Конечно-элементные аппроксимации высшего порядка, страница 9

з

Л х У  :уХУ - -

,,х у_7Ху —   5

7 у У У У\ 7

б

Степень 1

хУГ_   2

/\

/ •

—-—х - 2._ху            4

‚\/У\/ \/ \/\

в

Рис. 4.6. а — треугольник Паскаля, где заштриховавные элементы образуют пол ный кубический мн0г0член б — члены, образующие кубический лагранжев эле мент; в — члены, образующие кубический серендипон элемент.

чить, чтобы базисные функции элемента в основном содержали бы только члены, входящие в многочлен соответствующей сте пени. С этой целью было получено семейство так называемых сереядиповых элементов. Здесь узлы размещаются (по мере вОЗ можности) на границах элемента, а базисные функции получа ются умножением членов степени р по одной переменной на ли нейные члены по другой переменной. Тогда на границах вид аппроксIIмации р совпадает с получаемым для лагранжевьТх эле ментов и, таким образом, сохраняется Со-гладкость аппроксимации.

Определим теперь две локальные нормированные координаты

— — — — — — Степень ху

-

/\/\ /\/\

1

а

з

4

1

1

4.6.      ДвумернЫе базисные функции ВЫСШИХ степеней     175

174 Гл. 4. Конечно-элементные аппроксимапии высшего порядка

77

__

1          1.е

Ii         2 1

у          _____ _____

0          1 2.

771      1          а          1 б м(i-4)(1-

11!,

е          Iiiаг 1

Ус

_______ ______________    0.5

—        Шаг 2

х

Рис. 4.7. Нормированные координаты ( т для прямоугольника в плоскости

(х, у).  IIIаг

В

элемента (см. рис. 4.7):

= 2 (х—х        ‘1 = 24х/ii       Рис. 4.8. Систематическое генерирование серендипонЫх базисных функций для

х’         прямоугольных элементов.

т сiт    (4.30)

Чтобы не выписывать отдельное выражение для каждого узла,

где точка (х у элемента в системе координат (х, у).       ПОЛОЖИМ — (4.31)

Получение стандартной базисной функции серендипового типа        ‘ 1i 11111,

для квадратичного элемента показано на рис. 4.8. Этот процесс

почти не нуждается в пояснениях. Сначала, взяв соответствующий   где 1 узла 1. Тогда базисные функции элемента

многочлен Лагранжа второй степени по одному направлению и            запишутся следующим образом

умножив его на линейную функцию по другому направлению,            Для линейных элеменiпов

непосредственно найдем базисные функции для узлов в серединах            (1/4) (1 + ) (1 + 1,) 1 = 0, 1, 2, З, (4.32)

сторон. Это позволяет получить на сторонах многочлен нужной

степени, и автоматически будет выполнено условие, что ассоции-    что совпадает с базисными функциями латранЖева элемента пер

руемая с конкретным узлом базисная функция должна принимать    вой степени.

значение единица в этом узле и равняться нулю во всех других            Для квадратич элементов

узлах.

для углового узла этот простой процесс не дает нужного ре-  Угловой узел ЛТ (1/4) (1 + (1 + ( + I 1),

1=0, 2, 4, 6. (4.ЗЗа)

зультата, поскольку вдоль одной из сторон базисная функция

будет отлична от нуля и поэтому в среднем узле этой стороны           / (1 +          1=1,     (4.336)

будет получаться ненулевое значение. Однако линейная комбина-            Узел в сере-   1

ция билинейной базисной функции (3.45) и только что построен-            дине стороны            (1/2) (1 + (1 _ 1 = 3, 7.

ных для узлов в серединах сторон квадратичных базисных функ-            Для кубических- элементов

ций позволяет легко получить необходимую функцию.

Семейство серендиповых элементов показано на рис. 4.9, и Угловой узел Н (1/32) (1 + (1 + ) —10 + 9 ( + i

/=0, 3, 6 9, (4.34а)

ниже приведены базисные функции для первых трех его членов.

176 Гл. 4. Конечно-элементные аппроксимации высшего порядка

4.6. двумеряые базисные функции высших степеней 177

Типичный угловой узел

Типичная сторона 2—3

77

11

6          5          4          987

0          1          0          1          2.

Рис. 4.9. Семейство серендиповых элементов. При р требуются внутренние

параметры.

Узел в сере- дТ = (9/32) (1 + ) (1 112) (1 + 9тi

дине стороны            1=4, 5, 10, 11, (4.346)

причем базисные функции, отвечающие оставшимся средним узлам