有限 ゆうげん 元素 げんそ 法 ほう (英語 えいご :Finite element method ),即 そく 使用 しよう 有限 ゆうげん 元素 げんそ 分析 ぶんせき 物理 ぶつり 現象 げんしょう ,是 ぜ 一种用于求解微分 びぶん 方 かた 程 ほど 组或积分方 かた 程 ほど 组数值解的 てき 數 かず 值方法 ほう 。
在 ざい 解 かい 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 的 てき 过程中 ちゅう ,主要 しゅよう 难点是 ぜ 如何 いか 构造一个方程来逼近原本研究的方程,并且该过程 ほど 还需要 よう 保持 ほじ 数 かず 值稳定性 ていせい 。目前 もくぜん 有 ゆう 许多处理的 てき 方法 ほうほう ,他 た 们各有利 ゆうり 弊 へい 。当 とう 区域 くいき 改 あらため 变时(就像一个边界可变的固体),当 とう 需要 じゅよう 的 てき 精 せい 确度在 ざい 整 せい 个区域 くいき 上 じょう 变化,或 ある 者 もの 当 とう 解 かい 缺 かけ 少 すくな 光 ひかり 滑 すべり 性 せい 时,有限 ゆうげん 元 もと 方法 ほうほう 是 ぜ 在 ざい 复杂区域 くいき (像 ぞう 汽车、船体 せんたい 结构、输油管 かん 道 どう )上 じょう 解 かい 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 的 てき 一个很好的选择。
為 ため 了 りょう 解決 かいけつ 問題 もんだい ,有限 ゆうげん 元素 げんそ 法 ほう 將 はた 大型 おおがた 物理 ぶつり 系統 けいとう 細分 さいぶん 為 ため 更 さら 小 しょう 、更 さら 簡單 かんたん 的 てき 部分 ぶぶん ,稱 しょう 為 ため 有限 ゆうげん 元 もと (英文 えいぶん :finite element)。這是通過 つうか 在 ざい 空間 くうかん 維度上 じょう 進行 しんこう 特定 とくてい 的 てき 空間 くうかん 離散 りさん 化 か 來 き 實現 じつげん 的 てき ,該離散 りさん 化 か 是 ぜ 通過 つうか 構建對象 たいしょう 的 てき 網 もう 格 かく 實現 じつげん 的 てき :解決 かいけつ 方案 ほうあん 的 てき 數 すう 值域具有 ぐゆう 有限 ゆうげん 數量 すうりょう 的 てき 點 てん 。邊 あたり 值問題 もんだい 的 てき 有限 ゆうげん 元素 げんそ 法 ほう 公式 こうしき 化 か 最終 さいしゅう 形成 けいせい 了 りょう 一 いち 個 こ 代數 だいすう 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 。該方法 ほう 在 ざい 域 いき 上 じょう 近似 きんじ 未知 みち 函數 かんすう [1] 。然 しか 後 ご ,將 はた 對 たい 這些有限 ゆうげん 元 もと 建 けん 模 も 的 てき 簡單 かんたん 方程式 ほうていしき 組 ぐみ 合成 ごうせい 一個對整個問題進行建模的較大方程式系統。然 しか 後 ご ,有限 ゆうげん 元素 げんそ 法 ほう 通過 つうか 最小 さいしょう 化 か 關聯 かんれん 的 てき 誤差 ごさ 函數 かんすう ,使用 しよう 來 らい 自 じ 變異 へんい 演算 えんざん 的 てき 變異 へんい 方法 ほうほう 來 らい 近似 きんじ 求 もとめ 解 かい 。
由 よし 研究 けんきゅう 人員 じんいん 建立 こんりゅう 的 てき 有限 ゆうげん 元素 げんそ 網 もう 格 かく ,然 しか 後 こう 使用 しよう 套裝軟體找到解決 かいけつ 磁性 じせい 問題 もんだい 的 てき 方法 ほうほう 。 顏色 かおいろ 表示 ひょうじ 分析 ぶんせき 人員 じんいん 已 やめ 為 ため 每 ごと 個 こ 區域 くいき 設置 せっち 了 りょう 材料 ざいりょう 屬性 ぞくせい ,在 ざい 此圖中 ちゅう ,淺 あさ 藍色 あいいろ 的 てき 鐵 てつ 磁成分 ぶん (可能 かのう 是 ぜ 鐵 てつ ),淺 あさ 紫色 むらさきいろ 的 てき 是 ぜ 空氣 くうき 。
有限 ゆうげん 元素 げんそ 法 ほう 解決 かいけつ 左側 ひだりがわ 問題 もんだい 的 てき 方法 ほうほう ,
涉 わたる 及
電磁 でんじ 屏 へい 蔽。
