Metoda elementów brzegowych

Podobne dokumenty
Metoda elementów brzegowych

Zastosowanie MES do rozwiązania problemu ustalonego przepływu ciepła w obszarze 2D

numeryczne rozwiązywanie równań całkowych r i

Inżynierskie metody numeryczne II. Konsultacje: wtorek 8-9:30. Wykład

Γ D Γ Ν. Metoda elementów skończonych, problemy dwuwymiarowe. problem modelowy: w Ω. warunki brzegowe: Dirichleta. na Γ D. na Γ N.

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

1 Symulacja procesów cieplnych 1. 2 Algorytm MES 2. 3 Implementacja rozwiązania 2. 4 Całkowanie numeryczne w MES 3. k z (t) t ) k y (t) t )

y i b) metoda różnic skończonych nadal problem nieliniowy 2 go rzędu z warunkiem Dirichleta

ANALIZA MATEMATYCZNA

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

x y

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

Równania różniczkowe: -rozwiązania w bazie funkcyjnej (porzucamy metodę różnic skończonych)

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

Rachunek całkowy - całka oznaczona

1 Całki funkcji wymiernych

Równania różniczkowe: poza metodę różnic skończonych -rozwiązania w bazie funkcyjnej

rozwiązanie (bardzo) dokładne MRS: gęsta siatka

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

Równania różniczkowe zwyczajne: problem brzegowy [1D]

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Rozwiązywanie układów równań liniowych

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów. 7. Całkowanie numeryczne

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

FUNKCJE I RÓWNANIA KWADRATOWE. Lekcja 78. Pojęcie i wykres funkcji kwadratowej str

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

KADD Minimalizacja funkcji

Łagodne wprowadzenie do Metody Elementów Skończonych

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

Lista 6. Kamil Matuszewski 13 kwietnia D n =

Rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych metodą elementów skończonych - wprowadzenie

Elektrostatyka, cz. 1

Kinematyka płynów - zadania

Elementy równań różniczkowych cząstkowych

II. RÓŻNICZKOWANIE I CAŁKOWANIE NUMERYCZNE Janusz Adamowski

1 Układy równań liniowych

2) R stosuje w obliczeniach wzór na logarytm potęgi oraz wzór na zamianę podstawy logarytmu.

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Projekt 6: Równanie Poissona - rozwiązanie metodą algebraiczną.

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Metody numeryczne w przykładach

Zajęcia nr 1 (1h) Dwumian Newtona. Indukcja. Zajęcia nr 2 i 3 (4h) Trygonometria

Całkowanie numeryczne

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

2.1. Postać algebraiczna liczb zespolonych Postać trygonometryczna liczb zespolonych... 26

Siły wewnętrzne - związki różniczkowe

Model odpowiedzi i schemat oceniania do arkusza II

[ P ] T PODSTAWY I ZASTOSOWANIA INŻYNIERSKIE MES. [ u v u v u v ] T. wykład 4. Element trójkątny płaski stan (naprężenia lub odkształcenia)

Funkcje dwóch zmiennych

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Zaawansowane metody numeryczne

Spis treści. Rozdział I. Wstęp do matematyki Rozdział II. Ciągi i szeregi... 44

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Zaawansowane metody numeryczne

WYKŁADY Z MATEMATYKI DLA STUDENTÓW UCZELNI EKONOMICZNYCH

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

2. Układy równań liniowych

1 Relacje i odwzorowania

Równania różniczkowe cząstkowe (RRCz) równanie eliptyczne równanie Poissona

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Przykład przedstawia rozwiązanie problemu brzegowego 7u +3xu=9x 2 +4 u ( 1)=3 u(2)= 2

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU MAGISTERSKIEGO

MATEMATYKA I SEMESTR ALK (PwZ) 1. Sumy i sumy podwójne : Σ i ΣΣ

Metody rozwiązania równania Schrödingera

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

8. Metody rozwiązywania układu równań

Całka podwójna po prostokącie

Przykładowe zadania na egzamin z matematyki - dr Anita Tlałka - 1

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

Wymagania edukacyjne z matematyki w klasie III A LP

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Wymagania edukacyjne, kontrola i ocena. w nauczaniu matematyki w zakresie. podstawowym dla uczniów technikum. część II

