Математическое моделирование процессов теплопроводности методом конечных элементов
Покупка
Тематика:
Математическое моделирование
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 178
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4932-3
Артикул: 804535.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Приведены формулировки стационарных и нестационарных задач теплопроводности. Рассмотрены основные особенности построения численного решения этих задач в рамках конечно-элементной технологии.
Для студентов 3-го и 4-го курсов факультета «Фундаментальные науки» МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих дисциплины «Уравнения математической физики», «Методы вычислений», «Математическое моделирование», «Прикладные пакеты инженерного анализа», «Математические модели механики сплошной среды» и выполняющих соответствующие курсовые работы. Может быть полезно студентам старших курсов других факультетов, изучающим численные методы решения краевых и начально-краевых задач.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.02: Прикладная математика и информатика
- 01.03.04: Прикладная математика
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- 03.03.03: Механика и математическое моделирование
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
И.Ю. Савельева, И.В. Станкевич Математическое моделирование процессов теплопроводности методом конечных элементов Учебное пособие Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
Предисловие УДК 519.63+536.2 ББК 22.317 С12 Издание доступно в электронном виде по адресу ebooks.bmstu.press/catalog/93/book1887.html Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра «Прикладная математика» Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Н.Д. Чайнов; д-р физ.-мат. наук, профессор М.П. Галанин Савельева, И. Ю. Математическое моделирование процессов теплопро- водности методом конечных элементов : учебное пособие / И. Ю. Савельева, И. В. Станкевич. — Москва : Издатель- ство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 176, [2] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4932-3 Приведены формулировки стационарных и нестационарных задач теплопроводности. Рассмотрены основные особенности построения чис- ленного решения этих задач в рамках конечно-элементной технологии. Для студентов 3-го и 4-го курсов факультета «Фундаментальные науки» МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Уравнения математиче- ской физики», «Методы вычислений», «Математическое моделирование», «Прикладные пакеты инженерного анализа», «Математические модели ме- ханики сплошной среды» и выполняющих соответствующие курсовые рабо- ты. Может быть полезно студентам старших курсов других факультетов, изучающим численные методы решения краевых и начально-краевых задач. УДК 519.63+536.2 ББК 22.317 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4932-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 С12
Предисловие 3 ПРЕДИСЛОВИЕ В данном пособии рассмотрены формулировки нелинейных стационарных и нестационарных задач теплопроводности и ос- новные особенности построения численных решений этих задач в рамках конечно-элементной технологии. Особое внимание уде- лено вопросам применения квадратичных изопараметрических конечных элементов. Элементы этого типа хорошо аппроксими- руют криволинейные границы геометрически сложных областей и имеют высокие интерполяционные характеристики. Целью пособия является формирование познавательных дей- ствий, становление научного сознания, развитие любознательно- сти и познавательной мотивации в процессе изучения теоретиче- ских основ конечно-элементной технологии и практического применения соответствующих алгоритмических построений для создания программного кода прикладных комплексов и пакетов, ориентированных на 2D и 3D математическое моделирование сложных теплофизических процессов. Пособие содержит пять глав и приложение, параграфы в ко- торых могут состоять из нескольких подразделов. Ссылки в тек- сте на соответствующий параграф или подраздел набраны по- лужирным шрифтом, например: см. 2.5.2 (вторая глава, пятый параграф, второй подраздел). Формулы, рисунки и таблицы в пределах глав имеют двойную нумерацию, например: (3.7) — третья глава, седьмая формула; рис. 2.5 — вторая глава, пятый рисунок; табл. 4.1 — четвертая глава, первая таблица. Структура пособия отражает блочно-модульное построение дисциплин «Уравнения математической физики», «Методы вы- числений», «Математическое моделирование», «Прикладные па- кеты инженерного анализа» и «Математические модели механики сплошной среды», занимающих ключевые места в профессио- нальном цикле подготовки бакалавров и магистров по направле- нию подготовки «Прикладная математика». Каждая глава посо- бия соответствует блоку, параграфы — модулям, т. е. логически замкнутой части материала, имеющей самостоятельное значение при изучении соответствующих дисциплин. Между собой модули и блоки тесно связаны в теоретическом, методическом и терми- нологическом отношении.
