四阶椭圆型方程若干有限元新方法和高效求解算法

摘要

四阶椭圆型微分方程广泛应用于固体力学、材料科学和图像处理诸领域,因此对它的数值解研究不但具有重要的理论意义也具有直接应用价值.本文的主要工作是构造了重调和方程的一种基于Poisson求解子的快速求解器；对四阶椭圆偏微分方程的MWX元方法设计了两网格局部和并行求解算法并进行了误差分析；将C0间断有限元方法应用于四阶椭圆偏微分方程并给出求解由该方法离散得到的线性代数方程组的区域分解法:也提出了自适应有限元方法的一个抽象框架.
　　 首先,构造了重调和方程的一种基于Poisson求解子的快速求解器.通过位能极小原理,建立了重调和方程和Stokes方程之间的等价性,即重调和方程等价于一个Stokes方程和两个Possion方程.类似地,在有限元离散情形,建立了重调和方程Morley元方法和Stokes方程非协调P1-P0元方法之间的等价性,即重调和方程Morley元方法等价于一个Stokes方程非协调P1-P0元方法和两个Possion方程Morley元方法.然后基于这个等价性,结合代数多重网格法,构造了重调和方程的一种基于Poisson求解子的快速求解器.最后,用数值试验验证了这个求解器的有效性.
　　 其次,提出了三种用于求解任意空间维数的四阶椭圆偏微分方程的两重网格局部和并行的Morley-Wang-Xu(MWX)元方法.由于MWX元空间不是嵌套的,需要引进一些网格转移算子,以从全局的粗网格有限元解和局部的细网格修正来获得改进的全局有限元解.首先通过构造基于修正Argyris元的网格转移算子,提出了求解MWX元离散的四阶问题的三种局部和并行算法.然后,证明了相应的数值解的离散能量误差的阶为O(h+H2),其中H和h分别为有限元单形剖分的粗细网格的网格大小.同时,构造了基于算术平均网格转移算子的局部和并行算法,证明了相应的数值解的离散能量误差的阶为O(h+H2(H/h)(d-1)/2),其中d为求解区域的空间维数.进一步,我们提供了数值实验来说明这些算法的计算效果.
　　 再次,提出了求解薄板弯曲问题的一类新的C0间断有限元方法,并给出了数值解在离散能量误差和H1范数下的误差估计.首先将四阶偏微分方程写成二阶系统的形式,获得了构造求解原四阶问题的C0间断有限元方法的框架.然后,建立一个离散的稳定性等式,并由此选择可行的数值迹,得到求解薄板弯曲问题的一类稳定的C0间断有限元方法.根据二阶椭圆问题间断有限元方法误差分析中的思想和推导技巧,我们得到了薄板弯曲问题LCDG方法数值解在离散能量范数和H1范数下的最优阶误差估计以及CDG方法数值解在离散能量范数和H1范数下的误差估计.最后,用数值实验验证了理论的收敛阶.
　　 接着,构造了薄板弯曲问题的局部C0间断有限元方法的两水平加型Schwarz预条件子并估计了条件数.对于我们提出的求解薄板弯曲问题的LCDG方法,通过定义特殊的网格转移算子,给出了该方法的区域分解算法.进一步估计了经过预处理的线性代数方程组的系数矩阵的条件数,该上界估计在δ≈H时是最优的.在小部分重叠情形,即δ《H时,利用更多的子区域的信息,改进了条件数的上界估计.
　　 然后,提出了基于标准循环的自适应有限元方法的抽象框架并得到了拟最优收敛性和最优复杂度.首先提出一些假设,基于这些假设得到自适应有限元方法的拟最优收敛性.在作了进一步的假设后,通过引进总误差,证明了自适应有限元方法的最优复杂度.最后通过前面提出的假设,将这个抽象框架应用于各种问题,包括一般二阶椭圆偏微分方程的高阶有限元方法,2m阶椭圆偏微分方程的Morley型有限元方法,不定时谐Maxwell方程和H(div)方程.
　　 最后,对于薄板弯曲问题κ=0,1时的混合有限元方法,验证了自适应有限元方法抽象框架中提出的假设.利用Helmholtz分解,对所有的κ≥0,构造了薄板弯曲问题的混合有限元方法(H-H-J方法)基于残差的后验误差估计子并证明了估计子的可靠性.利用泡函数技巧分析了误差估计子的有效性.而且根据力在内边上的跳跃可以被体积部分所控制的性质,改进了误差估计子.进一步,获得了离散的Helmoltz分解和离散的inf-sup条件,利用这两个工具和后验误差分析中得到的性质,建立了拟正交性和离散可靠性.对于其它的假设,在κ=0,1时容易得到.

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 四阶椭圆型偏微分方程的研究背景和意义

1.2 问题的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 一些记号

第二章 重调和方程的一种基于Poisson求解子的快速求解器

2.1 等价的变分形式

2.1.1 连续问题的等价变分形式

2.1.2 重调和方程Morley元方法的等价变分形式

2.2 最小残差法(MINRES)

2.2.1 Lanczos算法

2.2.2 最小残差法

2.3 基于Poisson求解子的快速求解器

2.4 数值试验

2.4.1 结构网格

2.4.2 无结构网格

第三章 基于Morley-Wang-Xu元离散的四阶问题的局部和并行算法

3.1 问题描述

3.2 准备知识

3.2.1 记号和一些已知结果

3.2.2 基于修正Argyris元的网格转移算子

3.2.3 基于算术平均的网格转移算子

3.2.4 一个L2投影算子

3.3 局部和并行算法

3.3.1 基于修正Argyris元网格转移算子的局部和并行算法

3.3.2 基于算术平均网格转移算子的局部和并行算法

3.4 数值结果

第四章 薄板弯曲问题的一种新的C0间断有限元方法

4.1 薄板弯曲问题的C0间断有限元方法

4.1.1 C0间断有限元方法的基本框架

4.1.2 数值迹的选取及CDG方法

4.1.3 其它的一些数值迹

4.2 LCDG方法的误差分析

4.3 一般情形下CDG方法的误差分析

4.4 数值实验

第五章 薄板弯曲问题LCDG方法的两水平加型Schwarz预条件子

5.1 两水平加型Schwarz预条件子

5.2 网格转移算子

5.3 条件数的估计

5.4 小部分重叠的情形

5.5 数值实验结果

第六章 自适应有限元方法抽象框架下的收敛性和复杂度分析

6.1 收敛性

6.2 最优复杂度

6.3 抽象框架的应用

6.3.1 一般的二阶椭圆偏微分方程

6.3.2 Morley型有限元方法

6.3.3 不定时谐Maxwell方程

6.3.4 H(div)方程

第七章 薄板弯曲问题的自适应混合元方法的收敛性和复杂度分析

7.1 薄板弯曲问题的混合有限元方法

7.2 后验误差估计

7.2.1 一些基本结果

7.2.2 后验误差估计

7.3 拟正交性和离散可靠性

7.3.1 一些基本结果

7.3.2 拟正交性和离散可靠性

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的论文