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华科微纳系统仿真大作业讲述
1、用有限差分法和有线元方法把以下问题变成数值方程,并说明两种方法的异 同:
?2?(x, y) ??0
边界条件:
?(x,0) ???(x,1) ??0
?(0, y) ???(1, y) ??0
解:
(1)有限差分法 有限差分法的基本思想是将问题求解域划分为均匀的差分网格,用有限个网格
节点代替连续的求解域。基于 Taylor 级数展开等方法,把描述问题的微分方程中的 微分用网格节点上的函数值的差分来代替,从而将微分方程转化为以网格节点上函 数值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数 值解法,数学概念直观,表达简单,是发展较早且比较成熟的数值方法
,
?2?(x, y) ??0
该方程为拉普拉斯方程 ?2u ??u
uyy
xx
将运算符离散化,则 f ?(x) 的近似值公式为
f ?(x) ??f ( x ??h) ??2 f ( x) ??f ( x ??h) ??O(h2 )
h2
(1-1)
由于定义域为 0 ??x ??1,0 ??y ??1, 将定义域划分为均匀网域,x,y 方向的步长
都记为 h,则
?2u ??u( x ??h, y) ??u( x ??h, y) ??u( x, y ??h) ??u( x, y ??h) ??4u( x, y) ??O(h2 )
h2
将 O(h2 ) 这个高阶无穷小舍去,则
(1-2)
?2u ??u( x ??h, y) ??u( x ??h, y) ??u( x, y ??h) ??u( x, y ??h) ??4u( x, y) ??0
h2
(1-3)
其中在所 有的内部网格点 (x, y) ??(xi , y j ), i ??2,?, n ?1; j ??2,?, m ?1, 精度为
O(h2 ) ,用 u
i, j
近似表示 u(xi , y j
) ,则式(1-3)可以表示为
u ??u ??u
u ??4u
?2u
i, j
????i ?1, j i ?1, j i , j ?1 i , j ?1 i , j ??0
h2
(1-4)
这就是拉普拉斯方程的五点差分公式,将 h2 消去可得
ui?1, j ??ui?1, j ??ui, j ?1 ??ui, j ?1 ??ui, j ?1 ??4ui, j ??0
(1-5)
根据边界条件?(x,0) ???(x,1) ???(0, y) ???(1, y) ??0,
将定义域划分为 5×5 网格,如下图所示:
最终得到由 9 个方程组成的 AP=B 线性方程组,表示为:
??4 p1 ??p2
p1 ??4 p2 ??p3
p2 ??4 p3
p4
p5
??0
??0
??p6 ??0
p1 ??4 p4 ??p5
p2 ??p4 ??4 p5 ??p6
p7
??0
??p8 ??0
p3 ??p5 ??4 p6
p4 ??4 p7 ??p8
??p9 ??0
??0
p5 ??p7 ??4 p8 ??p9 ??0
p6 ??p8 ??4 p9 ??0
通过高斯消去法可以得到解向量
P ??[ p1 , p2 ,?, p9 ]
(2)有限元方法 使用有限元发的计算流程为:
A、求解区域离散化;
B、 构造插值函数形成分段光滑的坐标函数系;
2
C、 用 Ritz 方法求解微分方程。 对??x, y??构造函数
1 ???????2
????????
????x, y???????
??? ??
2 ?
????x ?
???? ??
???y ?
?dxdy
??
首先将整个区域离散为三角形的子区域如图 1,三角形微小子区域中的值由三 角形节点值的插值结果表示,即
图 1 求解域离散为 n 三角形
??x, y????Ni?i ??N j?j ??Nk?k
其中 Ni , N j , Nk 为三角形的节点插值函数,?i ,?j ,?k 为函数??x, y??在节点 i, j, k
处的函数值。
可知每一个三角形子区域中泛函可由节点插值函数和节点函数值表示,那么对 于整个求解区域的泛函表达式为,
????x, y???????1,?2,???,?n ?
由变分原理可知,
???????
?????????????0
??1
??2
??n
计算这 n 个方程即可得到整个求解区域的值。
(3)有限差分法与有限元法的异同
相同的地方:两种方法都使用了离散化的思想,对求解域进行离散。并且都是 将求解域划分成有限个网格进行近似求解。
不同的地方:有限差分法是利用级数的概念将连续函数离散化,正如高等数学 上所
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