Transkrypt:

Metoda elementów brzegowych Lu=f plus warunki brzegowe możliwe podejścia: 1) Metoda różnic skończonych 2) Metoda elementów skończonych silna postać równania + ilorazy różnicowe obszar podzielony na elementy, w każdym z elementów rozwiązanie u w postaci wielomianu interpolacyjnego 3) Metoda elementów brzegowych tylko brzeg dzielony na elementy w których zadajemy u a liczymy du/dn (lub na odwrót)

Formalizm ważonych reszt: (uniwersalny dla metod przybliżonych) u = rozwiązanie dokładne (r) rozwiązanie przybliżone jego błąd błąd łatwo oszacować: chcielibyśmy e(r)=0, ale zadowolimy się: słaba forma równania różniczkowego w(r) =fcja wagowa obustronnie mnożymy przez funkcję wagową, całkujemy obustronnie i żądamy znikania błędy w sensie słabym (błąd ortogonalny do funkcji wagowej )

1. Metoda różnic skończonych w formalizmie reszt ważonych ( odpowiedność dla słabej formy równania) 1) przestrzeń dzielimy na identyczne elementy, 2) w każdym elemencie rozwiązanie przybliżone rozwijamy w bazie funkcji kształtu (interpolacja Lagrange a na węzłach narożnych) 3. Funkcje wagowe: (tyle funkcji ile węzłów) każda waga: delty Diraca scentrowana w jednym z węzłów. (Błąd dopuszczamy tylko poza węzłami) 1,2,3+wartość główna pochodnej na granicy elementów = równania MRS

Metoda różnic skończonych: continuum opisane na dyskretnej siatce dx + O(dx 2,dy 2 ) dy metoda najprostsza w zastosowaniu (duży komfort jeśli rachunek pójdzie tą metodą), lecz: podaje rozwiązanie tylko w dyskretnych punktach wolno zbieżna: wymaga wielkich siatek (często zbyt wielkich) słabo sprawdza się lokalne zagęszczanie siatki (błąd ilorazu różnicowego skacze o jeden rząd przy nierównej siatce)

2. Metoda elementów skończonych 1) elementy np. czworokątne, rozłożone jak nam pasuje [pochodne liczymy dokładnie] 2) w każdym elemencie rozwiązanie przybliżone rozwijamy w bazie funkcji kształtu 3. Funkcje wagowe: f k (metoda Galerkina): równania na c k Błąd ortogonalny do bazy. Metoda równoważna wariacyjnej.

3. Metoda elementów brzegowych 1) funkcja wagowa = rozwiązanie fundamentalne (swobodna funkcja Greena związana z operatorem L ) = pozostanie nam równanie całkowe 2) wprowadzimy elementy brzegowe, oraz funkcje kształtu, które opiszą wartość u oraz jej pochodnej normalnej 3) policzymy drugi warunek brzegowy 4) wartość u w dowolnym punkcie dana będzie przez całkę konturową wzdłuż brzegu

rozwiązanie fundamentalne (swobodna funkcja Greena) niejednorodne równanie różniczkowe: Lu=f plus wb. Równanie fundamentalne operatora L rozwiązanie fundamentalne (odpowiedź na punktową niejednorodność, na źródło punktowe) x=punkt bieżący, a = źródło punktowego zaburzenia na rozwiązanie fundamentalne nie nakłada się żadnych warunków brzegowych, poza

rozw. fundamentalne będzie określone z dokładnością do rozwiązania równania jednorodnego Lu=0 funkcja Greena: jedno z rozwiązań fundamentalnych: ma spełniać zadane warunki brzegowe w MEB swobodna funkcja Greena: dowolna, ogólna byle dana prostym wzorem, warunków brzegowych spełniać nie musi (metoda ma działać dla dowolnych warunków brzegowych)

rozwiązanie fundamentalne 1D: dalej pracujemy z L= 2 = H(x i -x) y x=x i u * (x;x i ) x Ciągła funkcja nieciągła pochodna

3D 2D 3D 2D

rozwiązanie fundamentalne 2D: współrzędne cylindryczne względem źródła ze względu na symetrię poza źródłem: równanie Laplace a z radialną symetrią poza źródłem równanie fundamentalne spełnione, czy również w r=0?