磁性 じせい 圓筒 えんとう 形 がた 遮蔽 しゃへい 罩
保護 ほご 內部
區域 くいき 不 ふ 受外
部 ぶ 磁場 じば 影響 えいきょう 。 如
插入 そうにゅう 圖 ず 例 れい 中 ちゅう 的 てき 比例 ひれい 尺 じゃく 所 しょ 示 しめせ ,
顏色 かおいろ 表示 ひょうじ 磁場 じば 的 てき 強度 きょうど ,
紅色 こうしょく 為 ため 高 だか 強度 きょうど 磁場 じば 。
圓柱 えんちゅう 體 たい 內部
的 てき 區域 くいき 是 ぜ 低 てい 強度 きょうど 的 てき (
深 ふか 藍色 あいいろ ,
具有 ぐゆう 寬 ひろし 間隔 かんかく 的 てき 磁通
量 りょう 線 せん ),這
表明 ひょうめい 遮蔽 しゃへい 罩的
性能 せいのう 達 たち 到 いた 了 りょう 設計 せっけい 目標 もくひょう 。
將 はた 整 せい 個 こ 物理 ぶつり 系統 けいとう 細分 さいぶん 為 ため 更 さら 簡單 かんたん 的 てき 部分 ぶぶん 具有 ぐゆう 以下 いか 優 ゆう 點 てん [2] :
精確 せいかく 表示 ひょうじ 複雜 ふくざつ 的 てき 幾何 きか 形狀 けいじょう 。
可 か 以描述 じゅつ 多樣 たよう 的 てき 材料 ざいりょう 特性 とくせい 。
輕 けい 鬆 す 表示 ひょうじ 整體 せいたい 解決 かいけつ 方案 ほうあん 。
精確 せいかく 描述局部 きょくぶ 現象 げんしょう 。
該方法的 ほうてき 工作 こうさく 流 りゅう 程 ほど 包括 ほうかつ
(1)將 しょう 問題 もんだい 的 てき 域 いき 劃分為 ため 子 こ 域 いき 的 てき 集合 しゅうごう ,每 まい 個 こ 子 こ 域 いき 由 よし 一組元素方程表示為原始問題,然 しか 後 ご (2)系統 けいとう 地 ち 將 はた 所有 しょゆう 元素 げんそ 方 かた 程 ほど 組重 くみじゅう 組 ぐみ 為 ため 用 よう 於最終 さいしゅう 計算 けいさん 的 てき 全域 ぜんいき 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 。
在 ざい 上面 うわつら 的 てき 第一步 だいいっぽ 中 ちゅう ,元素 げんそ 方 かた 程 ほど 是 ぜ 簡化過 か 的 まと 方 かた 程 ほど ,可 か 以局部 ぶ 地 ち 近似 きんじ 要 よう 研究 けんきゅう 的 てき 原始 げんし 復 ふく 雜 ざつ 方 かた 程 ほど 組 ぐみ ,其中原始 げんし 方 かた 程 ほど 通常 つうじょう 是 ぜ 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 。為 ため 了 りょう 求 もとめ 此方 こちら 程 ほど 式 しき 的 てき 近似 きんじ 解 かい ,通常 つうじょう 將 はた 有限 ゆうげん 元素 げんそ 法 ほう 作為 さくい 伽 とぎ 辽金法 ほう 的 てき 特例 とくれい 來 らい 處理 しょり 。用 よう 數學 すうがく 語 ご 言 げん 來 らい 說 せつ ,該過程 ほど 是 これ 將 はた 殘 ざん 差 さ 和 かず 加 か 權 けん 函數 かんすう 取 と 內積,並 なみ 將 はた 該積分 ぶん 設 しつらえ 為 ため 零 れい 。簡而言 ごと 之 の ,它是通過 つうか 將 はた 試驗 しけん 函數 かんすう 擬 なずらえ 合 あい 到 いた 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 中 ちゅう 來 らい 最小 さいしょう 化 か 近似 きんじ 誤差 ごさ 的 てき 過程 かてい 。殘 ざん 差 さ 是 ぜ 由 よし 試驗 しけん 函數 かんすう 引起的 てき 誤差 ごさ ,權 けん 重 じゅう 函數 かんすう 是 ぜ 投影 とうえい 殘 ざん 差 さ 的 てき 多項式 たこうしき 逼近函數 かんすう 。該過程 ほど 消 しょう 除 じょ 了 りょう 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 中 なか 的 てき 所有 しょゆう 空間 くうかん 導 しるべ 數 すう ,從 したがえ 而使偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 局部 きょくぶ 近似 きんじ 為 ため 一組穩態問題的代數方程 ,或 ある 是 ぜ 一組用於瞬態問題的常微分方程 。