Предисловие Во введении указана актуальность решения температурных задач при общем анализе работоспособности исследуемых кон- струкций. Отмечено особое значение, которое в настоящее время придается численному решению нелинейных стационарных и нестационарных задач теплопроводности с применением конечно- элементной технологии. Первая глава посвящена общим форму- лировкам нелинейных стационарных и нестационарных задач теплопроводности. Во второй главе сформулировано понятие конечного элемента и рассмотрено построение функций формы конечных элементов разной размерности с различным числом узлов. В третьей главе дано построение основных матричных со- отношений метода конечных элементов (МКЭ) и освещены во- просы реализации численного интегрирования матричных кон- струкций МКЭ. В четвертой главе приведены численные схемы, реализующие решение нестационарных задач теплопроводности. В пятой главе рассмотрены алгоритмические особенности методов решения больших систем линейных алгебраических уравнений с разреженными матрицами. В приложении приведена формули- ровка начально-краевой задачи для гиперболического уравнения теплопроводности, дано развернутое построение основных мат- ричных соотношений МКЭ и рассмотрен пример численного ре- шения этой задачи. В конце каждой главы приведен список вопросов и заданий, которые могут помочь в усвоении изложенного в главе материала.
Основные обозначения 5 ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Математические символы i i a b — суммирование по повторяющемуся латинскому индексу: 1 1 2 2 3 3 i i a b a b a b a b 1.1 def A B — величина A по определению равна величине B 1.1 1( ) C G — пространство непрерывно дифференцируемых функций, заданных на множестве G, с первым порядком гладкости 1.2 i j e e — базисная диада 1.3 1, i n — натуральное число i, последовательно принимающее все значения от 1 до n 1.1 Im A — образ линейного оператора (матрицы) A 5.1 Int S — внутренность множества S — совокупность всех внутренних точек 2.1 G — область (открытое множество) 1.1 G — граница области 1.1 G G G — замыкание области — объединение области и ее границы 1.2 2( ) L G — пространство измеримых функций, вторая степень которых интегрируема 1.2 mesS — мера множества S, в простейших случаях — длина, площадь, объем 1.1 ( ) e M — число узлов конечного элемента (е) 2.1 in — компоненты единичного вектора внешней нормали i i n n e 1.1 1 2 3 Ox x x — прямоугольная декартова система координат 1.1 3 — трехмерное евклидово пространство 1.1 ( ),i T x — операция дифференцирования функции ( ) T x по пространственным координатам ( 1, 3) ix i 1.1 T — интерполированное значение функции Т 3.2 ( ) ( ) i j V V — пересечение замкнутых областей с номерами соответственно ( ) i и ( )j 2.1 G x — элемент принадлежит области G 1.1
Основные обозначения X Y — прямое (декартово) произведение двух множеств — множество, элементами которого являются все возможные упорядоченные пары элементов исходных множеств 1.1 f — первая вариация функции f 1.2 Φ — первая вариация функционала Ф 1.2 2Φ — вторая вариация функционала Ф 1.2 T — функционал 1.2 — логическое «или» (операция дизъюнкции) 2.1 — — квантор всеобщности ( x — для любого элемента x) 1.1 квантор существования ( x — существует элемент x) 2.1 — знак тензорного произведения 1.3 Физические величины c — удельная массовая теплоемкость материала тела 1.3 V q — мощность внутренних тепловых источников (стоков) 1.1 w q — плотность теплового потока в направлении внешней нормали к поверхности 1.1 T — температура среды 1.1 f T — температура среды у поверхности 1.1 w — коэффициент теплоотдачи на поверхности 1.1 ij — компоненты тензора теплопроводности , 1,3 i j 1.1 — тензор теплопроводности 1.3 — плотность материала тела 1.3
Введение 7 ВВЕДЕНИЕ На первом этапе при решении задач вычислительной термо- механики определяют температурные поля в исследуемых областях. Функции, характеризующие температурные поля, являются решениями задач теплопроводности. В настоящее время особое значение придается решению нелинейных стационарных и нестационарных задач теплопроводности. В областях, имеющих сложную геометрическую форму, и при сравнительно невысоких требованиях к гладкости функций, входящих в формулировку стационарных и нестационарных задач, наиболее перспективны численные методы, среди которых продолжительное время лидирующее положение занимает метод конечных элементов (МКЭ) [3, 5, 6]. Широкому и успешному применению МКЭ способствовали такие его свойства, как естественность, простота, доступность, универсальность и высокая технологичность. Метод конечных элементов позволяет проводить численный анализ в областях сложной геометрической формы, учитывать особенности граничных условий и теплофизических свойств материалов. Этот метод отличается прозрачностью основных