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1)  hybrid-mixed finite element method
杂交-混合有限元方法
2)  hybrid/mixed finite element method
杂交/混合有限元法
3)  hybrid/mixed finite element
杂交/混合有限元
4)  mixed/hybrid method
混合/杂交有限元
5)  hybrid-mixed finite element
杂交-混合有限元
6)  mixed/hybrid finite element
混合杂交有限元
补充资料:有限元方法
      求解微分方程,特别是椭圆型边值问题的一种离散化方法,其基础是变分原理和剖分逼近。有限元方法是传统的里茨-加廖金方法的发展,并融会了差分法的优点,处理上统一,适应能力强,已广泛应用于科学与工程中庞大复杂的计算问题。
  
  作为有限元方法出发点的变分原理,是表达物理基本定律的一种普遍形式。其表述可概括如下:给出一个依赖物理状态v的变量J(v)(v是函数,J(v)在数学上称为泛函),同时给出J(v)的容许函数集V,即一切可能的物理状态,则真实的状态是V中使J(v)达到极小值的函数。剖分逼近是有限元离散化的手段,把问题的整体(即求解域)剖分为有限个基本块,称为"单元",然后通过单元上的插值逼近,得到一个结构简单的函数集,称为"有限元空间",它一般是容许函数集V的子集或有某种联系。有限元方法就是在这个有限元空间中寻找J(v)的极小解作为近似解。
  
  典型问题  为具体说明有限元方法,讨论二维有界域Ω上的椭圆型方程
  
   ,
   (1) 变系数 β表示介质不均匀。物理学中许多平衡态或定常态问题都可归结为这个典型方程。与方程(1)相配的有如下三类边界条件:
  
  第一类:;
  
  第二类:;
  
  第三类:。这里的φ、g及α均为定义在边界дΩ上的已知函数,表示外法向导数,第二类边界条件是第三类当 α=0时的特例。
  
  为说明有限元方法能统一处理复杂的情况,假定讨论的问题是混合边值,并且介质有间断,即дΩ分成Г0和Г1两部分,分别有边界条件
  ,
   (2)
  ,
   (3)β(x,y)有间断线,把Ω分为Ω-+两部分,在间断线上微分方程(1)无定义,而代之以接触条件,
   (4)及表示间断线上分别指向Ω+及Ω-的法向导数。
  
  变分原理  与微分方程(1)及附加条件(2)、(3)、(4)的边值问题相对应的是物理学中的极小能量原理。构造"能量积分" 并取J(v)的容许函数集V为一切满足边界条件(2)且一阶偏导数平方可积的函数,则使J(v)达到极小值的u,即
  ,
   (6)也必满足方程(1)及(2)、(3)、(4)。事实上,极小能量原理之类的变分原理是物理问题的原始形式,微分方程是数学推导的结果。在变分问题中,只有边界条件(2)是强加到容许函数集上的,边界条件(3)及间断介质的接触条件(4)都是极小解u自然满足的,这种情况有利于离散化的统一处理。
  
  剖分逼近  几何剖分的基本单元可取为三角形、矩形、四边形、曲边形等等,其中三角形最基本常用。
  
  假定问题的求解区域为多边形,介质间断线为折线,作三角剖分如图所示。在剖分中需注意介质间断线与某些三角形的边重合,不同类边界条件的交点与某些三角形的顶点重合。单元的顶点称为网格结点,在дΩ上称边界结点,在Ω内称内结点。
  
  几何剖分之后考虑插值逼近。对三角形单元最简单的是线性插值,即利用每个单元Δk三顶点的函数值确定线性函数αkx+bky+сk的三个系数。 把所有单元{Δk}确定的{αkx+bky+сk}合在一起,就得到Ω上的一个分片线性插值函数。Г0上的边界结点取值为零的分片线性插值函数都属于问题(5)、(6)的容许函数集V,全体这样的函数构成一个有限维线性空间,称为有限元空间。假定内结点和Г1上的边界结点共有N个,以pj(j=1,...,N)表示,则的维数就是No 令φi表示中满足条件
   (7)的成员,则{φi}构成线性空间的一组基。中任意函数v,都可表为,
   (8)Vj是结点pj上的函数值v(pj)。
  
  单元上的插值方式除了用一次函数外,还可以用二次、三次或更高次的多项式,也可用非多项式函数。插值数据除了用函数值的拉格朗日型外,还可以是包括导数的埃尔米特型插值。种种的几何剖分加上种种的插值方式,就产生众多形式的有限元空间,使有限元方法可有众多的选择。
  
  有限元的离散化  有限元离散化的出发点是与微分方程等价的变分问题。对于典型问题来说,就是从(5)、(6)出发,用剖分逼近的方法构造有限元空间(也称试探函数空间),然后求泛函J(v)在中的极小解堚 作为近似解,即堚满足,
   (9)把(8)的表达公式代入(5)中的J(v),得,
   (10)式中,
   (11),
   (12)把(9)的极小解表为,则(U1,U2,...,UN)使二次函数(10)达到极小,由微分学知满足线性方程组。
   (13)方程组(13)来自正定二次函数的极小解问题,故系数矩阵一定对称正定。由于基函数φi只在以pi为顶点的单元上不为零,故系数αij=只当结点pi与pj连成三角形一边时才不为零。系数矩阵这种稀疏性质,加上对称正定,对方程的求解很有利。
  