如果基礎 きそ 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 是 ぜ 線 せん 性的 せいてき ,則 のり 元素 げんそ 方 かた 程 ほど 也是線 せん 性的 せいてき ,反 たん 之 の 亦 また 然 しか 。穩態 問題 もんだい 中 ちゅう 出現 しゅつげん 的 てき 代數 だいすう 方 かた 程 ほど 組 ぐみ ,便 びん 利用 りよう 數 すう 值線 せん 性 せい 代數 だいすう 方法 ほうほう 求 もとめ 解 かい ,而瞬態 たい 問題 もんだい 中 ちゅう 出現 しゅつげん 的 てき 常微分 じょうびぶん 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 則 のり 使用 しよう 其他數 すう 值方法 ほう (例 れい 如欧 おう 拉 ひしげ 方法 ほうほう 或 ある Runge-Kutta 法 ほう )通過 つうか 數 すう 值積分 ぶん 來 らい 求 もとめ 解 かい 。
有限 ゆうげん 元 もと 法 ほう 最初 さいしょ 起源 きげん 于土木 どぼく 工程 こうてい 和 わ 航空 こうくう 工程 こうてい 中 なか 的 てき 弹性 和 わ 结构分析 ぶんせき 问题的 てき 研究 けんきゅう 。它的发展可 か 以追溯 さかのぼ 到 いた Alexander Hrennikoff(1941)和 かず Richard Courant (1942)的 てき 工作 こうさく 。这些先 さき 驱者使用 しよう 的 てき 方法 ほうほう 具有 ぐゆう 很大的 てき 差 さ 异,但 ただし 是 ぜ 他 た 们具有 ぐゆう 共同 きょうどう 的 てき 本 ほん 质特征 せい :利用 りよう 网格 离散化 か 将 しょう 一个连续区域转化为一族离散的子区域,通常 つうじょう 叫 さけべ 做元.Hrennikoff的 てき 工作 こうさく 离散用 よう 类似于格子 こうし 的 てき 网格离散区域 くいき ; Courant的 てき 方法 ほうほう 将 はた 区域 くいき 分解 ぶんかい 为有限 げん 个三角形 さんかっけい 的 てき 子 こ 区域 くいき ,用 よう 于求解 かい 来 らい 源 げん 于圆柱 ばしら 体 からだ 转矩 问题的 てき 二 に 阶橢圓 だえん 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど . Courant的 てき 贡献推动了 りょう 有限 ゆうげん 元 もと 的 てき 发展,绘制了 りょう 早期 そうき 偏 へん 微分 びぶん 方 かた 程 ほど 的 てき 研究 けんきゅう 结果。
有限 ゆうげん 元 もと 方法 ほうほう 的 てき 发展开始于五十年代中后期使用在机身框架和结构分析 ぶんせき 上 うえ ,并于六 ろく 十 じゅう 年代 ねんだい 通 どおり 过斯图加 か 特大 とくだい 学 がく 的 てき John Argyris 和 わ 柏 かしわ 克 かつ 萊加州 かしゅう 大學 だいがく 的 てき Ray W. Clough 在 ざい 土木 どぼく 工程 こうてい 中 ちゅう 的 てき 应用工作 こうさく 中 ちゅう 积累经验。
基 もと 于五十年代至六十年代大型水坝计算研究的实践经验,1965年 ねん ,中国 ちゅうごく 计算数学 すうがく 专家冯康 发表了 りょう 《基 もと 于变分 ぶん 原理 げんり 的 てき 差分 さぶん 格式 かくしき 》一文 いちぶん ,奠定了 りょう 有限 ゆうげん 元 もと 计算方法 ほうほう 的 てき 严格数 すう 学理 がくり 论,为后世 よ 有限 ゆうげん 元 もと 计算方法 ほうほう 的 てき 实际应用提供 ていきょう 了 りょう 理 り 论保证。且冯康 やすし 教授 きょうじゅ 的 てき “有限 ゆうげん 元 もと 法 ほう ”严密理 り 论体系 けい 是 ぜ 先 さき 于西方 かた 的 てき ,是 ぜ 国 こく 际公认的当代 とうだい 计算数学 すうがく 的 てき 一 いち 项重大 だい 成就 じょうじゅ ,不同 ふどう 的 てき 是 ぜ 冯康教授 きょうじゅ 只 ただ 是 ぜ 从数学 がく 方面 ほうめん 提出 ていしゅつ 有限 ゆうげん 元 もと 法的 ほうてき 。[3] [4]
