淺談有限元計算中的邊界條件:什麼是邊界條件

2021-03-01 聲振之家


對有限元計算,無論是ansys、abaqus、msc還是comsol等,歸結為一句話就是解微分方程。而解方程要有定解,就一定要引入條件,這些附加條件稱為定解條件。定解條件的形式很多,只討論最常見的兩種——初始條件和邊界條件。

在說邊界條件之前,先談談初值問題和邊值問題。

初值和邊值問題:

對一般的微分方程,求其定解,必須引入條件,這個條件大概分兩類---初始條件和邊界條件,如果方程要求未知量y(x)及其導數y′(x)在自變量的同一點x=x0取給定的值,即y(x0)=y0, y′(x0)= y0′,則這種條件就稱為初始條件,由方程和初始條件構成的問題就稱為初值問題;

而在許多實際問題中,往往要求微分方程的解在在某個給定的區間a≤x≤b的端點滿足一定的條件,如y(a)=A,y(b)=B,則給出的在端點(邊界點)的值的條件,稱為邊界條件,微分方程和邊界條件構成數學模型就稱為邊值問題。

三類邊界條件:

邊值問題中的邊界條件的形式多種多樣,在端點處大體上可以寫成這樣的形式,Ay+By'=C,若B=0,A≠0,則稱為第一類邊界條件或狄裡克萊(Dirichlet)條件;B≠0,A=0,稱為第二類邊界條件或諾依曼(Neumann)條件;A≠0,B≠0則稱為第三類邊界條件或洛平(Robin)條件。

總體來說:

第一類邊界條件:給出未知函數在邊界上的數值;

第二類邊界條件:給出未知函數在邊界外法線的方向導數;

第三類邊界條件:給出未知函數在邊界上的函數值和外法嚮導數的線性組合。

對應於comsol,只有兩種邊界條件:

Dirichlet boundary(第一類邊界條件)—在端點,待求變量的值被指定。

Neumann boundary(第二類邊界條件)—待求變量邊界外法線的方向導數被指定。

再補充點初始條件:

初始條件,是指過程發生的初始狀態,也就是未知函數及其對時間的各階偏導數在初始時刻t=0的值.在有限元中,好多初始條件要預先給定的。不同的場方程對應不同的初始條件。

總之,為了確定泛定方程的解,就必須提供足夠的初始條件和邊界條件!

本文來源於新浪厚積薄發的博客(2009年),封面圖片來自於e-works網。

聲明:本微信轉載文章出於非商業性的教育和科研目的,並不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。版權歸原作者所有,如轉載稿涉及版權等問題,請立即聯繫我們,我們會予以更改或刪除相關文章,保證您的權利!

