- •1. Концепция метода конечных элементов
- •2. Дискретизация области
- •2.1. Типы конечных элементов
- •2.2. Одномерный симплекс-элемент
- •2.3. Двухмерный симплекс-элемент
- •2.4. Локальная система координат одномерного симплекс-элемента
- •2.5. Локальная система координат для двухмерного четырехугольного элемента
- •2.6. Интерполяционные полиномы для дискретизованной области
- •2.7. Преобразование системы уравнений
- •2.8. Решение системы уравнений
- •2.9. Решение стационарной одномерной задачи теплопроводности методом конечных элементов.
- •2.10. Решение стационарной двумерной задачи теплопроводности методом конечных элементов.
2.3. Двухмерный симплекс-элемент
Двухмерный симплекс-элемент показан на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Двухмерный симплекс-элемент
В методе конечных
элементов принята нумерация узлов
против часовой стрелки, начиная от
некоторого
-го
узла, который выбирается произвольно.
Узловые значения скалярной величины
обозначаются через
,
и
,
а координатные пары трех узлов – через
,
,
.
Интерполяционный полином имеет вид
;
(2.16)
Послед подстановки
узловых значений функции
и соответствующих координат узлов
получаем систему трёх уравнений
,
(2.17)
решая которую получаем
,
(2.18)
,
(2.19)
.
(2.20)
Определитель
системы связан с площадью треугольника
соотношением
. (2.21)
Выражения (2.18)–(2.20) можно записать в виде
,
,
Подставляя значения
,
и
в формулу (2.16), можно преобразовать
выражение для
к виду, подобному (2.14). Это соотношение
определяющее элемент, содержит три
функции формы по одной для каждого узла:
, (2.22)
где
;
;
или
;
;
;
или
;
;
;
или
.
Значение функции
формы
в
-м
узле равно 1, а в узлах
и
равно нулю. Аналогично функции
и
равны 1 соответственно в узлах
и
.
Скалярная величина
определяется внутри элемента функциями
формы, линейными по
и
.
Это означает, что градиенты этой величины
в направлениях
и
будут постоянны. Градиенты в направлении
определяется соотношение
, (2.23)
Поскольку
,
.
Поэтому
. (2.24)
Так как
,
,
постоянны (они фиксированы как только
заданы узловые координаты) и
,
,
не зависят от координат пространства,
частная производная в (2.24) имеет постоянное
значение. Постоянство градиента внутри
каждого элемента означает, что необходимо
использовать очень малые по величине
элементы, чтобы аппроксимировать быстро
меняющуюся функцию
.
2.4. Локальная система координат одномерного симплекс-элемента
Когда используется произвольная глобальная система координат, значения узловых координат ограничены только границами области. Было бы полезным упрощением, если бы экстремальные значения этих координат принимали значения –1, 0 или 1. Этого можно достигнуть выбором локальной (местной) системы координат, привязанной к элементу так, чтобы координаты менялись линейно между нормированными узловыми координатами. Система координат такого типа называется системой локальных (естественных) координат.
Преимущество естественных координат состоит в том, что интегрирование по элементу для метода конечных элементов часто может быть проведено в стандартном аналитическом виде.
Рассмотрим
одномерный элемент
с узлами
и
(см. рис. 2.8). Координатами узлов
и
в глобальной системе координат являются
и
,
соответственно.
Введем локальную
систему координат, поместив начало
системы в
-м
узле элемента (см. рис. 2.8)
. (2.25)

Рис. 2.8. Локальная система координат для одномерного элемента
Для узла
локальная система координат запишется
. (2.26)
Из выражений
(2.25), (2.26) видно, что при
–
,
,
а при
–
,
.
Независимой
является только одно из координат
и
,
что следует из соотношения
.
Можно отметить
также, что
и
.
Таким образом
. (2.27)
Как будет показано
ниже, обычно элементные вклады могут
быть выражены в
-координатах
как произведение узловых значений и
интегралов типа
,
где
и
целочисленные показатели степени.
Интегрирование можно провести аналитически
согласно формуле
, (2.28)
где
– длина конечного элемента.
2.5. Локальная система координат для двухмерного симплекс-элемента
Координата площади
в двухмерном случае аналогична координате
длины в одномерном случае. Для произвольно
выбранной точки
в трехузловом элементе площадь
треугольника
(см. рис. 2.9) определяется по формуле
,
а площадь всего треугольника
– по формуле
.
Тогда отношение площадей
.
(2.29)

Рис. 2.9. Три площади, связанные с произвольной точкой треугольника, и локальные координаты
Ясно, что величина
изменяется в пределах от нуля до единицы.
Координаты
и
определяются аналогично
,
,
(2.30)
и изменяются в тех
же пределах, что и
.
Так как
,
. (2.31)
Координаты
,
,
называются
-координатами.
Изучение свойств
,
,
с учетом соотношения (2.31) обнаруживают
некоторые интересные сведения.
Координатные переменные
,
,
представляют собой функции формы для
треугольного симплекс-элемента
,
,
. (2.32)
Как видно из рис. 2.9

Подобные соотношения
выполняются также для
и
.
Кроме того, формула (2.31) позволяет
утверждать, что в произвольной точке
элемента функции формы всегда в сумме
равны единице.
Если записать следующие зависимости
(2.33)
и разрешить их
относительно
,
,
,
то в результате получим соотношения,
идентичные (2.22).
Формула интегрирования
для треугольного симплекс-элемента с
использованием
-координат
имеет вид
, (2.34)
Использование соотношения (2.34) может быть проиллюстрировано при вычислении интеграла вида
![]()
Этот интеграл по площади элемента преобразуется следующим образом

