Конечно-элементные аппроксимации высшего порядка, страница 11

Прежде чем переходить к обсуждению деталей, касающихся возмон-сных базисных функций, желательно определить для таких элементов естественнуюэ систему координат. Такая удобная си стема координат I и Ё может быть определена для элемента просто записью линейной зависимости между этими координатами и дека ртовыми координатами в виде

о’

4

Ю        1          6

6          8          4

01        2.3

в

Рис. 4.11. Семейство стандартных тре-    Рис. 4.12. Координаты площади

угольных элементов: линейный (а), квад-            для треугольного элемента.

ратичный (б) и кубический (в).

Сразу видно, что I должна бЫТЬ функцией, принимающей нулевое значение в вершинах 1 и 2 и значение единица в вер шине О— так же, как базисная функция для линей ного элемента. Линии уровня этой функции показаны на рис. 4.12. Значение Ё в любой точке Р фактически может быть определено как отношение площадей двух треугольников, т. е.

Ё ,. = площадь (Р12)/площадь (012), (4.38)

откуда и следует название <жоординатьт площади» для системы

(Ё Ё Е

Соотношения (4.37) позволяют установить прямую зависимость координат площади (Ё I Е и декартовых координат (х, у), поскольку

(4.39)

где

1          х          у

ае 1     х У =плоiцадь (012)  (

1          х /2

и

с< =у =х         (4.406)

причем следует отметить соответствие с формулами (3.27).

Таким образом, для линейного треугольника с тремя базис ными узлами функции элемента могут быть определены просто как

Аге..._. Г        лге_ Г л1е Г

0          о’         1’

Для треугольника общего вида с размещением узлов, как на рис. 4.13, выражение для базисной функции элемента, ассоции

Здесь узлы с номерами 0, 1, 2 помещены в вершинах треуголь. ника, а (х у координаты узла i.

1) В отечественной литературе используются также термины стреугольные к или барицентрические коордннаты.— Прам. перев.

180 Гл. 4. Конечно аппроксимации высшего порядка

4.7. двумерные базисные функции для треугольников 181

Рис. 4.14. Треугольные элементы и ассоциируе ные с ними стандартные базисные функции ли оейного (а) и квадратич ного (б) вида.

руемой с узлом i и обозначаемой числами I, .1, К в системе координат (I I Е можно записать в виде

л = М (I А (I. Л (Е     (4.42)

где М Л л многочлены Лагранжа, опреде ленные равенством (4.10).

Это выражение отнюдь не очевидно. Читатель, однако, может легко проверить его справедливость заметив, что

1) из определения фундамен тальных многочленов Лагранжа следует, что дТ 1 вузлеiиЛ во всех других узлах элемента;

2) так как I+]+К=р для

(р,О,О’)<        (О,р,О)           данной триангулят-кии постоянно,

то слагаемое наивысшей степени

Рис. 4.13. Стандартный треугольный в Л будет иметь вид Цi и элемент обiдего вида.

поэтому в силу линеиных соотно шений (4.39) является многочле ном степени р от х и у.

На рис. 4.14 показаны Типичные базисные функции этого вида для линейных и квадратичных элементов.

а

1.7.2. Базисные функции нерархического типа

для треугольных элементов иера р хическ не базисные функции

С находятся удивительно просто [

Возвращаясь к рис. 4.12, заметим, что Е вдоль стороны 1—2 греугольника тождественно равна нулю, и, следовательно, в силу уравнений (4.37)

[ 1.       (4.43)

Если а—обычная безразмерная локальная координата элемента типа использовавшейся при получении иерархических функций для одномерных элементов, измеряемая вдоль стороны 1—2 (рИс. 4.12), то можно записать

Е Е (4.44)

откуда следует, что

=(Е      (4.45)

Это наводит на мысль, что на треугольнике иерархические базис ные функции можно было бы генерировать с помощью обобщения полученных ранее видов одномерньтх базисных функций. Напри мер, используя выражения (4.23), ассоциируем со стороной 1—2

iогочлен степени р ( 2), определенный по правилу

р четно,

(1—2) =          (4.46)

1 (—т {(Е (Е (Е + Ё 1], р

Из соотношений (4.44) следует, что эти базисные функции равны нулю в узлах 1 и 2. Кроме того, нетрудно показать, что ЛТ будет все время равна нулю на сторонах треугольника 0—1 и 0—2, и, таким образом, обеспечивается С ап проксимации р.