有限 ゆうげん 元 もと 概念 がいねん [ 编辑 ]
单元(Element)是 ぜ 由 よし 节点组成的 てき 几何体 たい ,如三角形 さんかっけい 单元,四 よん 面体 めんてい 单元等 とう 。
节点(Node)是 ぜ 单元几何体 たい 的 てき 端点 たんてん 、顶点或 ある 特定 とくてい 点 てん ,单元的 てき 各 かく 物理 ぶつり 量 りょう 变化均 ひとし 体 からだ 现在节点上 じょう ,例 れい 如在弹性力学 りきがく 问题中 ちゅう ,一个有两个节点的线单元的质量集中在两个节点上,受力也只能 のう 作用 さよう 在 ざい 节点上 じょう ,变形也用节点的 てき 位 い 移 うつり 表示 ひょうじ 。
自由 じゆう 度 ど [ 编辑 ]
节点自由 じゆう 度 ど (Degree of Freedom,簡寫 DoF),是 ぜ 节点上 じょう 变量的 てき 个数,例 れい 如用位 い 移 うつり 法 ほう 解 かい 结构问题时节点 てん 自由 じゆう 度 ど 为3,表示 ひょうじ 单个节点上 じょう 三个坐标方向上的位移,又 また 例 れい 如热分析 ぶんせき 时节点 てん 自由 じゆう 度 ど 为1,表示 ひょうじ 某 ぼう 个节点 てん 处的温度 おんど 值。
网格(Mesh)是 ぜ 由 ゆかり 多 た 个单元 もと 通 どおり 过共用 よう 节点组成的 てき 单元网络,用 よう 以表示 ひょうじ 待 まち 解 かい 问题域 いき 。
分析 ぶんせき 方法 ほうほう [ 编辑 ]
以下 いか 用 よう 有限 ゆうげん 元 もと 分析 ぶんせき 解 かい 决两个简单问题,更 さら 一般的问题可以类似的推导出来。
P1是 ぜ 一 いち 个较简单的 てき 一 いち 维 问题
P1
:
{
u
″
(
x
)
=
f
(
x
)
in
(
0
,
1
)
,
u
(
0
)
=
u
(
1
)
=
0
,
{\displaystyle {\mbox{ P1 }}:{\begin{cases}u''(x)=f(x){\mbox{ in }}(0,1),\\u(0)=u(1)=0,\end{cases}}}
其中
f
{\displaystyle f}
是 ぜ 已 やめ 知 ち 函数 かんすう ,
u
{\displaystyle u}
是 ぜ 关于
x
{\displaystyle x}
的 てき 未知 みち 函数 かんすう ,
u
″
{\displaystyle u''}
是 これ
u
{\displaystyle u}
对
x
{\displaystyle x}
的 てき 二 に 阶导数 すう 。
二 に 维比 ひ 较简单的问题是 ぜ 狄利克 かつ 雷 かみなり 问题
P2
:
{
u
x
x
(
x
,
y
)
+
u
y
y
(
x
,
y
)
=
f
(
x
,
y
)
in
Ω おめが
,
u
=
0
on
∂
Ω おめが
,
{\displaystyle {\mbox{P2 }}:{\begin{cases}u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=f(x,y)&{\mbox{ in }}\Omega ,\\u=0&{\mbox{ on }}\partial \Omega ,\end{cases}}}
其中
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
是 これ
(
x
,
y
)
{\displaystyle (x,y)}
平面 へいめん 上 じょう 的 てき 连通开区域 くいき ,它的边界
∂
Ω おめが
{\displaystyle \partial \Omega }
是 ぜ 良好 りょうこう 的 てき (例 れい 如,光 ひかり 滑 すべり 流 りゅう 形 がた 或 ある 多 た 边形 ),
u
x
x
{\displaystyle u_{xx}}
和 わ
u
y
y
{\displaystyle u_{yy}}
分 ぶん 别表示 ひょうじ
x
{\displaystyle x}
和 わ
y
{\displaystyle y}
的 てき 二 に 阶导数 すう 。问题P1能 のう 够通过计算 さん 不定 ふてい 积分 而直接 ちょくせつ 解 かい 决。然 しか 而,解 かい 决边值问题 的 てき 这一方法只有在空间维数为1时才可用 かよう ,并且不能 ふのう 推广到高 だか 维问题以及形如