  系数以及自由项的实际计算,通常按所谓单元分析与总体合成的方式进行。即逐个分析Ω内的单元和Г1上的单元边对有关的 αiz及??i的贡献,然后往上迭加。当Ω内所有单元及Г1上所有单元边都分析之后,方程组(13)的系数矩阵及自由项也就合成出来。间断介质的影响反映在单元分析中被积函数的β在Ω+及Ω-取不同的表达式。单元分析通常都采用某种数值积分公式计算。
  
  从虚功原理出发的离散化  微分方程边值问题 (1)、(2)、(3)、(4)的解u还同时满足:对容许函数集V中任一函数v,成立
  ,
   (14)这里α(u,v)及F(v)即表达式(11)、(12)。在物理学中,方程(14)是另一变分原理的数学形式,称为虚功原理或虚位移原理。有限元方法更一般的形式是从虚功方程(14)出发用剖分插值的方式构造一个试探函数空间,并同时构造一个检验函数空间徰;在中寻找近似解堚,使之对徰中的任一函数ψ,成立,
   (15)当选取徰与相同时, (15)中的ψ可选为基函数φi,同时用代入,就得到方程组(13)。
  
  对于非自共轭椭圆算子L,微分方程边值问题Lu=??不存在等价的极小值问题,但这时仍可建立虚功方程(14),其中α(u,v)=(Lu,v)F)=(??,v),(·,·)表示L2(Ω)的内积。因此,有限元方法仍然有效。
  
  从极小能量原理出发进行离散化又常称为里茨法,从虚功原理出发称为加廖金法。后者是前者的推广。
  
  评价 传统的里茨-加廖金方法,采取解析函数作为试探函数,不能满足任意多边形区域的边界条件,也不适应间断介质的要求,对现在的典型例子无能为力。差分方法虽然能够对付,但由于它对方程(1)及条件(2)、(3)、(4)在处理上不统一,在计算效果及理论分析两方面都带来不利。有限元方法正好对这两者扬长避短,一方面保持了里茨-加廖金方法从变分原理出发的优点,在提法上有极大的概括性,给离散化带来统一处理的方便;另一方面又吸收了差分法剖分逼近的优点,能灵活适应各种几何形状和间断介质等复杂情况。有限元方法除了解题效能高强外,还有牢靠的理论基础,是计算数学理论一大成就。
  
  回顾与展望  有限元方法在中国与西方从不同的实践背景,沿着不同的学术道路、各自独立平行地发展起来。在西方,有限元思想在R.库朗1943年的一篇论文中明确地提出过,但一直没有受到重视。20世纪50年代中期,欧美工程界J.H.阿吉里斯、R.W.克拉夫等以航空工程为背景,在结构分析和矩阵方法基础上提出了结构有限元的雏形。60年代初期,引进连续体的单元剖分;60年代中期,逐渐明确有限元法是变分原理加剖分逼近的思想。1968年,西方数学家对有限元法进行数学的理论分析,开始了有限元法在计算数学中的黄金时代。
  
  在中国,60年代初期,冯康、黄鸿慈等结合解决一系列大型水坝建设的应力分析问题,开展了椭圆型边值问题数值解的系统研究,为克服问题传统提法中的几何复杂性和材料复杂性,把能量法与差分法结合在一起,于1964年建立了求解椭圆型边值问题一套普遍有效的方法,命名为基于变分原理的差分方法,即通称的有限元方法。与此同时,建立了方法的数学理论基础。而后20年中,周天孝、唐立民对混合元拟协调元的发展,应隆安等对无限元的发展,冯康等对边界有限元的发展,石钟慈对非协调元的发展,林群对有限元外推理论的发展,都作了重要贡献。
  
  有限元方法对于定常态问题的计算已经获得公认的巨大成功,对不定常态问题也有良好开展。有限元方法是一个发展着的体系,在前述的基本原则下可有种种变化和发展,特别是可和其他方法结合起来,进一步解决更困难更复杂的数学问题。
  
  

参考书目
   冯康、石钟慈著:《弹性结构的数学理论》,科学出版社,北京,1981。
   G.斯特朗、G.J.菲克斯同著,崔俊芝、宫著铭译:《有限元分析》,科学出版社,北京,1983。(G.Strang and G.J.Fix,An Analysis of the Finite Element Method, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1973.)
   P.G.Ciarlet,The Finite Element Method for Elliptic Problems, North-Holland, Amsterdam, 1978.
   O.C.Zienkiewicz,The Finite Element Method,3rded.,McGraw-Hill, London, 1977.
  

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