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6热传导问题的有限元法
本章应用变分原理,将求解域的微分方程,转化
为泛函,然后通过求泛函的极值,找到原问
题的解。
6-1问题的提出
前面对于力学问题,采用直接法或者虚功原理,
建立了有限元的求解格式
但是对于非结构问题,必须借助数学工具:变分
原理分析,求泛函的极值
比如,热传导中稳定温度场的求解是工程中经常
遇到的问题
对于均质物体内温度不随时间变化的情况,温度
分布函数7=7(x,y,2)应满足拉普拉斯方程:
atatat
0
再加上用得最多(一般)的边界条件
OT
+aT
TO
λ一热传导系数(与温度栟度有关)
α一对流换热系数(与温度有关)
T—外界介质温度
Ⅰ一物体边界。
上式称为定解问题。
除非几何形状特别简单,如无限大平面,半无限
大平面,圆平面,一般无法得到解析解。为此
要采用数值方法。有限元法即是其中的一种可
选的方法。
有限元法求解偏微分方程的思路:1)利用变分
原理将偏微分方程转化为等价的泛函;2)假
设单元上的场变量变化形式,即插值涵数或试
探函数;3)寻找试探函数的系数一节点场变
量,以使泛函取极值。
下面首先简要介绍变分、泛函,然后推导有限元
格式。
6-2泛函与变分的基本概念
函数:z=f(x),X变,2变。
泛函:平面上两点A、B之间的距离
d
d
y变,廖。l是y的泛函一函数的函数
当然,使泛函取得极值的自变函数y的变化要复
杂的多
三变分法
函数取极值的条件:次=0,d称为微分
泛函取极值的条件:
0,δ称为变分
四变分
函数微分
f(
x+△x·E
f(x)kx,c为任意小的正数
o8
E=0
可以用来研究函数z在x处的变化
类似,泛函在某点y的变化,可以通过对泛函的
变分
x)+8
来观察。}泛函,ε一任意小的正数。
五泛函取极值的条件
函数在x处取极值的条件:
dz=ef(
E
E=0
泛函′=|y(×)]在y=yo(x处取极值的必要条件是
/=0,即
C
yo(x)+eS
上式的含义是:异于y(x)的y都使/偏离最大值
点或最小值点,此时,/处于“左也不是,右也
不是”的状态
可见,函数取极值的必要条件和泛函取极值的必
要条件是类似的。只不过函数的自变量在极值
点附近的变化方式,比泛函中的自变函数的变
化方式要简单一些而已。
六变分法预备定理
设函数F(x)在[x1,x2连续,对于by(x),如果有
F(x)syd=0
则F(x)=0[x,x]。5(x)是y的变分
by(x)的条件:一阶或若干阶可微,在X1,x处为
零
bykε或|y|及|by|E,等。
这些话的意思是:y是连续区间[X1,x2]中一段曲
线。该曲线的变分,就是说它可以变化。这种
变化可以是:值的变化,一阶导数的变化,高
阶导数的变化等。
下面证明:一维泛函(只与一个函数有关)取极
值的条件。
设有泛函
DVx)=「Fxy(x)y(x)x
其中:泛函中的自变函数y(x)(平面上的曲线)
在积分区间[X1,以2]的端点x1,x2处的值是已知的,
V1,y(r
认为函数F[xy(x)y(x)三阶可微。
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