u
+
u
″
=
f
{\displaystyle u+u''=f}
的 てき 问题。出 で 于这种考虑,我 わが 们将用 よう 有限 ゆうげん 元 もと 方法 ほうほう 解 かい 决P1并将其推广至问题P2.
我 わが 们的描述分 ぶん 为两步 ふ ,每 まい 步 ふ 都 と 反映 はんえい 了 りょう 用 よう 有限 ゆうげん 元 もと 解 かい 决边值问题的本 ほん 质。
将 はた 原 はら 问题描述为它的 てき 弱 じゃく 形式 けいしき ,或 ある 变分 形式 けいしき 。这一步很少或不需要计算。
离散化 か ,将 はた 弱 じゃく 形式 けいしき 在 ざい 有限 ゆうげん 维空间离散化 か 。
这两步 ふ 之 の 后 きさき ,我 わが 们可以构造 づくり 一个大型有限维线性方程,线性方 かた 程 ほど 的 てき 解 かい 就是原 げん 边值问题的 てき 逼近解 かい 。然 しか 后 きさき ,这一有限维问题由计算机 つくえ 求 もとめ 解 かい 。
第一步 だいいっぽ 是 ぜ 将 はた 问题P1和 わ P2转化为他的 てき 等 とう 价变分 形式 けいしき ,或 ある 弱 じゃく 解 かい 形式 けいしき 。
如果
u
{\displaystyle u}
是 ぜ 问题P1的 てき 解 かい ,那 な 么对任 にん 何 なん 满足边界条件 じょうけん 的 てき 光 ひかり 滑 すべり 函数 かんすう
v
{\displaystyle v}
,有 ゆう
(1)
∫
0
1
f
(
x
)
v
(
x
)
d
x
=
∫
0
1
u
″
(
x
)
v
(
x
)
d
x
{\displaystyle \int _{0}^{1}f(x)v(x)\,\mathrm {d} x=\int _{0}^{1}u''(x)v(x)\,\mathrm {d} x}
相反 あいはん 如果
u
{\displaystyle u}
对任何 なん 光 ひかり 滑 すべり 函数 かんすう
v
(
x
)
{\displaystyle v(x)}
满足
u
(
0
)
=
u
(
1
)
=
0
{\displaystyle u(0)=u(1)=0}
和 かず (1),
那 な 么
u
{\displaystyle u}
是 ぜ P1的 てき 解 かい 。对于二 に 次 じ 可 か 导函数 すう
u
{\displaystyle u}
证明这一 いち 点 てん 是非 ぜひ 常 つね 容易 ようい 的 てき (利用 りよう 中 ちゅう 值定理 ていり )。
通 つう 过对(1)的 てき 右 みぎ 侧使用 しよう 分部 わけべ 积分 ,可 か 以得到 いた
(2)
∫
0
1
f
(
x
)
v
(
x
)
d
x
=
∫
0
1
u
″
(
x
)
v
(
x
)
d
x
=
u
′
(
x
)
v
(
x
)
|
0
1
−
∫
0
1
u
′
(
x
)
v
′
(
x
)
d
x
=
−
∫
0
1
u
′
(
x
)
v
′
(
x
)
d
x
=
−
ϕ
(
u
,
v
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\int _{0}^{1}f(x)v(x)\,\mathrm {d} x&=\int _{0}^{1}u''(x)v(x)\,\mathrm {d} x\\&=u'(x)v(x)|_{0}^{1}-\int _{0}^{1}u'(x)v'(x)\,\mathrm {d} x\\&=-\int _{0}^{1}u'(x)v'(x)\,\mathrm {d} x=-\phi (u,v)\end{aligned}}}
其中假 かり 设
v
(
0
)
=
v
(
1
)
=
0
{\displaystyle v(0)=v(1)=0}
。
f當 とう 我 わが 們使用 しよう 格 かく 林恆 はやしつね 等式 とうしき 來 らい 表示 ひょうじ 式 しき (2), P2可 か 以
u
{\displaystyle u}
的 てき 積分 せきぶん 型式 けいしき 表示 ひょうじ ,在 ざい 此定義 ていぎ
ϕ
(
u
,
v
)
{\displaystyle \phi (u,v)}
∫
Ω おめが
f
v
d
s
=
−
∫
Ω おめが
∇
u
⋅
∇
v
d
s
≡
−
ϕ
