- •Воронеж 2017
- •Редакционная коллегия
- •Введение
- •В.И. Ряжских, а.В Ряжских, в.А. Рябцев о некоторых особенностях функционалов для плоских задач теплопроводности
- •Е.И. Иохвидов формулы обращения и некоторые их приложения
- •Д.В. Хван, а.А. Воропаев, ю.Б. Рукин повышение несущей способности пресса для осадки с кручением
- •В.А. Трубецкой, с.Л. Добрынин математическое описание учебного робота рс-121
- •В.И. Ряжских, а.В. Ряжских, в.А. Рябцев моделирование методом конечных элементов температурного поля тонкой пластины с отверствиями
- •В.А. Шаруда задача о сдвиговом воздействии на нелинейное упругое полупространство
- •М.Ф. Томилов, ф.Х. Томилов, с.А. Толстов оценка возможности бездефектного производства деталей из листовых заготовок
- •В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, с.С. Безгин, к.А. Устинов экспериментальное определение параметров модели многопереходной листовой штамповки
- •В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, а.А. Гольцев, а.В. Струкова, ю.Б. Рукин экспериментальное построение диаграммы деформирования материалов в условиях сложного напряженного состояния
- •Ю.Б. Рукин, р.А. Жилин, е.Ю. Чернышова дискретное моделирование механизма очистки решет очистителя зерна стационарного
- •Постановка задачи и конечно-элементная модель
- •Результаты конечно-элементного моделирования
- •Выводы и рекомендации
- •В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, а.А. Гольцев, ю.Б. Рукин, л.В. Хливненко определение параметров кинематического упрочнения для создания баз данных сапр листовой штамповки
- •А.П. Бырдин, в.И Кузнецова, в.С. Прач, а.А Сидоренко о распространении плоских термоупругих волн в наследственно-упругой среде
- •В.И. Ряжских, а.В. Ряжских, в.А. Рябцев об одном способе дискретизации областей при решении краевых задач вариационными методами
- •В.А. Трубецкой, а.К. Муконин преобразование координат m-фазной машины. Структуры контура регулирования фазных токов
- •Т.И. Костина, ю.И. Сапронов нелокальный анализ периодических колебаний математического маятника
- •Заключение
- •Содержание
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
- •394006 Воронеж, 20-летия Октября, 84
В.И. Ряжских, а.В. Ряжских, в.А. Рябцев об одном способе дискретизации областей при решении краевых задач вариационными методами
Рассматривается решение краевой задачи о температурном поле тонкой изотропной пластины в вариационной постановке. Граничная часть области определения задачи, покрывается конечными элементами, а внутренняя часть - равномерной плоской сеткой. Рассмотрены проблемы формирования функционала энергии задачи и определения его минимума. Приведен пример решения указанной задачи и дана сравнительная оценка точности решения
Рассматривается вариационная формулировка краевой задачи о стационарной температурном поле тонкой плоской изотропной пластины при отсутствии теплоотдачи на внешнем контуре и поверхностях пластины. Для решения задачи предложен метод дискретизации пластины, использующий и метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР), далее для краткости называемый гибридным методом. Рассмотрены возникающие при этом проблемы.
Уравнение стационарной теплопроводности пластины в системе координат , имеет вид
, (1)
где
-
абсолютная температура;
- оператор Лапласа;
;
.
П
усть
-
область, занятая срединной плоскостью
пластины в системе
(рисунок),
-открытое
множество, а
-
граница
.
Пусть на
задана температура, а на частях
- теплообмен отсутствует и выполняется
условие Неймана
,
(2)
где
- нормаль к
.
Если
- элемент границы
;
-
направляющие косинусы внешней нормали
к границе пластины, то энергетическая
норма
,
(3)
где
;
;
;
.
Пусть
-
гильбертово пространство и
не равна тождественно нулю всюду в
и удовлетворяет указанным граничным
условиям. Оператор
является положительным в
.
Существование единственного решения
для задачи Дирихле для оператора
при смешанных краевых условиях, к которым
относятся и условия Неймана.. Если
функция
удовлетворяет уравнению
и граничным условиям, то она минимизирует
функционал
.
Можно доказать, что смешанные граничные
условия для функционала
является естественным, то есть для
функции
,
минимизирующей
,
эти условия удовлетворяется автоматически.
Поэтому при минимизации
можно использовать функции
,
не удовлетворяющие (2), что значительно
упрощает алгоритм вычислений.
Для
минимизации функционалов можно
использовать дискретизацию области
.
В сложившейся практике для этого чаще
всего используется метод конечных
элементов или метод конечных разностей.
В обоих случаях существенно упрощается процесс решения задачи за счет автоматического удовлетворения естественных граничных условий. При использовании неодинаковых КЭ основной проблемой является ограниченность памяти ЭВМ, необходимой для размещения матриц КЭ, информации о координатах их узлов и матрицы связи локальных номеров узлов КЭ с их глобальными номерами и другой информации.
При использовании МКР и простой структуре области информация о сетке вполне определяется ее шагами вдоль осей координат, шаблоном, отражающим структуру формул конечно- разностных производных, перечнем номеров граничных узлов и их типов. Существенные проблемы при использовании МКР и решении систем конечно-разностных уравнений задачи возникают при формулировке смешанных граничных условий типа, в частности (2). Однако еще большие проблемы возникают при решении краевых задач для областей сложной формы или с криволинейными границами. Использование внешних узлов сетки для или внутренних узлов сетки и нецентральных разностных формул снижает и точность аппроксимации уравнения и граничных условий, и точность решения.
В
работе предлагается метод решения
краевых задач (1)-(2), использующий
достоинства МКЭ и МКР и минимизирующий
их недостатки. Метод заключается в
разделении области
на область
простой формы, в которой краевая задача
аппроксимируется МКР, и область
,
в которой используются конечные элементы.
