10604

Метод граничных элементов

Доклад

Математика и математический анализ

Метод граничных элементов Приводятся фундаментальные решения для ортотропных и анизотропных областей и показывается что все положения обсуждавшиеся в предыдущих разделах справедливы также и для бесконечных областей при выполнении определенных условий регулярно...

Русский

2013-03-29

353 KB

80 чел.

Метод граничных элементов

Приводятся фундаментальные решения для ортотропных и анизотропных областей и показывается, что все положения, обсуждавшиеся в предыдущих разделах, справедливы также и для бесконечных областей при выполнении определенных условий регулярности на бесконечности. Привлечение подходящего фундаментального решения, удовлетворяющего части граничных условий рассматриваемой задачи, позволяет снизить объем вычислительной работы. И наконец, "описываются специальные численные процедуры для общего вида трехмерных и осесимметричных задач.

"

Рис. 1. Граничные элементы (а— постоянные; б— линейные; в— квадратичные).

Функции и и q имеют постоянные значения в области каждого элемента и

Рис. 2. Схема связи между фундаментальным решением в граничном узле i и граничными элементами.

Введение

В этой главе исследуется приложение метода граничных интегральных уравнений к уравнению теплопроводности

     (1)

с граничными условиями следующего типа:

    (2)

Коэффициент k в уравнении (4.1) может принимать различные значения в зависимости от рассматриваемой физической задачи и считается независимым как от координат, так и времени. Поскольку рассматриваемая задача зависит от времени, необходимо задать некоторые начальные условия в момент времени t = tQ:

      (3)

Задаче, описываемой уравнением (1), граничными условиями (2) и начальным условием (3), можно придать форму интегрального уравнения относительно неизвестной функции и, и для выполнения этого преобразования могут быть использованы различные приемы. Один из них был предложен в 1970 г. Риццо и Шиппи, которые применили прямую формулировку метода граничных элементов в сочетании с преобразованием Лапласа к решению задач неустановившейся теплопроводности. В предположении, что все входящие в задачу функции допускают преобразование Лапласа, граничное интегральное уравнение записывалось и решалось в пространстве изображений для последовательности действительных положительных значений параметра преобразования. Затем применялась численная процедура обратного преобразования для нахождения значений неизвестных в действительном пространстве. При использовании такого подхода временная зависимость задачи на какой-то период устранялась и вместо исходного уравнения параболического типа решалось более удобное уравнение в частных производных эллиптического типа. Баттерфилд и Томлин  применили непрямую формулировку (с использованием источника), рассмотрев среду с ортотропными областями, встречающуюся в механике грунтов. Решение для неустановившегося случая было получено распределением мгновенных источников в рассматриваемой области в начальный момент времени, с тем чтобы воспроизвести заданное начальное условие, и заданием на внешней и внутренних границах непрерывных функций источников, удовлетворяющих заданным условиям на внешней границе и на границах раздела.

Чанг, Канг и Чен использовали зависящие от времени фундаментальные решения в сочетании с прямым методом решения двумерных задач теплопроводности как в изотропной, так и в анизотропной средах. Дискретное представление граничного интегрального уравнения было выполнено с постоянными шагами по пространственным и временной координатам. Аналогичный подход к решению трехмерных задач использовал Шоу, который в основном рассмотрел аналитические, а не численные аспекты метода. Этот прием обсуждался впоследствии Вроубелом и Бреббия, исследовавшими возможность включения в рассмотрение интерполирующих функций высокого порядка от пространственных и временной переменных и тем самым рассмотрения более важных с практической точки зрения задач. Они также исследовали численную процедуру для решения неустановившихся осесимметричных задач, где из-за сложности получения фундаментального решения потребовалось ввести разложение в ряды и аналитически вычислять интегралы по времени, входящие в граничное интегральное уравнение.

Иной подход, основанный на использовании комбинации методов граничных элементов и конечных разностей при решении нестационарных задач, был предложен Бреббия и Уокером. Здесь производная по времени аппроксимировалась конечными разностями, и для нахождения зависимости решения от времени использовалась шаговая процедура конечно-разностного типа.