вычислительных процедур, что позволяет эффективно контролировать обработку данных. Кроме того, МКЭ алгоритмически и программно весьма удобен для объединения с современными методами и средствами компьютерной графики. При решении стационарных задач теплопроводности с помощью МКЭ используется, как правило, интегральная, в частности, вариационная формулировка. Существенным достоинством вариационных формулировок является то, что они позволяют не только найти решение, но и оценить его погрешность. В этом смысле весьма эффективным оказывается применение двойственных вариационных формулировок. Построение и использование двойственных вариационных формулировок для получения апостериорных оценок точности температурных полей подробно рассмотрено в работах [1, 4]. Без ограничения общности не удается дать эквивалентную вариационную постановку нестационарным задачам теплопро-
Введение водности. В данной ситуации технически простым является использование метода прямых (метод Роте). В этом случае аппроксимация строится по временной переменной, что позволяет перейти от задачи с параболическим оператором к последовательности задач эллиптического типа на фиксированных временных шагах, каждая из которых часто допускает вариационную постановку. При этом полученное на предыдущем шаге решение рассматривается как начальное на текущем. Однако более широ- кие возможности для решения нестационарных задач дает при- менение метода взвешенных невязок в форме Галёркина [2, 6]. Численное решение нестационарных задач с использованием МКЭ, как правило, осуществляется в соответствии с методом Галёркина. Решение реализуется в два этапа. На первом этапе с помощью процедур МКЭ выполняется дискретизация по про- странству, на втором этапе применяется какая-либо конечно- разностная схема на временном отрезке, приводящая к пошаго- вой процедуре интегрирования по времени. Если рассматривается нелинейная нестационарная задача и не используются линеаризующие процедуры, то на каждом времен- ном шаге придется решать систему нелинейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с помощью итерационных методов. Для того чтобы этого избежать, применяют схемы типа «предиктор — корректор». Эти схемы на каждом временном шаге требуют ре- шения двух СЛАУ. Существенными недостатками использования схем «предиктор — корректор» являются общее усложнение ал- горитма решения и дополнительные затраты оперативной памяти. Эти трудности можно обойти, если нестационарную задачу в каждый момент времени решать методом простых итераций с явным заданием скорректированных значений коэффициентов уравнения теплопроводности и граничных условий, применяя метод Галёркина для построения матричных соотношений МКЭ. Таким образом, в каждой точке временного отрезка решение нелинейной нестационарной задачи заменяется последователь- ностью решений подобных линейных стационарных задач, раз- личающихся численными значениями коэффициентов уравне- ния теплопроводности и граничных условий. При этом перед проведением очередной итерации определяют численные значе- ния коэффициентов по решению, полученному на предыдущей итерации.
Введение 9 Применение итераций при решении нелинейных уравнений эллиптического и параболического типов является известным и довольно широко используемым методом. Наиболее полные ре- зультаты здесь получены для эллиптических уравнений. Особую проблему при итерационном решении составляет сходимость. В силу ограниченности объема этот вопрос здесь не рассматрива- ется, заинтересованные читатели могут ознакомиться с результа- тами работы [2].
1. Математические формулировки задач теплопроводности 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФОРМУЛИРОВКИ ЗАДАЧ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 1.1. Постановка нелинейной стационарной задачи теплопроводности Дано трехмерное евклидово пространство 3 с произвольно выбранной прямоугольной декартовой системой координат 1 2 3, O x x x в которой положение точки фиксировано радиус- вектором i i x x e , где , ix =1,3, i — координаты вектора ; x , =1,3, i i e — единичные орты координатных осей. (Здесь и да- лее по повторяющимся латинским индексам проводится сумми- рование от 1 до 3, а по греческим индексам не проводится.) В ограниченной области 3 G с кусочно-гладкой границей G рассматривается нелинейное уравнение теплопроводности ( , ) , , , 0, ij j i V T T q T x x G x , (1.1) с граничными условиями 1 ( ) ( ), w S T T x x 1S G x ; (1.2) 2 ( , ) , ( , ) i ij j w S n T T q T x x , 2 S G x ; (1.3) 3 ( , ) , ( , ) ( ) ( ) i ij j w f S n T T T T T x x x x , 3 S G x , (1.4) где 1 2 3 ; S S S G 1 2 1 3 2 3 mes mes mes 0. S S S S S S В (1.1) – (1.4) использованы следующие обозначения: ( , ) ij T x — компоненты тензора теплопроводности (где ( ) T T x — температу-
Доступ онлайн
В корзину