(
u
,
v
)
,
{\displaystyle \int _{\Omega }fv\,ds=-\int _{\Omega }\nabla u\cdot \nabla v\,ds\equiv -\phi (u,v),}
此處 ここら
∇
{\displaystyle \nabla }
代表 だいひょう 梯 はしご 度 ど ,即 そく 為 ため 二 に 維平面 めん 上 じょう 的 てき 內積 。另外
ϕ
{\displaystyle \,\!\phi }
可 か 以轉為 ため 内 うち 积空间
H
0
1
(
Ω おめが
)
{\displaystyle H_{0}^{1}(\Omega )}
,且
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
的 てき 一 いち 次 じ 微分 びぶん 函數 かんすう
∂
Ω おめが
{\displaystyle \partial \Omega }
為 ため 零 れい 。我 わが 們也可 か 以假設 かせつ
v
∈
H
0
1
(
Ω おめが
)
{\displaystyle v\in H_{0}^{1}(\Omega )}
(詳 しょう 見 み 索 さく 伯 はく 列 れつ 夫 おっと 空 そら 间) 也可以顯示 けんじ 解 かい 的 てき 存在 そんざい 性 せい 和 かず 唯一 ただいち 性 せい 。
證明 しょうめい 解 かい 的 てき 存在 そんざい 性 せい 和 かず 唯一 ただいち 性 せい [ 编辑 ]
離散 りさん 化 か [ 编辑 ]
A function in
H
0
1
,
{\displaystyle H_{0}^{1},}
with zero values at the endpoints (blue), and a piecewise linear approximation (red)
P1 和 わ P2 通過 つうか 上述 じょうじゅつ 過程 かてい 被 ひ 离散化 か ,並 なみ 簡化為 ため 子 こ 問題 もんだい (3)。 基本 きほん 思 おもえ 路 ろ 是 ぜ 將 はた 無限 むげん 維線性 せい 問題 もんだい 替 かえ 換 かわ 掉:
找到
u
∈
H
0
1
{\displaystyle u\in H_{0}^{1}}
使 つかい
∀
v
∈
H
0
1
,
−
ϕ
(
u
,
v
)
=
∫
f
v
{\displaystyle \forall v\in H_{0}^{1},\;-\phi (u,v)=\int fv}
表示 ひょうじ 唯 ただ 有限 ゆうげん 維度的 てき 形式 けいしき :
子 こ 問題 もんだい (3) Find
u
∈
V
{\displaystyle u\in V}
such that
∀
v
∈
V
,
−
ϕ
(
u
,
v
)
=
∫
f
v
{\displaystyle \forall v\in V,\;-\phi (u,v)=\int fv}
此處 ここら
V
{\displaystyle V}
是 これ
H
0
1
{\displaystyle H_{0}^{1}}
的 てき 一 いち 個 こ 有限 ゆうげん 維度線 せん 性 せい 子 こ 空間 くうかん 。
V
{\displaystyle V}
有 ゆう 許多 きょた 可能 かのう 的 てき 形式 けいしき ,但 ただし 對 たい 於有限 げん 元素 げんそ 而言,在 ざい 此將假定 かてい
V
{\displaystyle V}
存在 そんざい 於分段 ぶんだん 多項式 たこうしき 函數 かんすう 的 てき 空間 くうかん 中 ちゅう 。
對 たい 於 P1[ 编辑 ]
在 ざい 此在區間 くかん
(
0
,
1
)
{\displaystyle (0,1)}
之 これ 中 ちゅう 選擇 せんたく
n
{\displaystyle n}
個 こ
x
{\displaystyle x}
的 てき 可能 かのう 值
0
=
x
0
<
x
1
<
⋯
<
x
n
<
x
n
+
1
=
1
{\displaystyle 0=x_{0}<x_{1}<\cdots <x_{n}<x_{n+1}=1}
接 せっ 著 ちょ 定義 ていぎ
V
{\displaystyle V}
為 ため :
V
=
{
v
:
[
0
,
1
]
→
R
:
v
is continuous,
v
