tetra.h:89
double N0
Definition: tetra.h:100
double lsd
Definition: tetra.h:104
void infos(void)
Definition: tetra.cpp:14
double Ms
Definition: tetra.h:91
double lsf
Definition: tetra.h:105
double K
Definition: tetra.h:93
double K3
Definition: tetra.h:96
double sigma
Definition: tetra.h:102
contains namespace Triangle header containing Tri class, and some constants and a less_than operator ...