相關焦點

  • 阻抗、過渡邊界條件和完美電導體邊界條件
    這裡,我們將介紹阻抗、過渡邊界條件和完美電導體邊界條件,並說明每類條件何時使用。 什麼是金屬? 對於什麼是金屬這個問題,我們可以從用於求解電磁波問題的 Maxwell 控制方程組開始。考慮以下頻域形式的 Maxwell 方程組: 上述方程通過 RF 模塊和波動光學模塊的電磁波,頻域接口求解。
  • 物理學中的邊界條件
    一個物理系統的物理的後果並不僅僅取決於物理規律,還取決於其自身的受限條件,例如初始條件,邊界條件等。我們先看一組簡單的問題: 1,樹上有九隻鳥,一槍打死一隻,還剩幾隻?答:0隻。(注意:不是8隻) 2,地上有九隻鳥,一槍打死一隻,還剩幾隻?答:1隻。
  • 約束邊界條件—嵌固端
    嵌固端是上部結構計算的固接支座,地震來襲時,嵌固端界面以下部分土體、基礎及地下室隨地面一起運動,界面以上上部結構產生相對運動。首先還是老生常談的,大家要熟悉一下我們的學習體系和路徑,深入理解規範體系,才談得上「按規範執行」。
  • 霍金:宇宙的邊界條件是它沒有邊界
    邊界,所能掌控及影響的勢力範圍。一,地球的邊界。地球的大氣層邊界在離地面85km的高空。地球的引力邊界是地月系。二,太陽系的邊界。觀測存在的柯伊伯帶:柯伊伯帶是太陽系在海王星軌道(距離太陽約30天文單位)外黃道面附近、天體密集的中空圓盤狀區域。
  • 教程 | 湍流邊界條件設置
    本本文只討論在邊界上設置均勻湍流參數的方法,湍流參數在邊界上不是均勻分布的情況可以用型函數和UDF(用戶自定義函數)來定義,具體方法請參見相關章節的敘述。在大多數情況下,湍流是在入口後面一段距離經過轉捩形成的,因此在邊界上設置均勻湍流條件是一種可以接受的選擇。特別是在不知道湍流參量的分布規律時,在邊界上採用均勻湍流條件可以簡化模型的設置。
  • 湍流邊界條件設置詳講
    本文只討論在邊界上設置均勻湍流參數的方法,湍流參數在邊界上不是均勻分布的情況可以用型函數和UDF(用戶自定義函數)來定義。在大多數情況下,湍流是在入口後面一段距離經過轉捩形成的,因此在邊界上設置均勻湍流條件是一種可以接受的選擇。特別是在不知道湍流參量的分布規律時,在邊界上採用均勻湍流條件可以簡化模型的設置。
  • 邊界條件測試用例編寫指南
    以邊界情況的處理作為主要目標專門設計測試用例的方法。邊界條件測試是單元測試中最重要的一項任務。軟體經常在邊界上失效,邊界條件測試是一項基礎測試,也是後面系統測試中的功能測試的重點,邊界測試執行的較好,可以大大提高程序健壯性。
  • 蘇樹強:安全性、經濟性與安裝運行條件是供暖技術應用的邊界條件
    日前於北京舉辦的2019首屆中國清潔供熱蓄熱技術應用和發展論壇上,上海築能環境科技有限公司(以下簡稱築能科技)董事長蘇樹強介紹稱,此前,SM廣場每年市政供暖要繳納約2070萬的供暖費用,當地谷電電價0.3852元/kWh,使用這套系統後,去年採暖季運行費用僅600多萬元,一年節約供暖費近1500萬元,
  • 頻域內電磁波仿真所使用多種域和邊界條件
    我們在之前的文章中探討了頻域內電磁波仿真所使用的多種域和邊界條件,以及有關模擬、網格剖分和求解的選項。本篇文章會將這些信息都串聯起來,對 RF 模塊和「波動光學」模塊中可以求解的各類問題作一個簡要介紹。 在哪種條件下電磁波適合在頻域內模擬?
  • 西南交大肖新標等:安裝位置和邊界條件對洞口中板件結構的隔聲特性的影響
    在測試車體結構隔聲特性時,聲學實驗室中存在很深的洞口,以便安裝不同厚度的車體結構樣件,並實現發聲室和接收室的機械隔離。樣件越小,安裝位置和邊界條件對處在洞口中的板件結構的隔聲特性的影響越大。本文旨在評估兩種因素對結構隔聲特性的影響,以解釋真實結構的測試結果,並為實驗室設計提供參考。創新點:1.
  • 郵政平臺經濟的邊界條件簡論
