Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ-курс лек...doc
Скачиваний:
35
Добавлен:
08.11.2019
Размер:
3.43 Mб
Скачать

3.3. Прикладные вопросы метода конечных элементов

3.3.1. Основная концепция метода конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ) основан на идее аппроксимации непрерывной функции (температуры, давления, перемещения и т.п.) дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определённых на конечном числе подобластей, называемых конечными элементами. В качестве функции элемента, чаще всего, принимается полином. Порядок полинома определяется числом используемых в каждом узле элемента данных о непрерывной функции. В общем случае форма конечного элемента может быть произвольной, но для удобства математических выкладок их принимают правильной геометрической формы. Конечные элементы могут быть линейные и криволинейные, одномерные, двумерные и трёхмерные. Количество узлов конечного элемента может быть равно или больше количества его вершин. В зависимости от этого качества можно проводить классификацию конечных элементов. Выделяют следующие три группы: симплекс-, комплекс- и мультиплекс-элементы.

  • Симплекс- элементам соответствуют полиномы, содержащие константу и линейные члены: = 1 + 2 х + 3 у + 4 z ;

Здесь коэффициентов столько сколько узлов.

  • Комплекс - элементам соответствуют полиномиальные функции, содержащие константу и члены первого и более высоких порядков. Форма комплекс – элемента может быть такой же как и у симплекс - элемента, но комплекс – элементы имеют количество узлов большее количества вершин. Интерполяционный полином для двумерного треугольного комплекс – элемента имеет вид: = 1 + 2 х + 3 у + 4 х2 +5 х у + 6 у2;

Это соотношение содержит шесть коэффициентов, поэтому рассматриваемый элемент должен иметь шесть узлов.

  • Мультиплекс-элементы отличаются от комплекс – элементов тем, что их границы должны быть параллельны координатным осям, что необходимо для достижения непрерывности при переходе от одного элемента к другому.

Границы и поверхности конечного элемента геометрически могут быть нелинейными все или только их часть. Возможность моделирования криволинейных границ достигается добавлением узлов в середину сторон (плоскостей) конечного элемента.

3.3.2 Дискретизация и оптимальная нумерация узлов области

Процесс дискретизации разделяется на два этапа: разбиение области определения функции на элементы и нумерация элементов и узлов. Каждый этап имеет свои особенности. Разбиение любой области чаще проводят в два этапа:

  • Разбиение области на подобласти. Подобласти характеризуются стационарностью определяющих характеристик: свойства материала, прилагаемая нагрузка и т.п.

  • Разбиение подобластей на конечные элементы. При этом предпочтение отдаётся элементам более простой формы, чаще всего это симплекс – элементы.

Размеры подобластей и конечных элементов могут быть различными. На практике в предполагаемых местах высоких градиентов функции или сложной границы дискретизацию проводят элементами малых размеров.

Вопрос нумерации узлов не совсем простой, т.к. порядок нумерации конечных элементов и узлов резко влияет на объём обрабатываемой информации. Применение метода конечных элементов для решения краевых задач приводит к системе линейных алгебраических уравнений с ленточной симметричной матрицей. Ширина её полуленты зависит от порядка нумерации узлов и определяется по формуле

B = (R+1)*Q,

где R – максимальная разность максимальных разностей номеров узлов в конечных элементах, Q – число неизвестных (степеней свободы) в каждом узле. Минимизация B связана с минимизацией R, что достигается выбором направления нумерации узлов и конечных элементов.