Метод многосеточных конечных элементов

Бесплатный доступ

Для решения ряда важных физических крае-вых задач (решения уравнений которых эквива-лентны нахождению минимума соответствую-щие функционалов) предлагается метод много-сеточных конечных элементов (ММКЭ), кото-рый реализуется на основе соотношений и ал-горитмов метода конечных элементов (МКЭ) в форме метода Ритца с применением многосе-точных конечных элементов (МнКЭ). При по-строении n-сеточного конечного элемента (КЭ) используем n вложенных сеток. Мелкая сетка порождена базовым разбиением тела, которое учитывает его сложную форму и физические особенности краевой задачи (например, неодно-родную структуру упругого тела). Остальные сетки применяем для понижения размер-ности МнКЭ (причем с увеличением n размер-ность МнКЭ уменьшается). Суть МнКЭ заклю-чается в следующем. На базовом разбиении n-сеточного КЭ, которое состоит из из-вестных односеточных КЭ, определяем функ-ционал краевой задачи как функцию многих переменных, которыми являются значения ис-комой функции в узлах мелкой сетки. На ос-тальных n-1 сетках строим аппроксимирующие функции, которые используем для понижения размерности функции, что позволяет про-ектировать МнКЭ малой размерности. Проек-тирование n-сеточного КЭ проводится по еди-ной матричной процедуре. Основные отличия ММКЭ от МКЭ состоят в следующем. Во-первых, в ММКЭ можно применять сколь угодно мелкие базовые разбиения тел, что позволяет сколь угодно точно учитывать их сложную форму, неоднородную и микронеоднородную структуру упругих тел (без увеличения размер-ностей многосеточных дискретных моделей). В МКЭ невозможно использовать сколь угодно мелкие разбиения тел, так как ресурсы ЭВМ ог-раничены, т.е. ММКЭ более эффективный, чем МКЭ. Во-вторых, реализация ММКЭ на основе базовых моделей тел требует меньше памяти ЭВМ и временных затрат, чем реализация МКЭ для базовых моделей, т.е. ММКЭ более эконо-мичный, чем МКЭ. В-третьих, в ММКЭ применя-ем упругие однородные и неоднородные МнКЭ, при построении которых используем системы вложенных сеток, что расширяет область при-менения ММКЭ. В МКЭ применяют однородные односеточные КЭ. Поэтому можно считать, что ММКЭ есть обобщение МКЭ, т.е. МКЭ - ча-стный случай ММКЭ. Изложены процедуры по-строения МнКЭ различной формы. Предложена верхняя оценка погрешностей приближенных решений.

Еще

Физические краевые зада-чи, однородные и неоднородные тела, многосе-точные конечные элементы, малая погреш-ность

Короткий адрес: https://sciup.org/140224374

IDR: 140224374   |   УДК: 539.3

Multigrid finite element method

To solve a number of important physical boundary value problems (which solutions of the equations be-ing equivalent to finding the minimum of correspond-ing functional) the multigrid finite element method (MFEM) which is realized on the basis of ratios and algorithms of the method of final elements (MFE) in the form of Ritz method with application of multigrid final elements (MFEM) was proposed. To construct a -grid finite element (FE), the -nested grids were used. A finite grid is generated by basic body partition taking into account its irregular shape and physical features of the boundary value problem (e.g. the in-homogeneous structure of elastic body). Other grids were used to reduce MFE dimension, and with increasing MFE dimension decreases. The essence of MFE is as follows: at a basic partition of grid FE, consisting of known single-grid FE, the functional of boundary value problem was determined as a function of many variables, being the values of the required function at the nodes of a fine grid. On the n n 1n 2n F other grids some approximating functions were used for the decrease of the dimension of func-tion, allowing one to develop small dimensional MFE. The developing -grid FE is carried out according to a single matrix procedure There are some essential differences between MFEM and FEM. First, in regard to MFEM, some arbitrarily fine base body partitions can be applied, which makes it possible to take into account their irregular shape heterogeneous and microheterogeneous structure (without increasing the dimensions of the multigrid discrete models). As to FEM, it is impossible to use any arbitrarily fine parti-tions of the bodies, as the computer resources are limited, i.e. MFEM is more efficient than FEM. Sec-ondly, the implementation of MFEM based on the essential models of bodies takes less computer memory and span time than that of FEM for essential models, i.e. MFEM is more time and memory-saving than FEM. Thirdly, in MFEM some elastic homoge-neous and inhomogeneous MFE are applied, using the nested grids to construct, significantly expanding the scope of MFEM. Therefore, MFEM can be as-sumed to be a generalization of FEM, i.e. FEM is a special case of MFEM. The procedures of developing MFE of various shapes were presented. The top as-sessment of errors of approximate decisions is of-fered.