Все упомянутые выше численные схемы рассматриваются ниже, где также приведены основные процедуры для их численной реализации применительно к двумерным задачам. Хотя обсуждаются в основном задачи для конечной однородной изотропной среды, рассмотрены также задачи с внутренними источниками, кусочной неоднородностью среды, ортотропией и анизотропией, бесконечными или полубесконечными областями — все это делается точно так же, как и в гл. 2 для задач о потенциале.

Затем кратко обсуждаются трехмерные задачи и несколько более подробно описано приложение к асимметричным случаям. Зависящее от времени фундаментальное решение для осесимме-тричного случая получается непосредственно из решения для трехмерной задачи, и представлена процедура численного решения уравнения (1) для осесимметричной области.

2. Преобразование Лапласа

Введем следующее обозначение преобразования Лапласа для функции и (х, t), для которой это преобразование допускается:

  (4)

и предположим, что параметр преобразования X — действительное положительное число.

Интегрируя по частям, можно показать, что

  (5)

Уравнение (1) после выполнения преобразования принимает вид

  (6)

Граничные условия (2) также следует преобразовать в соответствии с формулой (4.4), полагая для простоты, что они не зависят от времени, и получая в результате

   (7)

Аналогично находим и преобразование Лапласа для уравнения взвешенных невязок

   (8)

где  Интегрируя    оператор Лапласа дважды по частям, получим

   (9)

Полагая фундаментальным решением уравнения (6), удовлетворяющим равенству

  (10)

из уравнения (9) найдем

   (11)

Фундаментальное решение U* для трехмерных задач имеет вид

   (12)

а для двумерных задач —

    (13)

где— модифицированная функция Бесселя второго рода порядка

Исследуем особенности записанных выше фундаментальных решений. При U0 к нулю стремится и аргумент модифицированных функций Бесселя. Предел функции при  имеет вид

     (14)

что дает

  (15)

Отсюда следует, что фундаментальное решение уравнения (6) имеет особенность того же типа, что и фундаментальное решение исходного уравнения Лапласа.

Аналогично получаем предел функции:

      (16)

откуда   имеем

   (17)

Первое слагаемое в правой части этого выражения представляет собой фундаментальное решение для двумерного уравнения Лапласа, тогда как второе слагаемое является некоторой постоянной.

Считая точку £ в уравнении (11) принадлежащей границе и учитывая, что интеграл от функции Q* имеет разрыв, когда точка | находится на границе Г, получим уравнение

  (18)

где коэффициент с имеет то же значение, что и раньше.

В дискретной форме это уравнение решается численно для последовательности N выбранных значений параметра преобразования, задаваемых достаточно произвольно. Отметим, что наличие специальных начальных условий приводит к интегралу по области Q. Один путь вычисления этого интеграла состоит в разбиении всей области на ячейки и численном интегрировании по каждой из них. Однако если функция и0 удовлетворяет уравнению Лапласа, то интеграл по области в уравнении (18) можно преобразовать в эквивалентные граничные интегралы. Каким бы ни был метод вычисления интеграла по области, этот интеграл уже не вводит дополнительной неизвестной, поскольку функция и0 задается, а уравнение (18) по-прежнему остается граничным интегральным уравнением.

Последним этапом является обратное преобразование решения, которое выполняется численно. Следуя, например, методу Шапери, предположим, что функция и в любой точке может быть представлена в виде бесконечного ряда

   (19)

где— стационарное решение, ап и bп — функции пространственных   координат.   Применяя   к   представлению   (19) преобразование Лапласа,  получим

    (20)

Значения коэффициентов bn полагаются равными предварительно выбранным значениям А,. Таким образом, остается определить N значений коэффициента а в каждой граничной точке (плюс в каждой внутренней точке, в которой требуется знать решение). Решения уравнения (18) дают N значений функции U в каждой точке, что позволяет с помощью выражения (20) определить коэффициенты аn и, следовательно, с помощью выражения (19) найти значения физической величины U. Аналогичные расчеты требуется проводить и при определении действительных значений внутренних и граничных потоков.

