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有限元分析

指数 有限元分析

有限元分析,即有限元方法(冯康首次发现时称为基于变分原理的差分方法),是一种用于求解微分方程组或积分方程组数值解的数值技术。这一解法基于完全消除微分方程,即将微分方程转化为代数方程组(稳定情形);或将偏微分方程(组)改写为常微分方程(组)的逼近,这样可以用标准的数值技术(例如欧拉法,龙格-库塔法等)求解。 在解偏微分方程的过程中,主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程,并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法,他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体),当需要的精确度在整个区域上变化,或者当解缺少光滑性时,有限元方法是在复杂区域(像汽车、船体结构、输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如,在正面碰撞仿真时,有可能在"重要"区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗);另一个例子是模拟地球的气候模式,预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的。.

31 关系: 力矩偏微分方程变分原理变分法多边形多边形网格差分不定积分中值定理常微分方程弱解弹性微分流形微分方程微积分学土木工程分部積分法冯康积分方程线性代数结构分析狄利克雷问题边值问题龙格-库塔法航空工程電子計算機柏克萊加州大學欧拉方法斯图加特大学数值分析数值稳定性

力矩

在物理学裏,作用力促使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向,稱為力矩(torque),也就是扭转的力。转动力矩又称为转矩。力矩能够使物体改变其旋转运动。推擠或拖拉涉及到作用力 ,而扭转則涉及到力矩。如图右,力矩\boldsymbol\,\!等於径向向量\mathbf\,\!与作用力\mathbf\,\!的叉积。 簡略地说,力矩是一種施加於好像螺栓或飛輪一類的物體的扭轉力。例如,用扳手的開口箝緊螺栓或螺帽,然後轉動扳手,這動作會產生力矩來轉動螺栓或螺帽。 根據国际单位制,力矩的单位是牛顿\cdot米。本物理量非能量,因此不能以焦耳(J)作單位;根據英制单位,力矩的单位则是英尺\cdot磅。力矩的表示符号是希腊字母\boldsymbol\,\!,或\mathbf\,\!。 力矩與三個物理量有關:施加的作用力\mathbf\,\!、從轉軸到施力點的位移向量\mathbf\,\!、兩個向量之間的夾角\theta\,\!。力矩\boldsymbol\,\!以向量方程式表示為 力矩的大小.

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偏微分方程

偏微分方程(partial differential equation,缩写作PDE)指含有未知函数及其偏导数的方程。描述自变量、未知函數及其偏导數之間的關係。符合這個關係的函数是方程的解。 偏微分方程分為線性偏微分方程式與非線性偏微分方程式,常常有幾個解而且涉及額外的邊界條件。.

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变分原理

变分原理是物理学的一条基本原理,以变分法来表达。 根据科内利乌斯·兰佐斯的说法,任何可以用变分原理来表达的物理定律描述一种自伴的表示。这种表示也被说成是埃尔米特的,描述了在埃尔米特变换下的不变量。 菲利克斯·克莱因的爱尔兰根纲领试图鉴识这类在一组变换下的不变量。在物理学的诺特定理中,一组变换的庞加莱群(现在广义相对论中被称为规范群)定义了在一组依赖于变分原理的变换下的对称性,即作用原理。.

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变分法

变分法是处理泛函的数学领域,和处理函数的普通微积分相对。譬如,这样的泛函可以通过未知函数的积分和它的导数来构造。变分法最终寻求的是极值函数:它们使得泛函取得极大或极小值。有些曲线上的经典问题采用这种形式表达:一个例子是最速降线,在重力作用下一个粒子沿着该路径可以在最短时间从点A到达不直接在它底下的一点B。在所有从A到B的曲线中必须极小化代表下降时间的表达式。 变分法的关键定理是欧拉-拉格朗日方程。它对应于泛函的临界点。在寻找函数的极大和极小值时,在一个解附近的微小变化的分析给出一阶的一个近似。它不能分辨是找到了最大值或者最小值(或者都不是)。 变分法在理论物理中非常重要:在拉格朗日力学中,以及在最小作用量原理在量子力学的应用中。变分法提供了有限元方法的数学基础,它是求解边界值问题的强力工具。它们也在材料学中研究材料平衡中大量使用。而在纯数学中的例子有,黎曼在调和函数中使用狄利克雷原理。 同样的材料可以出现在不同的标题中,例如希尔伯特空间技术,莫尔斯理论,或者辛几何。变分一词用于所有极值泛函问题。微分几何中的测地线的研究是很显然的变分性质的领域。极小曲面(肥皂泡)上也有很多研究工作,称为普拉托问题。.