Еще

Список литературы Метод многосеточных конечных элементов

  • Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1979. -392 с.
  • Норри Д., Фриз Ж. де. Введение в метод конечных элементов. -М.: Мир, 1981. -304 с.
  • Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушений композиционных материалов. -М.: Мир, 1982. -232 с.
  • Матвеев А.Д. Смешанные дискретные модели в анализе упругих трехмерных неоднородных тел сложной формы//Вестн. Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. -2013. -№ 1. -С. 182-195.
  • Матвеев А.Д., Гришанов А.Н. Смешанные многосеточные дискретные модели трехмерных цилиндрических композитных панелей и оболочек сложной формы//Сб. ст. XIX зим-ней школы по механике сплошных сред. -Пермь, 2015. -С. 198-211.
  • Матвеев А.Д. Многосеточное моделирование композитов нерегулярной структуры с малым коэффициентом наполнения//Прикладная механика и техническая физика. -2004. -№ 3. -С. 161-171.
  • Матвеев А.Д. Построение сложных многосеточных элементов с микронеоднородной структурой//Численные методы решения за-дач теории упругости и пластичности: тез. докл. XXIII Всерос. конф. (Барнаул, 2013 г.). -Новосибирск: Параллель, 2013. -С. 142-144.
  • Матвеев А.Д. Построение многосеточных конечных элементов сложной формы с применением локальных аппроксимаций//Вестник КрасГАУ. -2013. -№ 1. -С. 28-34.
  • Матвеев А.Д. Расчет тонких пластин и оболочек с применением многосеточных конечных элементов со свободными границами//Вестник КрасГАУ. -2014. -№ 3. -С. 44-47.
  • Матвеев А.Д. Построение сложных многосеточных конечных элементов с неоднородной и микронеоднородной структурой//Известия АлтГУ. Серия: Математика и механика -2014. -№ 1/1. -С. 80-83.
  • Матвеев А.Д. Применение граничных двух-сеточных элементов в расчетах трехмерных композитных балок//Вестник КрасГАУ. -2014. -№ 5. -С. 44-49.
  • Матвеев А.Д., Гришанов А.Н. Одно-и двух-сеточные криволинейные элементы трех-мерных цилиндрических панелей и оболочек//Известия АлтГУ. Серия: Математика и механика. -2014. -№ 1/1. -С. 84-89.
  • Матвеев А.Д., Гришанов А.Н. Многосеточные криволинейные элементы в трехмерном анализе цилиндрических композитных пане-лей с полостями и отверстиями//Ученые за-писки Казан. ун-та. Серия: Физико-математические науки. -2014. -Т. 156. -№ 4. -С. 47-59.
  • Матвеев А.Д., Гришанов А.Н. Многосеточные лагранжевые криволинейные элементы в трехмерном анализе композитных цилиндрических панелей и оболочек//Вестник КрасГАУ. -2015. -№ 2. -С. 75-85.
  • Матвеев А.Д. Расчет трехмерных композитных балок сложной формы с применением двухсеточных конечных элементов//Вестник КрасГАУ. -2015. -№ 8. -С. 92-98.
  • Матвеев А.Д. Расчет композитных пластин и балок с учетом их структуры с применением сложных многосеточных конечных элементов//Вестник КрасГАУ. -2015. -№ 9. -С. 100-107.
  • Матвеев А.Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах композитных пластин и балок//Вестник КрасГАУ. -2016. -№ 12. -С. 93-100.
  • Матвеев А.Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах трехмерных одно-родных и композитных тел//Учен. записки Казан. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. -2016. -Т. 158. -№ 4. -С. 530-543.
  • Matveev A.D. Multigrid finite element method in stress of three-dimensionalelastic bodies of heterogeneous structure//IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. -2016. -V. 158, № 1. -Art. 012067. -P. 1-9.
  • Матвеев А.Д., Гришанов А.Н. Трехмерные композитные многосеточные конечные эле-менты оболочечного типа//Изв. АлтГУ. Сер. физико-математические науки. -2017. -№ 4. -C. 120-125.
Еще