Отметим, что обратное преобразование по существу представляет собой процесс аппроксимации кривой, и раз так, то в процессе численного решения важно знать ожидаемый характер поведения решения, с тем чтобы подобрать значения параметра преобразования Я,, поскольку, выбрав слишком много значений, можно сделать неустойчивым процесс нахождения решения с помощью выражения (20), тогда как выбор слишком малого числа значений не позволит с достаточной точностью аппроксимировать кривую.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65546. НАЦІОНАЛЬНО-ВИЗВОЛЬНА ІДЕЯ В ХУДОЖНЬОМУ ТРАКТУВАННІ УКРАЇНСЬКИХ ПИСЬМЕННИКІВ ПЕРШОЇ ЕМІГРАЦІЙНОЇ ХВИЛІ 157.5 KB
  Останнє набуло особливої значимості для формування національної ідеї збереження духовності нації. Своє бачення національної ідеї українства оприявнювала й література передусім через твори тих письменників доробок котрих мав виразне національне спрямування.
65547. АВТОМАТИЗОВАНЕ УПРАВЛІННЯ ПІДСИСТЕМАМИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО КОМПЛЕКСУ ЦУКРОВОГО ЗАВОДУ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ДІАГНОСТИКИ І ПРОГНОЗУВАННЯ 937 KB
  Метою роботи є підвищення ефективності функціонування ТК цукрового заводу за рахунок удосконалення систем автоматизації шляхом використання алгоритмів діагностики і прогнозування. При вирішенні поставлених задач одержані нові наукові результати: вперше показано що для оцінки...
65548. МЕТОДИ ТА СИСТЕМИ ВІДТВОРЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ НА БАЗІ ЛОГІКО-ЧАСОВИХ ПЕРЕТВОРЕННЬ 857.65 KB
  Для візуального подання інформації та її реалістичного відображення необхідно створити системи відтворення зображень серед яких перспективними є світлодіодні матричні екрани які широко використовуються в професійних інсталяціях.
65549. ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБКИ НА СЕРЕДНІХ ТОКАРНИХ ВЕРСТАТАХ ЗА РАХУНОК ОПТИМІЗАЦІЇ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ РІЗЦІВ І РЕЖИМІВ РІЗАННЯ 868.5 KB
  В умовах ринкової економіки вибір типа конструкції інструменту його параметрів режимів різання має бути кількісно обґрунтований з урахуванням багатьох технічних економічних і ергономічних факторів причому рішення що приймаються мають бути оптимальними.
65550. ТЕХНОЛОГІЯ СТРУКТУРНИХ МОДИФІКАЦІЙ ДЕГРАДАЦІЙНО-РЕЛАКСАЦІЙНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ В ФУНКЦІОНАЛЬНИХ МАТЕРІАЛАХ НА ОСНОВІ СТЕКОЛ ТА КЕРАМІКИ ДЛЯ СЕНСОРІВ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ 376.5 KB
  Визначальним фактором прогресу сучасного людського суспільства є розвиток матеріалознавства, пошук, розробка та широке впровадження принципово нових та синтетичних матеріалів з унікальними функціональними властивостями, високою надійністю і технологічною відтворюваністю.
65551. ІНВЕСТИЦІЙНА ПРИВАБЛИВІСТЬ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ПІДПРИЄМСТВ 223 KB
  Тому одним із найважливіших завдань які стоять перед кожним з них зокрема та перед економікою країни в цілому є підвищення рівня інвестиційної привабливості. Особливої гостроти проблема підвищення інвестиційної привабливості набуває в сільському господарстві яке значно відстало...
65552. ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕРМОПАРАМИ В ПРОЦЕСІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ 1.36 MB
  Метою дисертації є розробка методу корекції похибки від набутої в процесі тривалої експлуатації термоелектричної неоднорідності електродів термопар на основі аналізу властивостей цієї похибки.
65553. ОРГАНІЗАЦІЙНО-ПЕДАГОГІЧНІ УМОВИ ПРОФЕСІЙНОЇ ПІДГОТОВКИ ФАХІВЦІВ ПОЖЕЖНО-РЯТУВАЛЬНОЇ СЛУЖБИ 295.64 KB
  Водночас важливим шляхом у процесі трансформування є глибоке осмислення й усвідомлення власного історичного досвіду звернення до національних джерел зародження і розвитку професійної підготовки фахівців пожежнорятувальної служби.
65554. Комплексна оцінка успішності інтродукції видів роду PICEA Dietr. в умовах Сходу України 317 KB
  На Сході України ялини є інтродукованими видами. Уперше для умов Сходу України: визначено особливості росту якісні показники селекційну структуру стан формове різноманіття та репродуктивну спроможність ялин; визначено перспективність застосування видів ялин для створення насаджень...