
- •Розв’язування одновимірних крайових задач методом скінченних елементів Методичні матеріали
- •6.0804 “Комп’ютерні науки”
- •1. Мета роботи
- •2. Основні теоретичні відомості
- •2.1. Метод зважених нев’язок
- •2.2. Метод гальоркіна
- •2.3. Метод скінченних елементів
- •2.4. Схема методу скінченних елементів розв’язання одновимірних крайових задач
- •2.4.1. Дискретизація області
- •2.4.2. Слабке формулювання методу гальоркіна
- •2.4.3. Побудова базисних функцій
- •2.4.4. Побудова результуючої системи лінійних алгебраїчних рівнянь
- •2.4.5. Врахування граничних умов
- •2.4.6. Розв’язання слар та оцінка точності отриманого наближеного розв’язку
- •3. Контрольні запитання
- •4. Лабораторне завдання
- •Мета роботи.
- •6. Список рекомендованої літератури
- •Додаток
Розв’язування одновимірних крайових задач методом скінченних елементів.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра САП
Розв’язування одновимірних крайових задач методом скінченних елементів Методичні матеріали
до лабораторної роботи № 5 з курсу:
“Математичне моделювання в САПР”
для студентів базового напрямку
6.0804 “Комп’ютерні науки”
Затверджено
на засіданні кафедри
“Системи автоматизованого проектування”
Протокол №
від
Львів 2008
Розв’язування одновимірних крайових задач методом скінченних елементів. Методичні матеріали до лабораторної роботи № 5 з курсу: “Математичне моделювання в САПР” для студентів базового напрямку 6.0804 “Комп’ютерні науки”.
Укладачі:
Макар В.М., доцент, к.т.н.
Юрчак І.Ю., доцент, к.т.н.
Відповідальний за випуск:
Лобур М.В., проф., д.т.н., завідувач кафедри САП
Рецензенти:
1. Мета роботи
Ознайомитися з методом скінченних елементів у формі Гальоркіна, способом побудови слабкої варіаційної форми та отримати практичні навики застосування методу до розв’язання одновимірних крайових задач на прикладі задачі Штурма-Ліувілля для звичайного диференціального рівняння другого порядку.
2. Основні теоретичні відомості
З математичної
точки зору метод скінченних елементів
(МСЕ) можна розглядати як процес Гальоркіна
з спеціальним вибором базисних
функцій, кожна з яких має так званий
скінченний носій, тобто відмінна
від нуля тільки в деякій невеликій
підобласті всієї області визначення
вихідної задачі. В свою чергу, метод
Гальоркіна можна трактувати
як частковий випадок методу зважених
нев’язок, в якому базисні та вагові
функції співпадають. Тому для глибшого
розуміння суті МСЕ коротко розглянемо
спочатку основні ідеї цих методів
2.1. Метод зважених нев’язок
Розглянемо деяку
крайову задачу в обмеженій області
з границею
,
тобто задачу знаходження функції
,
яка задовільняє диференціальне
рівняння
в
,
(1)
та граничні умови
на
.
(2)
Тут
–
заданий диференціальний оператор,
- заданий лінійний оператор,
–
задана функція. Апроксимацію
розв’язку
крайової задачі (1)-(2) будемо шукати у
вигляді розкладу за базисними функціями
, (3)
де
-
деякі коефіцієнти, які обчислюються
таким чином, щоб отримати якомога краще
наближення, а функція
і базисні функції
вибрані таким чином, що
на
. (4)
Умови (4) означають,
що функція
задовільняє граничну умову (2), і, отже
,
а базисні функції
на границі
рівні нулю. Базисні функції такого
типу часто називаються функціями
форми або
пробними функціями. Такий спосіб
вибору функції
та базисних функцій
автоматично забезпечує рівність
на
для
.
Це означає, що для отримання наближеного
розв’язку крайової задачі (1)-(2)
залишається забезпечити, щоб
задовільняла диференціальне рівняння
(1).
Найбільш загальний
спосіб визначення коефіцієнтів
у розкладі (3) полягає у використанні
поняття нев’язки
(відхилення) і називається методом
зважених нев’язок.
У загальному випадку нев’язка виникає
тоді, коли ми намагаємося апроксимувати
(наблизити) деяку функцію
в області
іншою функцією
,
і визначається вона наступним
чином:
.
(5)
У нашому випадку нев’язка виникає при підстановці розкладу (3) в диференціальне рівняння (1), оскільки - апроксимація точного розв’язку крайової задачі (1)-(2). В силу лінійності оператора цю нев’язку можна записати у вигляді
.
(6)
Очевидно, що нам
потрібно зменшити певним чином цю
нев’язку,
тобто забезпечити, щоб
всюди в
.
Для цього будемо вимагати рівності нулю
відповідної кількості інтегралів по
від нев’язки
,
взятих з різними вагами, тобто
,
, (7)
де
- система лінійно незалежних вагових
функцій. У
силу довільності вибору вагових
функцій
рівності (7) будуть виконуватися
тоді і лише тоді, коли
при
,
а це і означатиме, що апроксимація
буде задовільняти диференціальне
рівняння (1) як завгодно точно.
У цьому і полягає основна
ідея методу зважених нев’язок.
Рівності (7) утворюють систему рівнянь
методу зважених нев’язок.
Отже, для того, щоб апроксимація була розв’язком рівняння (1) потрібно, щоб коефіцієнти визначалися з системи рівнянь методу зважених нев’язок (7).