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有限元法的误区和拟协调元
中国科学: 物理学 力学 天文学 2014 年 第44 卷 第8 期: 838–850
SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS
论 文
有限元法的误区和拟协调元
① ②* ②
唐立民 , 胡平 , 夏阳
① 大连理工大学工程力学系, 大连 116024;
② 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 运载工程与力学学部汽车工程学院, 大连 116024
*联系人, E-mail: pinghu@
收稿日期: 2013-05-13; 接受日期: 2014-04-01; 网络出版日期: 2014-07-08
国家自然科学基金重点项目(批准号:和国家自然科学基金(批准号:资助项目
摘要 现行有限元法的理论和作法存在误区, 对有限元函数空间和弱形式导数认识不足, 因而阻碍了
有限元法的进一步发展. 本文给出了拟协调元的理论和作法作为对照. 利用函数序列表示有限元函数空
间, 提出了单元独立性原理, 证明协调条件不是单元函数构造时必须考虑的因素. 强调多项式基函数在
构造单元函数中的作用, 讨论了单元函数的构造, 指出单元函数应随着单元细化收敛于相应的泰勒级数.
证明了使用弱形式平衡方程时, 必须同时使用弱形式的协调方程. 提出网线弱导数, 拓广了有限元中弱
导数的内涵.
关键词 网线弱导数, 有限元函数空间, 单元独立性原理, 拟协调元, 有限元
PACS: 46.15.-x, 45.10.-b, 02.70.-c, 46.70.-p
doi: 10.1360/132013-219
数值计算包括两个部分: 第一, 用什么算子, 例 的研究滞留了一百多年. 直到有限元法在 20 世纪五、
如微分方程、变分和差分等; 第二, 用什么插值函数, 六十年代得到大量应用后, 对一般弹性力学问题的
例如解析的幂级数、三角函数或是离散的差分格式等. 求解才得到解决.
算子和插值函数的选择决定了数值计算方法的性能. 有限元法巧妙的采用了所谓“分片多项式”, 将
例如, 离散的差分法计算格式简单, 但是计算量较大, 连续的整体分割成许多个单元, 把解析分析和离散
而且难以处理不规则形状的边界条件. 如果在整个 的数值分析结合起来. 由于单元变小, 所以单元域的
区域用一个解析的幂级数多项式作为基函数, 那就 近似函数只需几项多项式, 简单方便, 可以适用于复
要用很多项进行逼近, 增加了计算量, 而且也存在难 杂的边界条件. 有限元的“分片多项式”方法是了不
以处理复杂边界条件的问题. 在工程实际中, 需要计 起的一大创举. 自20 世纪 50 年代初, 伴随着电子计
算量小、精度高, 可以处理复杂边界条件的数值方法. 算机运用的出现, 有限元方法取得了辉煌成功, 对弹
尽管弹性力学的微分方程在 19 世纪 20 年代就建立了, 性力学和机械、船舶、汽车、航空航天等学科及行业
但是只能停留在理想的理论阶段, 有效的求解方法 产生了巨大的影响, 至今仍然作为基础的现代计算
引用格式: 唐立民, 胡平, 夏阳. 有限元的误区和拟协调元. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2014, 44: 838–850
Tang L M, Hu P, Xia Y. The misconception in fi
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