|
[
x
k
,
x
k
+
1
]
is linear for
k
=
0
,
…
,
n
, and
v
(
0
)
=
v
(
1
)
=
0
}
{\displaystyle V=\{v:[0,1]\rightarrow \mathbb {R} \;:v{\mbox{ is continuous, }}v|_{[x_{k},x_{k+1}]}{\mbox{ is linear for }}k=0,\dots ,n{\mbox{, and }}v(0)=v(1)=0\}}
令 れい e
x
0
=
0
{\displaystyle x_{0}=0}
和 わ
x
n
+
1
=
1
{\displaystyle x_{n+1}=1}
。觀察 かんさつ 到 いた 在 ざい
V
{\displaystyle V}
之 これ 中 ちゅう 的 てき 函數 かんすう 根據 こんきょ 微積分 びせきぶん 的 てき 基本 きほん 定義 ていぎ 是 ぜ 不 ふ 可 か 微分 びぶん 的 てき 。 當然 とうぜん ,當 とう
v
∈
V
{\displaystyle v\in V}
,則 のり 通常 つうじょう 不 ふ 定義 ていぎ
x
=
x
k
{\displaystyle x=x_{k}}
,
k
=
1
,
…
,
n
{\displaystyle k=1,\ldots ,n}
的 てき 導 しるべ 數 すう ,但 ただし 導 しるべ 數 すう 事實 じじつ 上 じょう 存在 そんざい 於每一 いち 個 こ
x
{\displaystyle x}
的 てき 位置 いち ,並 なみ 可 か 以利用 りよう 這些導 しるべ 數 すう 來 らい 進行 しんこう 部分 ぶぶん 積分 せきぶん 運算 うんざん 。
兩 りょう 種 たね 不同 ふどう 維度(二 に 維及三 さん 維空間 あいだ )的 てき 分段 ぶんだん 線 せん 性 せい 函數 かんすう
對 たい 於 P2[ 编辑 ]
V
{\displaystyle V}
是 ぜ 屬 ぞく 於
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
的 てき 一 いち 系列 けいれつ 函數 かんすう 。 在 ざい 右 みぎ 圖 ず 中 ちゅう ,圖 ず 片 へん 下 か 半 はん 部 ぶ 是 ぜ 一 いち 個 こ 15邊 へん 形 がた 的 てき 平面 へいめん
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
的 てき 三角 さんかく 分割 ぶんかつ ,以及該多邊形 たへんけい 的 てき 分段 ぶんだん 線 せん 性 せい 函數 かんすう (圖 ず 片 へん 上 じょう 半 はん 部 ぶ 彩色 さいしき 部 ぶ 份),即 そく 在 ざい 三角 さんかく 分割 ぶんかつ 所 ところ 形成 けいせい 的 てき 每 まい 個 こ 三角形 さんかっけい 上 じょう 呈 てい 線 せん 性 せい ; 空間 くうかん
V
{\displaystyle V}
則 のり 由 ゆかり 在 ざい 所在 しょざい 的 てき 三角 さんかく 分割 ぶんかつ 的 まと 每 ごと 個 こ 三角形 さんかっけい 上 じょう 的 てき 函數 かんすう 線 せん 性 せい 組合 くみあい 而成。
我 わが 們希望 きぼう 當 とう 下面 かめん 的 てき 三角形網格變得越來越精細,離散 りさん 子 こ 問題 もんだい (3)的 てき 解 かい 在 ざい 某 ぼう 種 しゅ 意義 いぎ 上 じょう 將 はた 收斂 しゅうれん 到 いた 原始 げんし 邊 べ 界 かい 值問題 もんだい P2的 てき 解 かい 。 為 ため 了 りょう 測量 そくりょう 此網格 かく 的 てき 細 ほそ 度 たび ,三角 さんかく 分割 ぶんかつ 由 よし 一 いち 很小的 てき 實數 じっすう
h
>
0
{\displaystyle h>0}
所 ところ 表示 ひょうじ 。此參數 すう 將 はた 與 あずか 三角 さんかく 分割 ぶんかつ 中 ちゅう 最大 さいだい 或 ある 平均 へいきん 三角形 さんかっけい 的 てき 大小 だいしょう 有 ゆう 關 せき 。 當 とう 我 わが 們提高 だか 三角 さんかく 分割 ぶんかつ 的 てき 精度 せいど 時 じ (分割 ぶんかつ 出 で 更 さら 多 た 三角形 さんかっけい ),分段 ぶんだん 線 せん 性 せい 函數 かんすう 的 てき 空間 くうかん
