考虑一维抛物型方程
其伽辽金积分表达式为
分部积分后得
其中,D为求解域,Γ2是自然边界。
对上式中的时间导数项采用式(3.11.2)的插值函数,并取δu=Ni可以获得单元有限元方程为
其中
若e单元中没有边界落在自然边界Γ2上,则fi(e)取零值。
将单元有限元方程(3.11.5)在全域内汇集起来,可得到总体有限元方程
对(3.11.6)进行强加边界条件处理,如采用对角线项扩大法,只需对Bnm和fn相应的元素乘以一个大数G。若第r结点属于强加边界条件,并有,则元素Brr改为GBrr,fr改为Gfrur,其余结点的处理类同,并可得到修正后的总体有限元方程
这是一个含有N个未知数u1(t),u2(t),…,uN(t)的常微分方程组,其初值条件为
ui(t)|t=0=u0(xi)=ui(0) (3.11.8)(www.daowen.com)
其中初值函数
u0(x)=u(x,t)|t=0
可由原始偏微分方程的初值条件给出。
微分方程组(3.11.7),一般采用有限差分解法,对求解的时间区间[0,T]进行离散化处理。设时间步长,t=tk=kΔt(k=1,2,…,K),时间导数项u·m引进差分算子
将上列三种差分格式代入式(3.11.7)后也有相应的三种不同的形式。以向前差分格式为例,有
对于式(3.11.9)中的um,也可以采用不同的形式,如
根据上式,相应于式(3.11.9)有三种形式,并可统一写成如下形式
上式中的θ分别取1,0和1/2,就是um取式(3.11.10)中三种数值时,相应于式(3.11.9)的步进法有限元方程。由式(3.11.11)可以根据前时段各结点的值um(k),反复求得后时段各结点的值um(k+1)。
有限元方程式(3.11.11)中当θ=1时,等号左边括号内的第二项为零,这时式(3.11.11)是对求解um(k+1)的显式格式。当θ=0,时,式(3.11.11)则为隐式格式。可以证明,上面的显式格式是属于有条件稳定的,而隐式格式则是无条件稳定的,使用时应当注意。
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