FEM基本原理

本文深入探讨了有限元方法(FEM)的基本策略,即通过简单函数的组合近似复杂函数,重点介绍了分段函数组合的概念,这是现代力学分析的核心思想。文章还概述了加权残值法、变分方法和伽辽金方法等关键FEM技术。

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有限元方法是基于“离散逼近(discretized approximation)”的基本策略,可以采用较多数量的简单函数的组合来“近似”代替非常复杂的原函数。

 复杂的函数,可以通过一系列的基地函数来近似,其中有两种典型的方法:

(1)基于全域的展开(如采用傅里叶级数展开)

(2)基于子域(sub-domain)的分段函数(pieces function)组合(如采用分段线性函数的连接) 

对于第一种的函数逼近方式,就是力学分析中的经典瑞利-里兹方法(Rayleigh-Ritz principle)的思想,

而针对第二种的函数逼近方式,就是现代力学分析中的有限元方法的思想,其中的分段就是“单元”的概念。 

 

1.加权残值法

加权余量法是通过余量与权函数的正交化过程,把一个算子方程转化为一个可以利用计算机求解的线性代数方程组。

      

2.变分方法

 

  

 

 3 伽辽金方法

 

 

 

这就是FEM方法

 

转载于:https://www.cnblogs.com/Iknowyou/p/7027734.html

### 计算流体力学基本原理 #### 数值模拟与流体动力学方程 计算流体力学(CFD),旨在通过数值方法求解流体力学中的控制方程,从而实现对复杂流动现象的预测和分析[^1]。这些控制方程主要包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律,它们共同构成了纳维-斯托克斯方程组。 对于不可压缩牛顿流体而言,连续性方程表达为: \[ \nabla \cdot \vec{u} = 0 \] 其中 $\nabla$ 表示梯度运算符, $\vec{u}$ 是速度向量;而动量方程则可以写作: ```matlab syms rho u v w p mu % 定义变量 % 对于二维平面内的不可压流体简化形式如下所示: eq_momentum_x = diff(rho*u,'x') + diff(mu*(diff(u,'y')),'y') == -diff(p,'x'); eq_momentum_y = diff(rho*v,'y') + diff(mu*(diff(v,'x')),'x') == -diff(p,'y'); ``` 上述公式描述了流体内各点处的速度分布随时间和空间的变化规律。 #### 离散化方法 为了能够利用计算机来解决实际工程问题,在理论上定义好的偏微分方程需要被转换成适合数值求解的形式——即离散化的代数方程体系。常用的离散化技术有有限差分法(FDM),有限元法(FEM) 和有限体积法(FVM)。每种方法都有其特点及适用范围: - **FDM**:基于泰勒级数展开近似导数项; - **FEM**:采用变分原理构建弱形式并引入试探函数; - **FVM**:遵循物理意义上的守恒原则,适用于处理具有间断性的强非线性问题。 在具体应用过程中,还需要考虑网格划分策略的选择,边界条件设置等因素的影响,以确保最终获得可靠的解决方案。
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