开边界外调和方程的迦辽金边界元解法

摘要

最典型也最简单的椭圆型偏微分方程是调和方程，又称Laplace方程。力学和物理学研究中的许多问题都归结为Laplace方程的边值问题。例如：弹性膜的平衡问题，稳定状态的热传导问题，不可压缩势流问题，静电场问题以及静磁场问题。这些问题虽然有完全不同的物理背景，却往往导致完全相同的数学表达式。本文利用Galerkin边界元方法对该问题加以研究，特别是针对边界是直线段或开弧段情况下无限域上的调和方程进行了研究。该问题属奇异边界问题，对应于裂纹、屏障等问题的数值模拟在实际应用的背景。因为把二维调和方程的边值问题转化为等价的边界积分方程时带有约束条件，用Galerkin边界元方法求解带约束条件的变分方程，在数值离散时，采用Lagrange乘子法处理约束条件。 Galerkin方法是基于变分原理基础上的一种把微分方程或积分方程转化为等价的变分方程，通过离散变分方程求原方程数值解的方法。本文把Laplace方程的边值问题转化为边界积分方程后，通过与边界积分方程等价的变分形式，采用线性单元，利用Galerkin边界元方法求解。在计算单元刚度矩阵时，对二重积分的第一重使用精确积分，第二重使用数值积分，从而有效的克服了奇异积分的计算。本文还把此方法推广到求解区域边界是直线段或者开弧段的情况，采用引入奇异边界单元的方法来模拟解在开边界端点附近的奇异性。最后利用FortranPowerStation4.0程序语言分别编写了用Galerkin方法求解区域边界为闭曲线及区域边界为直线段或开弧段Laplace方程的计算机程序，通过几个算例证明了该方法是有效的、是可行。而且通过数值实验也验证了Galerkin方法误差的理论结果。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1研究现状评述

1.1.1边界元方法的历史回顾

1.1.2边界元方法发展现状

1.1.3边界元方法中的奇异性问题概述

1.2本文采用的主要研究方法

1.2.1关于以闭曲线为边界的区域上的Laplace方程问题

1.2.2关于以直线段和光滑开弧段为边界的Laplace方程的外边值问题

2 Laplace方程的Galerkin边界元解法

2.1以闭曲线为边界的Laplace方程的边界积分方程及变分形式

2.2以直线段和光滑开弧段为边界的Laplace方程外边值问题的边界积分方程及变分形式

2.2.1以直线段为边界的Laplace方程的外问题

2.2.2以光滑开弧段为边界Laplace方程的外问题

2.3变分方程的数值计算

2.3.1变分方程的离散化

2.3.2矩阵元素的计算

3程序实现

3.1程序LAPGalerkin的主要结构

3.2源程序

3.2.1有关计算以闭曲线为边界的Laplace方程的主要程序

3.2.2有关计算以直线段或光滑开弧段为边界的Laplace方程外边值问题的主要程序

4数值算例

4.1以闭曲线为边界的Laplace方程边值问题的数值算例分析

4.2以直线段或光滑开弧线为边界的Laplace方程外边值问题的数值算例分析

5结论

致谢

参考文献