Czy? D r i =0 całkujemy obustronnie, ma wyjść: całka powierzchniowa po D:

zamiast po D łatwiej po kole otaczającym źródło (można, bo poza nim: ) D n całkujemy obustronnie r i całka powierzchniowa po D: + całkowanie przez części 2D a=1, b=

e e n r i =0 Ma wyjść -1 Dla A=-1/2p: laplasjan z ma własności delty Diraca B pozostaje dowolne, zazwyczaj bierze się B=0

2D: Podobnie można sprawdzić, że w 3D:

niejednorodne równanie różniczkowe rozwiązane przy pomocy swobodnej funkcji Greena, przykład + wb u(0)=u(1)=0 rozwiązanie: u(x)=x(1-x 2 )/6 metoda ważonych reszt całkujemy przez części [u w] =u w+u w u w = [u w] -u w drugi raz przez części [uw ] =uw +u w u w = [uw ] -uw

weźmy:! wymagana znajomość zarówno u jak i jego pochodnej (normalnej) na brzegu!

odpowiednik równania całkowego, które będziemy rozwiązywać w 2D odpowiednik całki powierzchniowej odpowiednik całki objętościowej w 2D dostaniemy 2D: W G 1D: W G pochodna normalna: + d / dx z prawej części przedziału - d / dx z lewej części przedziału

x i z przedziału (0,1), własności delty + warunki brzegowe na u(0)=u(1)=0: można rozwiązać analitycznie

... analitycznie: x i z przedziału (0,1), x=1 x=0 x=1 x=1 x=1

x=1 x=1 x=1 bc : jeszcze raz u(1)=0 uwaga: wyznaczyliśmy po drodze w. Neumanna (i tak będziemy robić w MEB)

Rozwiązanie fundamentalne a funkcja Greena [z warunkami brzegowymi] + wb u(0)=u(1)=0 doprowadziło nas do równania całkowego: plus g(x=0)=g(x=1)=0 fcja Greena: konstruowana pod równanie niejednorodne odpowiedź na źródło punktowe+ warunki brzegowe narzucone na równanie niejednorodne, które chcemy rozwiązać

Funkcja Greena z warunkami brzegowymi plus WB np. g(x=0)=g(x=1)=0 własności g? 1) spełnia określone warunki brzegowe na brzegu pochodna w źródle: 3) ma spełniać równanie jednorodne poza źródłem 2) skok pochodnej w źródle (mieliśmy tak również w rozw. fund.)

4) zażądajmy ciągłości fcji Greena w x i Ax i =B(x i -1) plus skok pochodnej: B-A=-1 B = - x i A = (1-x i ) x i 0 1

swobodna funkcja Greena funkcja Greena (z warunkami brzegowymi) y z u * do g: dodane rozwiązanie Laplace a -x i x x=x i u * (x;x i ) x i g x 0 1 własność ogólna: g(a;b)=g(b;a) [wpływ źródła w a na punkt b taki jak źródła w b na punkt a]

Jaki zysk z g? + wb u(0)=u(1)=0 weźmy: w=g(x;x i ) - zamiast: plus WB np. g(x=0)=g(x=1)=0 ogólnie Lu=f Rozwiązanie równania różniczkowego: Niejednorodność scałkowana z funkcją Green a

Green z warunkiem brzegowym Greena swobodna znacznie prostsze dlaczego w BEM stosuje się trudniejszy przepis? znalezienie funkcji Greena g z dowolnymi warunkami brzegowymi dla dowolnie skomplikowanego brzegu jest trudne w ogóle, a w szczególności trudne do zautomatyzowania. Dlatego zamiast g: swobodna funkcja Greena: prosty wzór, zależny tylko od typu równania

Równanie różniczkowe do całkowego W n G słaba forma równania z fcją Greena jako wagą Całkowanie przez części: Tożsamość Gaussa Greena

BEM odpowiada metodzie reszt ważonych z wagą w postaci rozwiązania fundamentalnego: TGG:

- z oznaczeniami: -

Podstawowe równanie MEB: - pochodzi z: 1) reszty ważone z wagą w postaci rozwiązania fundamentalnego 2) druga tożsamość Greena aby przerzucić operator różniczkowy z nieznanego rozwiązania do rozwiązania fundamentalnego 3) własności delty Diraca 4) silnej formy równania różniczkowego Zamieniliśmy cząstkowe równanie różniczkowe na równanie całkowe (w sposób ścisły): do tej pory : brak przybliżeń

Jakie c i? c i zależy : gdzie umieścimy źródło r i wewnątrz r i c i =1 na zewnątrz r i c i =0 W W

W na brzegu r i G dla metody elementów brzegowych: akurat sytuacja z brzegiem jest najważniejsza r i na brzegu: c i =? na gładkiej części brzegu: w powiększeniu fragment gładkiej części brzegu jest odcinkiem prostej (delta Diraca przecięta na pół) brzeg ma prawo mieć kanty r i w c i =½ wnętrze

1D: delta jest funkcją parzystą całkujemy po prostych przechodzących przez r i i obracamy je o kąt p: r i kręcimy całka po kierunku niebieskim: zero [zawsze poza obszarem W] w kąt wewnętrzny w całka po kierunku zielonym: ½ u(r i ) wnętrze: W przyczynek od kierunków zielonych : c i =w / 2p

podstawowe równanie MEB - Jeśli znamy u oraz q znajdziemy rozwiązanie w każdym punkcie wewnątrz W! Ale warunki brzegowe zadaje się albo na u albo na q, skąd drugi warunek brzegowy?

Metoda elementów brzegowych: nie zawiera niewiadomych nie wnosi wiele do idei, Powiedzmy więc że r=0 - brzeg dzielony na elementy G 1 G 7 W G G 2 na każdym elemencie brzegowym zadany jeden warunek brzegowy, drugi wyliczany G 3 G 5 G 6 G 4 wartości u oraz q opisane przy pomocy interpolacji wielomian węzłowy Lagrange a

w jaki sposób wyliczany drugi warunek brzegowy? G 1 G 7 W G G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 N węzłów, N niewiadomych punkt obserwacji r i ustawiany kolejno w każdym węźle brzegowym. każde wstawienie da nam jedno równanie = układ równań liniowych

Problem modelowy: stagnation flow 2 u=0, u=x 2 -y 2 grad (u) = (2x,-2y)

w każdym elemencie: opisujemy u oraz q na brzegu w bazie funkcji kształtu, weźmy najprostsze (liniowe): u 1 u 2-1 x 1 Uwaga: na ogół tylko w węzłach udaje się wprowadzić dokładne warunki brzegowe

Wstawimy warunek Dirichleta i będziemy starali się odzyskać warunek Neumanna 0.40 0.00 Dirichlet dokładny (x,y)=(1,1) -0.40-0.80-1.20-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 przybliżony Dirichlet (wynik interpolacji dokładnego warunku brzegowego w bazie liniowych funkcji kształtu) -2= u/ n 2= u/ n 2= u/ n -2= u/ n (x,y)=(-1,-1) u/ n =n gradu (u)

macierze wpływu F 1 F 2 pierwszy (lewy) węzeł elementu n-tego : on numerze globalnym lg(n,1) [buchalteria węzłów i składanie macierzy dokładnie tak jak w MES]

macierze wpływu numeruje lokalizację delty D. (źródła, fcji Greena) numeruje element numeruje fcje kształtu (lokalna numeracja węzłów) podobnie: wtedy:

co można przedstawić w postaci Hu=Gq macierze H i G trzeba poskładać [jak w MES] Węzeł 1 = lokalny 1 elementu 1 oraz lokalny 2 elementu 12

Składanie macierzy wpływu zaczepmy źródło w i=1 [pierwszy wiersz] Hu=Gq pierwszy wiersz macierzy H: u 1 u 2... = w j-tym wierszu c wchodzi do diagonali [do kolumny j] pierwszy wiersz macierzy G: q 1 q 2...

liczymy lokalne macierze wpływu całkować będziemy po elemencie odniesienia ze zmienną x przestrzeń n wnętrze

całkować będziemy po elemencie odniesienia ze zmienną x możliwa próba scałkowana 1/x od 0 x a =x i

całkować będziemy po elemencie odniesienia ze zmienną x n Zagrożenie jest pozorne: na prostym elemencie, w którego węźle zlokalizowana jest funkcja Greena jej gradient jest prostopadły do wersora normalnego do powierzchni.

jeśli element nie będzie prosty: grad u będzie lokalnie prostopadły do n, co wystarczy aby całka skończona w praktyce: ta całka jest najtrudniejsza do obliczenia (najwolniej zbieżna) [można uniknąć jej liczenia korzystając z reguły sumowania podanej poniżej]

dajmy osobliwość do węzła i=2 W problemie laboratoryjnym całki macierzy wpływu h są łatwe do policzenia na tym fragmencie brzegu: elementy h są zero bo gradient z rozwiązania fundamentalnego jest do brzegu styczny Na pozostałej części brzegu elementy h nie znikają, ale są łatwe do policzenia bo 1/(r-r 2 ) zbytnio się nie zmieniać nie będzie na długości jednego elementu brzegowego wniosek: H ii =c i

odpowiednia chwila by zobaczyć, że: macierze wpływu MEB są niesymetryczne, [w MES dla równania Poissona macierze sztywności były symetryczne] pierwszy wiersz H ze źródła wstawionego do węzła 1 drugi wiersz ze źródła wstawionego do węzła 2 ten wyraz jest zero węzeł 2 sąsiedni z 1 zero (węzeł 2 należy do elementu 1 i 2) węzeł 2 nie należy do elementu 12 więc zero nie wyjdzie

druga lokalna macierz wpływu: gdy osobliwość znajduje się w jednym z węzłów: trzeba ją scałkować [ta osobliwość całkowalną jest] 0.00-1.00-2.00 ln(x) -3.00-4.00-5.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 kwadratury Gaussa świetnie się sprawdzają

Całkowanie kwadraturą Gaussa funkcji z logarytmiczną osobliwością 0.00-2.00-4.00 punkty wezwane przez Gaussa 32 punktowego dla a=1 wynik num: zamiast: -0.9994022-1 -6.00 dla a=1-8.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

-0.0060 0 2 4 6 8 10 a 16 12 8 4 0-4 0 2 4 6 8 10 a niebieski: Gauss numeryczny 32 punkty czerwony: analityczny czarny: błąd [analitycznynumeryczny] 0.0000-0.0020-0.0040

Składanie globalnych macierzy wpływu Lokalizacja osobliwości rozwiązania fundamentalnego w węźle i-tym produkuje i-ty wiersz macierzy H oraz G Liczymy macierze lokalne, a następnie składamy globalne: lg(k,l) globalny numer węzła l-tego w k-tym elemencie brzegowym Kończymy uzupełniając diagonalę H o parametry geometryczne c :

wyniki dla du/dn na brzegu: (wstawiamy D, liczymy N) 0-2.22-2.22 0 2.22 2.22 2.22 2.22 dokładne: 0-2.22-2.22 0-2= u/ n 2= u/ n 2= u/ -2= u/ n

wynik: zerowa u/ n na kantach MEB: przewiduje jedną wartość pochodnej normalnej w węźle 2-2 jaka ma być pochodna normalna na kancie? jeśli będziemy udawać, że kant jest zaokrąglony grad (u) = (-2x,-2y) zero akurat jest wynikiem poprawnym dla takiego węzła... ale problem jest kłopotliwy numerycznie

4 elementy brzegowe na bok kwadratu (równe odstępy): u/ n 0-2.286-1.95-2.286 0 plus plus minus

9 elementów brzegowych na bok kwadratu (równe odstępy): górny brzeg: u/ n 1.00 0.00-1.00-2.00-2.30378-1.953834-1.997503-2.00488 0 na kancie ma uzasadnienie, jako wartość główna pochodnej ale powoduje problemy dla interpolacji rozwiązania na pionowych i poziomych końcach. metoda wolałaby dwa parametry niezależne. -3.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00-1 1

pomysł na rozwiązanie problemu 2-2 2-2 osaczyć kant nowymi wierzchołkami

1.00 równo rozłożone wierzchołki 1 wierzchołek extra o 0.01 od narożnika 0.00 u/ n -1.00-2.00-3.00-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 x dla y=+1 (wzdłuż górnego brzegu)

drugi wierzchołek extra o 0.01 od poprzedniego 1.00 0.00 u/ n -1.00-2.00-3.00-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 x dla y=+1 (wzdłuż górnego brzegu)

trzeci wierzchołek extra o 0.02 od poprzedniego 1.00 0.00-1.00 u/ n -2.00-3.00-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 x dla y=+1 (wzdłuż górnego brzegu) wniosek: problem można zawęzić do okolic brzegu, gdzie istotnie występuje. Dla całki punktowe i skończone przekłamanie funkcji podcałkowej bez znaczenia.

Po wyznaczeniu brakującego warunku brzegowego Wyznaczmy u wewnątrz obszaru całkowania ze wzoru... 1 trzeba macierze wpływu przeliczyć dla każdej (nowej) lokalizacji punktu obserwacji r i Uwaga: mamy całkowitą swobodę w wyborze siatki punktów, w których znajdziemy u i. Liczymy tylko tam, gdzie rozwiązanie nas interesuje.

0.40 0.00 3 równe elementy na 1 bok kwadratu wyniki na osi x=0 czarne= numeryczne czerwone y 2 0.00-0.20 9 równych elementów na1 bok kwadratu -0.40 u -0.80 u -0.40-0.60-0.80-1.20-1.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 y (dla x=0) y (dla x=0)

-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 3 równe elementy na bok kwadratu 1.20 wzdłuż: x=0.9 czarne= numeryczne czerwone.9 2 y 2 0.80 0.40 1.20 0.80 9 równych elementów na bok kwadratu (węzeł.77 potem 1) 0.00 0.40-0.40 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0.40 0.00-0.40-0.80-1.20 wb. D -1.00-0.50 0.00 0.50 1.00-0.40 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 warunek Dirichleta wciąż nie całkiem spełniony [kwadratowe funkcje kształtu rozwiązałyby problem po prawej] 0.40 0.00-0.40-0.80-1.20

-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 Inne warunki brzegowe: Dirichlet na niezerowej części brzegu Neumann na reszcie Hu=Gq Składamy jak zawsze Dirichlet w jednym 0.8 punkcie 0.6 0.4 0.2 u=x 2 -y 2 Dx=Cy Reorganizujemy macierze przekładając wiersze z jednej do drugiej 0-0.2-0.4-0.6-0.8 układ równań: macierz D, w której pierwszą kolumnę bierzemy z G ze zmienionym znakiem, resztę z H w C: pierwsza kolumna z H ze mienionym znakiem reszta z G y=(u 1,q 2,q 3,...) x=(q 1,u 2,u 3,...) Rozbieżność w wartościach u w węźle 0.40 0.00-0.40-0.80-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 musimy zostawić jedno u na brzegu zostawiłem u(-1,1)=0 Wyniki dla u Wzdłuż górnego brzegu -1.20

Reguła sum Hu=Gq jeśli u spełnia równanie Laplace a, u+c również, ponadto H i G bez zmian Hu=Gq Hu+H[c]=Gq wektor o stałych wyrazach dla każdego i użyteczność: dla krzywoliniowych elementów najtrudniejsza jest policzenie diagonalnych wkładów do H - gdzie całka jest najwolniej zbieżna (dla krzywoliniowych elementów) j j, Ale: do jej oszacowania można użyć pozostałych elementów, które szybciej zbieżne] co więcej: nie musimy martwić się o wyznaczenie c i

druga reguła sum (równanie jednorodne) 2) podobnie jeśli rozwiązanie fundamentalne to +c również Hu=Gq Hu=(G+[c])q macierz suma funkcji kształtu dla każdego elementu = 1 stąd po złożeniu każdy elementy macierzy G rośnie o c H nie ulega zmianie, bo w liczeniu elementów h wykorzystywana jest tylko pochodna normalna należy czytać: zdyskretyzowana forma prawa Gaussa strumień zero, jeśli źródeł brak - użyteczność drugiej reguły sum w powyższej formie ograniczona do równania jednorodnego

Wersja metody elementów brzegowych dla równania niejednorodnego: Hu=Gq+n Hu+H[c]=Gq +n - - całka objętościowa Hu=Gq+n uwaga: pierwsza reguła sum, przeżywa -

Całkowanie niejednorodności z rozwiązaniem fundamentalnym (osobliwością): - r i r(r) przy rozwiązywaniu równań dla drugiego warunku brzegowego nie ma problemu, gdy niejednorodność r(r) nie leży na brzegu lub gdy gęstość ładunku jest skończona (całkujemy wtedy logarytm * skończona funkcja jak elementy macierzy g) problem z osobliwością rozwiązania fundamentalnego wewnątrz W pojawia się gdy poszukujemy rozwiązania wewnątrz obszaru całkowania [współrzędne kartezjańskie słabo się do całkowania wtedy nadają]

... gdy poszukujemy rozwiązania wewnątrz obszaru całkowania W r i z objętości całkowania wycinamy kulę (koło) o zadanym promieniu i środku w osobliwości całkujemy we współrzędnych biegunowych względem osobliwości całka po kole: jakobian likwiduje osobliwość

jakobian likwiduje osobliwość w źródle 2.00 1.00 0.00 r ln (r) ln (r) -1.00-2.00-3.00 jakobian podobnie 3D: r 2 1/r fcja Greena 0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 całka po kole: gdy źródło na brzegu:całkowanie po kącie węższe, lub R(f)

MES porównanie MEB Elementy generowane na całym obszarze całkowania W równania różniczkowego W G Elementy generowane tylko na brzegu G (wymiar o jeden niżej). Ale: niejednorodność należy wycałkować po całym obszarze jej występowania. [co może być łatwe, jeśli np. źródła punktowe] Otrzymujemy rozwiązanie na całym W 1) Najpierw rozwiązujemy równanie na drugi wb na brzegu G 2) Następnie liczymy rozwiązanie tylko w punktach wnętrza które nas interesują Rozwiązywane jest równanie przybliżone (słaba forma równania z wagami = funkcjami bazowymi). Jeśli dyskretyzacja brzegu dokładna: również warunek brzegowy wstawimy dokładny (ale w ograniczonej bazie) Rozwiązywane jest równanie dokładne (słaba forma równania z funkcją Greena jako wagą = jest dokładnym odpowiednikiem oryginalnego równania). Ale: warunki brzegowe są wstawiane w sposób przybliżony.

MES MEB generowane są macierze duże rzadkie i symetryczne (operator samosprzężony) macierze gęste i niesymetryczne, ale mniejsze o tym, która metoda produkuje łatwiejsze w eksploatacji macierze decyduje stosunek objętości do powierzchni, gdy duży MEB preferowana. MEB stosowalna dla nieskończonych obszarów elementy macierzowe całkowalne łatwo: (macierz sztywności = analitycznie lub dokładnie numerycznie [całki z wielomianu]) wektor sztywności: nieco trudniej funkcje podcałkowe są osobliwe całkowanie numeryczne jest trudne stosowalność: bardzo szeroka, z problemami nieliniowymi włącznie o stosowalności decyduje znajomość rozwiązania fundamentalnego, są równania liniowe, w których o nie trudno

Przykład: zastosowanie swobodnej fcji Greena w rachunkach analitycznych, problem warunków brzegowych O delcie Diraca i zupełności fcji własnych operatorów samosprzężonych dla dowolnej f zał: f n unormowane z w szczególności

Przykład: zastosowanie swobodnej fcji Greena w rachunkach analitycznych 1 u=0 u=0 0 0 u=0 1 rozwiązać można separując zmienne: Rozwiązania równania Laplace a znikające na brzegach: interesuje nas tylko rozwiązanie wewnątrz obszaru całkowania więc c i =1 poszukamy rozwiązania fundamentalnego, które znika na brzegach pudła

1 u=0 u=0 spróbujmy skonstruować fcję Greena dla Zerowych warunków brzegowych: 0 0 u=0 1 fcje własne operatora samosprzężonego: baza ortogonalna

1 u=0 u=0 (minus bo x=0 to brzeg lewy) 0 0 u=0 1

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 y=p/4 0.80 dokładny 0.40 suma 20 wyrazów 0.00-0.40

1.20 dokładny y=p/4 0.80 0.40 suma 200 wyrazów 0.00 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

1.20 dokładny y=p/4 0.80 0.40 suma 600 wyrazów 0.00 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

1.20 Szereg jest wolno zbieżny 0.80 suma 600 wyrazów 0.40 0.00 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 czasem wygodniej jest pracować z kompaktową formą swobodnej funkcji Greena oraz z pełnym równaniem całkowym.