- •Численные методы
- •Часть 3
- •Содержание
- •Введение
- •Классификация методов взвешенных невязок
- •Метод наименьших квадратов
- •Частные случаи метода взвешенных невязок
- •Метод моментов
- •Метод коллокаций
- •Метод подобластей
- •Метод конечных разностей
- •Расширение понятия функции
- •Пространство основных функций
- •Обобщенные функции
- •Дифференцирование обобщенных функций
- •Сходимость метода взвешенных невязок Основные понятия и определения
- •Обобщенное решение дифференциального уравнения
- •Сходимость метода конечных элементов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Аппроксимация функций
- •Функции одной переменной
- •Кусочно-постоянные функции
- •Кусочно-линейные функции
- •Функции высших степеней
- •Иерархические многочлены
- •Функции двух переменных Треугольные конечные элементы. Линейная аппроксимация
- •Квадратичная аппроксимация
- •Четырехугольные конечные элементы
- •Функции трех переменных
- •Контрольные вопросы и задания
- •Задачи теплопроводности
- •Уравнение стационарной теплопроводности
- •Аппроксимация решения кусочно-линейными функциями
- •Процедура ансамблирования конечных элементов
- •Аппроксимация решения кусочно-квадратичными функциями
- •Использование иерархических многочленов
- •Уравнение нестационарной теплопроводности
- •Контрольные вопросы и задания
- •ЗадачИ механики деформируемого твердого тела Постановка задачи
- •Разрешающие соотношения метода взвешенных невязок Уравнение равновесия
- •Физические уравнения
- •Геометрические уравнения
- •Ансамблирование конечных элементов
- •Плоско-деформированное состояние
- •4 Узел 3 узел 3 узел
- •1 Элемент
- •2 Элемент
- •Плоско-напряженное состояние
- •Осесимметричное напряженно-деформированное состояние
- •Решение задач упругопластичности
- •Метод переменных параметров упругости
- •Метод дополнительных нагрузок
- •Контрольные вопросы и задания
- •ЗадачИ механики жидкости
- •Уравнения движения в переменных «функция тока – вихрь скорости»
- •Граничные условия
- •Граничные условия для функции тока
- •Граничные условия для функции завихренности
- •Соотношения метода взвешенных невязок
- •Разрешающие соотношения для функции тока
- •Разрешающие соотношения для функции завихренности
- •Разрешающие соотношения для поля давления
- •Алгоритм решения задачи
- •Контрольные вопросы и задания
- •Метод граничных элементов
- •Фундаментальное решение
- •Построение фундаментального решения
- •Контрольные вопросы и задания
- •Предметный указатель
- •Библиографический список
- •Приложение Бояршинов Михаил Геннадьевич Численные методы
- •Часть 3
Уравнение нестационарной теплопроводности
Рассматривается одномерное уравнение нестационарной теплопроводности для тонкого однородного стержня с теплоизолированной боковой поверхностью
(3.18)
с граничными
(3.19)
и начальными условиями
. (3.20)
Здесь дополнительно введены обозначения: c – удельная теплоемкость, – плотность материала. Как и ранее, для упрощения W, c, и считаются постоянными величинами.
Весь отрезок длиной L разбивается на ряд равных отрезков длиной h каждый. Решение задачи на произвольном отрезке [xi, xj] строится с помощью разделения переменных в виде
.
Например, для кусочно-линейной аппроксимации это выражение представляется в форме
. (3.21)
Невязка уравнения ( 3 .18), получаемая на решении ( 3 .21), взвешивается с весовыми функциями i и j,
(3.22)
Выполняются преобразования первого из этих уравнений:
,
,
.
Учитывая, как и ранее, что
,
последнее соотношение приводится к виду
.
Подстановка разложения ( 3 .21) приводит к выражению
.
Аналогичные преобразования второго уравнения системы ( 3 .22) приводят к соотношению
.
В сравнении с системой уравнений ( 3 .5)
и ( 3 .6) последние выражения содержат
дополнительные слагаемые, которые
определяются с учетом вида функций
и
:
,
,
.
Теперь система обыкновенных дифференциальных уравнений относительно узловых значений температуры Ti(t) и Tj(t) имеет вид:

Удобно полученную систему уравнений представить в матричной форме
. (3.23)
Здесь использованы матричные обозначения:
,
,
,
.
Для интегрирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений ( 3 .23) могут быть использованы схемы
-
явная
,
-
неявная
,
-
Крэнка-Николсона
.
Последняя разностная схема в виде системы линейных алгебраических уравнений
![]()
наиболее часто используется при решении прикладных задач нестационарной теплопроводности. Использование процедуры ансамблирования для всех конечных элементов, аппроксимирующих рассматриваемый стержень, позволяет исключить внутренние неизвестные тепловые потоки qi и qj.
Контрольные вопросы и задания
-
Объясните, в чем заключается причина некорректности постановки задачи ( 3 .0) – ( 3 .1).
-
Опишите порядок построения разрешающих соотношений метода взвешенных невязок для стационарного уравнения теплопроводности.
-
Покажите, что системы уравнений ( 3 .15), ( 3 .16) и ( 3 .17) имеют определители, равные нулю.
-
Поясните, почему при использовании иерархической системы функций в системах уравнений ( 3 .15), ( 3 .16) и ( 3 .17) отсутствуют длины h конечных элементов?
-
С помощью метода Галеркина постройте разрешающие соотношения для одномерного уравнения стационарной теплопроводности с использованием кусочно-линейной аппроксимации решения.
-
С помощью метода Галеркина постройте разрешающие соотношения для одномерного уравнения стационарной теплопроводности с использованием кусочно-квадратичной аппроксимации решения.
-
Прокомментируйте процесс ансамблирования конечных элементов на примере стационарной задачи теплопроводности. Как учитываются граничные условия I, II и III рода при получении разрешающих соотношений?
-
Сопоставьте варианты разрешающих соотношений, полученных на основе метода Галеркина, с использованием кусочно-линейной и кусочно-квадратичной аппроксимаций. Укажите достоинства и недостатки того и другого способов аппроксимации.
-
С помощью метода Галеркина постройте разрешающие соотношения для одномерного уравнения нестационарной теплопроводности с использованием кусочно-линейной аппроксимации решения.
-
С помощью метода Галеркина постройте разрешающие соотношения для одномерного уравнения нестационарной теплопроводности с использованием кусочно-квадратичной аппроксимации решения.
-
Укажите недостатки и достоинства приведенных в тексте схем аппроксимации производных по времени. Предложите иные разностные схемы аппроксимации производной по времени.