    因此,我們認為有必要首先討論一下不同資源和平臺經濟不同維度在郵政領域的邊界界定問題。     這些邊界條件至少要從實體資源、產品和服務資源、內部運營管理資源上去考慮。     窗口是郵政企業的重要資產,也是郵政最大的實體網絡之一,是郵政平臺經濟的主要承載主體。
  • 有限元技術在熱分析中的應用
    採用有限元方法進行熱分析計算,一般採用能量守恆原理的熱平衡方程,用有限元法計算物體內部各節點的溫度,並導出其他熱物理參數。一般的有限元熱分析軟體可以進行熱傳導、熱對流、熱輻射等問題的分析求解。        1、熱分析常用的三類邊界條件        第一類邊界條件:物體邊界上的溫度函數已知;        第二類邊界條件:物體邊界上的熱流密度已知;        第三類邊界條件:與物體相接觸的流體介質的溫度和換熱係數已知。
  • 人工邊界方法與偏微分方程數值解
    中國科學院數學與系統科學研究院餘德浩研究員等的合作研究項目 「人工邊界方法與偏微分方程數值解」喜獲2008年度國家自然科學二等獎。
  • 無邊界條件揭示了宇宙的量子起源!
    無邊界條件理論是由劍橋大學著名理論物理學家霍金提出,一種既自洽又自足的無邊界宇宙學。關於宇宙起源的一種觀點是,由於量子效應,如量子隧道效應,宇宙可能從無到有地出現。這個想法被稱為「無邊界條件」或「霍金-哈特爾州」。然而,精確描述物理系統如何從零尺寸過渡到有限尺寸一直是一個挑戰。
  • 【2020年11期】不同邊界條件下管翅式換熱器流動與傳熱性能的POD分析
    針對目前工業設計中存在的「數值模擬需要『海量』計算而傳統方法在許多情況下無法滿足實際研發的需要」這一困境,提出了一種基於協方差矩陣的特徵值問題分析方法,它可以把高維的物理過程進行低維近似處理並用低維空間對高維數據進行準確的描述,是一種對物理問題的高保真加速技術,即本徵正交分解技術(Proper Orthogonal Decomposition,POD)。本文亮點體現在以下幾個方面。
  • 無邊界條件揭示了宇宙的量子起源!宇宙誕生前沒有時間和空間!
    20世紀80年代,史蒂芬·霍金和詹姆斯·哈特爾進一步闡述了這一觀點,他們提出,在宇宙開始之前,時間並不存在,從而得出結論,宇宙在時間和空間上都沒有初始邊界條件。這個想法被稱為「無邊界條件」或「霍金-哈特爾州」。然而,精確描述物理系統如何從零尺寸過渡到有限尺寸一直是一個挑戰。
  • ABAQUS熱傳導邊界及載荷介紹
    熱傳遞分析以熱變量或與熱相關的變量的形式來計算熱響應,如溫度分布和溫度梯度以及熱通量。 熱傳遞分析包括兩種類型,第一種,非耦合的熱響應,即純熱傳遞分析;第二種耦合的響應(熱-應力分析),分為順序耦合和完全耦合。ABAQUS作為先進的非線性有限元分析軟體,可以用來分析大規模的複雜多組件模型的傳熱問題。
  • 有限元分析在醫學領域可以做什麼?
    而在髖關節方面,有限元分析較為廣泛地應用於全髖關節置換的研究,分析全髖關節置換術前術後髖關節應力的分布情況,而且還可對骨水泥殘餘應力的細緻分析和假體設計進行研究。對於膝關節分析來說,建立一個完整的三維有限元計算模型,不僅可以了解各部位的應力分布和工作原理,還有助於人工膝關節置換的合理設計。
  • 有限元法在口腔修復中載荷條件的研究進展
    隨著計算機技術的進步與發展,三維有限元法已經成為一種分析口腔生物力學研究領域中的有效工具,牙頜三維有限元模型的建立是研究口腔生物力學的基礎。在維持原模型幾何形狀不變的情況下,可根據需要改變受載與邊界條件等力學參數,對其分布變化和應力大小進行對比分析。
  • 有限元學習總結
    有限單元法在應用中,根據(          )來推導單元特性和有限元方程。最常用的變分原理是:(       )(            )(         )5.在剛度矩陣達到精確積分的條件下,隨著單元尺寸的減小,有限元解是單調地收斂於精確解的。在實際情況中,實際選取的積分點數低於精確積分的要求,此時的積分稱為(        )27.