Очевидно, что
должна включать границу области
.
На границе
между
и
,
являющейся внутренней для
,
можно не ставить никаких граничных
условий, поскольку вклад
в энергию системы равен нулю.
При решении задач для многосвязных областей можно использовать нескольких областей указанных типов и несколько границ типа . При таком подходе не требуется большого количества КЭ, что значительно экономит память ЭВМ. Недостатки метода - совершенно различные описания выражений функционалов типа в областях и и невозможность использования стандартных пакетов программ для ЭВМ.
Для
иллюстрации гибридного метода используется
задача теплопроводности квадратной
пластины при заданной температуре на
сторонах
и
(рис. 1) и условиях Неймана для сторон
и
.
Поскольку на
,
,
а на
,
,
условия Неймана на границах
и
выполняются. Выполнение условий на
и
не вызывает проблем. Можно показать
[3], что интегралы по
и
имеют постоянные значение и для
определения
вместо (3) можно использовать функционал
.
Для проведения вычислений производится дискретизация области МКЭ. Используется простейший треугольный элемент с узлами в вершинах (рис. 1) [1].
Пусть
-температура
в узлах КЭ с локальными номерами 1,2,3,
соответствующими глобальным номерам
узлов
,
а
-матрица-столбец.
Температура в точке с координатами
и
представляется в виде линейной по
и
функции
,
где
-
функция формы КЭ [2].
Пусть
-
номер КЭ,
-количества КЭ, а
-
количество узлов КЭ и сетки в
.
Пусть
-
матрица- столбец узловых температур
для
.
При замене
системой КЭ
заменяется функционалом
,
Вектор
градиент функционала
в точке
.
Область
заменяется системой регулярно
расположенных узлов с шагами
и
,
а производные от температуры во внутренних
узлах
– центральными конечно – разностными
формулами
,
,
где
-
номер узла сетки;
-число
узлов сетки в горизонтальном слое узлов.
Для аппроксимации производных от по х в точках границы использованы нецентральные разностные формулы типа
,
и
аналогичные выражения для производных
по
.
С
учетом разностных выражений для
и
получается
,
где
-
симметричная матрица, системы разностных
уравнений, в которой неизвестными
считаются величины температуры во всех
узлах, покрывающих
,
в том числе и входящих в КЭ.
Вектор
градиент функционала
в точке
.
Пусть
-матрица типа
и
для всей области
.
Тогда
симметричная матрица,
,
а вектор градиент функционала
в точке
.
Поскольку
вторая вариация
по
положительна,
выпукл по
и, следовательно, имеет локальный минимум
в
.
При минимизации
по
градиентными методами [3] требуется
многократно вычислять
и его градиент
.
При этом можно не формировать матрицу
явно, поскольку вклады КЭ и узлов сетки
в
можно определить на основании полученных
выражений. Это существенно уменьшает
объем оперативной памяти ЭВМ и позволяет
решать задачи с количеством КЭ и узлов
порядка сотен даже на ПЭМ.
В
качестве примера рассматривается задача
для квадратной пластины
см. Использовалось всего 32 КЭ и 120 узлов,.
Приняты следующие граничные условия
для
.
На границе
-
,
на границе
-
.
На отрезках
-
и
-
заданы условия отсутствия теплопередачи
(условия Неймана). Точное решение для
указанной задачи имеет вид
,
где
Вычисления
проводились по оригинальной программе
на алгоритмическом языке TurboPascal
7.0. Поскольку количество узлов на сторонах
КЭ различно, для стыковки решений в
и
и определения
и компонентов градиента функционала
на границе
использовалась линейная интерполяция.
Функционал
минимизировался методом градиентного
спуска с проектированием градиента
на область
[2]. Вектор
определялся по формуле
,
где
;
-
в первом приближении заданная величина
и изменяющаяся в процессе вычислений
с учетом информации о величине
различия направлений
и
.
В качестве начального приближения
использовался вектор
,
удовлетворяющий граничным условиям на
,
и
.
Величины температуры во внутренних
точках
и сторонах
и
можно задавать в разумных границах
произвольно. Вычисления показали, что
результат минимизации
слабо (в пределах вычислительных
погрешностей) зависит от выбора
.
Наиболее быстрая сходимость процесса
оптимизации наблюдается при определении
компонентов
линейной интерполяцией по граничным
значениям температуры. Скорость
сходимости вычислений, конечно, зависит
и от величин температуры на границах
и от выбора
.
При начальном
=
1 решение находится за 100-200 приближений
за несколько минут в режиме диалога.
Пусть
и
точная температура в узле и полученная
в результате решения рассмотренной
задачи оптимизации. Величина
достигает максимума в узле 96 и отношение
в этом узле равно 6,9%. Такую невысокую
точность можно объяснить довольно
грубым разбиением на КЭ и высокими
градиентами температуры.
Литература
Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Перевод с английского / О. Зенкевич.– Москва: Издательство Мир, 1975.-542с.
Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию/ Б.Т. Поляк.– Москва: Издательство Наука, 1983.-384 с.
Ряжских В.И., Ряжских А.В., Рябцев В.А. Моделирование МКЭ температурного поля тонкой пластины с отверстиями при теплоотдаче на обеих поверхностях и внешней границе. «Информатика: проблемы, методология, технологии» Материалы XVII Международной научно-методической конференции, Воронеж 9-10 февраля 2017 г. Том 2. Воронеж, Издательство «Научно исследовательские публикации» ООО «Велборн», 2017, с.378-385 http://welborn@scirep.ru
Воронежский государственный технический университет
УДК.62-83:621.313.3