V
{\displaystyle V}
應 おう 會 かい 隨 ずい
h
{\displaystyle h}
變動 へんどう 。因 よし 此,在 ざい 某 ぼう 些文獻 ぶんけん 中 ちゅう 會 かい 以
V
h
{\displaystyle V_{h}}
來 らい 代表 だいひょう 。
相關 そうかん 條目 じょうもく [ 编辑 ]
参考 さんこう 文献 ぶんけん [ 编辑 ]
外部 がいぶ 链接[ 编辑 ]
MIT Video Lecture on the Finite Element Method
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NAFEMS (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ) -- The International Association for the Engineering Analysis Community
IFER (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ) -- Internet Finite Element Resources - an annotated list of FEA links and programs
Workshop "The Finite Element Method in Biomedical Engineering, Biomechanics and Related Fields" (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )
Finite Element Analysis Resources - Finite Element news, articles and tips
COMSOL Multiphysics Finite Element Analysis Software (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ) - Official site
CAD きゃど , Finite Element Analysis(Abaqus,Ansys), CAE, Programming (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )- FEM, CAD きゃど , Programming, discussion forums
Finite Element Books - books bibliography
Mathematics of the Finite Element Method (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )
Finite Element Methods for Partial Differential Equations (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )
FEM AVI-gallery at CompMechLab site, St.Petersburg State Polytechnical University, Russia
Intro to FEA
Introduction to FEA for EM modeling (includes list of currently available software)
Finite Element modeling of light feapower [永久 えいきゅう 失效 しっこう 連結 れんけつ ]
propagation (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )
World Association of Fatigue, Durability and Fracture Mechanics - Fatigue for Finite Element Models (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )