有限元与有限差分法基本
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有限元法与有限差分法的主要区别有限差分方法(FDM)是计算机数值模拟最早采用的方法,至今仍被广泛运用。
该方法将求解域划分为差分网格,用有限个网格节点代替连续的求解域。
有限差分法以Taylor级数展开等方法,把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散,从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。
该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法,数学概念直观,表达简单,是发展较早且比较成熟的数值方法。
对于有限差分格式,从格式的精度来划分,有一阶格式、二阶格式和高阶格式。
从差分的空间形式来考虑,可分为中心格式和逆风格式。
考虑时间因子的影响,差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。
目前常见的差分格式,主要是上述几种形式的组合,不同的组合构成不同的差分格式。
差分方法主要适用于有结构网格,网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。
构造差分的方法有多种形式,目前主要采用的是泰勒级数展开方法。
其基本的差分表达式主要有三种形式:一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等,其中前两种格式为一阶计算精度,后两种格式为二阶计算精度。
通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合,可以组合成不同的差分计算格式。
有限元方法的基础是变分原理和加权余量法,其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解。
采用不同的权函数和插值函数形式,便构成不同的有限元方法。
有限元方法最早应用于结构力学,后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。
在有限元方法中,把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元,在每个单元内选择基函数,用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解,整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的,则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。
1.1 概念有限差分方法(FDM)是计算机数值模拟最早采用的方法,至今仍被广泛运用。
该方法将求解域划分为差分网格,用有限个网格节点代替连续的求解域。
有限差分法以Taylor级数展开等方法,把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散,从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。
该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法,数学概念直观,表达简单,是发展较早且比较成熟的数值方法。
1.2 差分格式(1)从格式的精度来划分,有一阶格式、二阶格式和高阶格式。
(2)从差分的空间形式来考虑,可分为中心格式和逆风格式。
(3)考虑时间因子的影响,差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。
目前常见的差分格式,主要是上述几种形式的组合,不同的组合构成不同的差分格式。
差分方法主要适用于有结构网格,网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。
1.3 构造差分的方法构造差分的方法有多种形式,目前主要采用的是泰勒级数展开方法。
其基本的差分表达式主要有三种形式:一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等,其中前两种格式为一阶计算精度,后两种格式为二阶计算精度。
通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合,可以组合成不同的差分计算格式。
2. FEM2.1 概述有限元方法的基础是变分原理和加权余量法,其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解。
采用不同的权函数和插值函数形式,便构成不同的有限元方法。
2.2 原理有限元方法最早应用于结构力学,后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学、土力学的数值模拟。
在有限元方法中,把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元,在每个单元内选择基函数,用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解,整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的,则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。
有限差分法和有限元法的区别
有限差分法是一类数值分析方法,它是基于差分方程来解决一定类别
的偏微分方程或积分方程,以求得近似解。
它将偏微分方程抽象成一系列
分布在有限区域内的相连点上的离散数学模型,从而使得本来不可解的微
分方程可以近似地变成可解的差分公式,而实际上只是用有限个离散量来
代替连续量,实现状态的模拟和描述。
有限元法也称为有限元分析,是解决偏微分方程的数值计算方法之一。
有限元法将一个定义在有界区域上的连续域分解为有限个单元,并建立一
种合理的元素模型,用此模型描述物体的本构特性和它们在边界处的分布,并以此为基础通过拉格朗日乘子法解决局部有限元素方程,组合解得整体
有限元素解,从而解决问题。
两者的主要区别在于:1、求解的机制不同,有限差分法是将偏微分
方程转化为离散数学模型,而有限元法是将定义在有界区域上的连续域分
解为有限个单元,然后通过拉格朗日乘子法解决局部有限元素方程;2、
精度不同,有限差分法的精度取决于离散化的程度,而有限元法依赖于所
建立模型的准确性,有限元法的精度普遍比有限差分法要高;3、应用范
围不同,有限差分法能处理一些更加复杂的问题,而有限元法只能处理。
有限元法原理将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。
从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
运用步骤步骤1:剖分:将待解区域进行分割,离散成有限个元素的集合.元素(单元)的形状原则上是任意的.二维问题一般采用三角形单元或矩形单元,三维空间可采用四面体或多面体等.每个单元的顶点称为节点(或结点).步骤2:单元分析:进行分片插值,即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开,即建立一个线性插值函数步骤3:求解近似变分方程用有限个单元将连续体离散化,通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。
有限元法把连续体离散成有限个单元:杆系结构的单元是每一个杆件;连续体的单元是各种形状(如三角形、四边形、六面体等)的单元体。
每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数,这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。
根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组,求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。
有限元法已被用于求解线性和非线性问题,并建立了各种有限元模型,如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。
有限元法十分有效、通用性强、应用广泛,已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。
结合计算机辅助设计技术,有限元法也被用于计算机辅助制造中。
有限差分法the Finite Difference Method微分方程和积分微分方程数值解的方法。
基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替,这些离散点称作网格的节点;把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似;把原方程和定解条件中的微商用差商来近似,积分用积分和来近似,于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组,即有限差分方程组,解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。