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多边形

多邊形是平面的封閉图形、由有限線段(大于2)組成,且首尾連接起來劃出的形狀。.

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多边形网格

多边形网格(Polygon mesh)是三维计算机图形学中表示多面体形状的顶点与多边形的集合,它也叫作非结构网格。 这些网格通常由三角形、四边形或者其它的简单凸多边形组成,这样可以简化渲染过程。但是,网格也可以包括带有空洞的普通多边形组成的物体。 非结构网格内部表示的例子有:.

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差分

差分,又名差分函數或差分運算,是数学中的一个概念。它将原函数 \ f(x) 映射到 \ f(x+a)-f(x+b)。差分運算,相應於微分運算,是微积分中重要的一个概念。.

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不定积分

在微积分中,一个函数f.

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中值定理

在實分析中,中值定理(mean value theorem)描述了連續光滑曲線在兩點之間的光滑性: 中值定理包括微分中值定理和积分中值定理。.

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常微分方程

在数学分析中,常微分方程(ordinary differential equation,簡稱ODE)是未知函数只含有一个自变量的微分方程。对于微积分的基本概念,请参见微积分、微分学、积分学等条目。 很多科学问题都可以表示为常微分方程,例如根据牛顿第二运动定律,物体在力的作用下的位移 s 和时间 t 的关系就可以表示为如下常微分方程: 其中 m 是物体的质量,f(s) 是物体所受的力,是位移的函数。所要求解的未知函数是位移 s,它只以时间 t 为自变量。.

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弱解

数学中, 微分方程的弱解或广义解是指对该方程中的微分可能不存在, 但是在某种精确定义的意义下满足该方程的解.

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弹性

弹性 在不同的领域有着有联系但是截然不同的意义。.

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微分流形

光滑流形(),或称-微分流形()、-可微流形(),是指一个被赋予了光滑结构的拓扑流形。一般的,如果不特指,微分流形或可微流形指的就是类的微分流形。可微流形在物理學中非常重要。特殊種類的可微流形構成了經典力學、廣義相對論和楊-米爾斯理論等物理理論的基礎。可以為可微流形開發微積分。可微流形上的微積分研究被稱為微分幾何。.

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微分方程

微分方程(Differential equation,DE)是一種數學方程,用來描述某一類函数與其导数之间的关系。微分方程的解是一個符合方程的函數。而在初等数学的代数方程裡,其解是常数值。 微分方程的应用十分广泛,可以解决许多与导数有关的问题 。物理中许多涉及变力的运动学、动力学问题,如空气的阻力為速度函數的落体运动等问题,很多可以用微分方程求解。此外,微分方程在化学、工程学、经济学和人口统计等领域都有应用。 数学领域对微分方程的研究着重在几个不同的面向,但大多数都是关心微分方程的解。只有少数简单的微分方程可以求得解析解。不过即使没有找到其解析解,仍然可以确认其解的部份性质。在无法求得解析解时,可以利用数值分析的方式,利用电脑来找到其数值解。 动力系统理论强调对于微分方程系统的量化分析,而许多数值方法可以计算微分方程的数值解,且有一定的准确度。.

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微积分学

微積分學(Calculus,拉丁语意为计数用的小石頭) 是研究極限、微分學、積分學和無窮級數等的一個數學分支,並成為了現代大學教育的重要组成部分。歷史上,微積分曾經指無窮小的計算。更本質的講,微積分學是一門研究變化的科學,正如:幾何學是研究形狀的科學、代數學是研究代數運算和解方程的科學一樣。微積分學又稱為“初等數學分析”。 微積分學在科學、經濟學、商業管理學和工業工程學領域有廣泛的應用,用來解决那些僅依靠代數學和幾何學不能有效解決的問題。微積分學在代數學和解析幾何學的基礎上建立起来,主要包括微分學、積分學。微分學包括求導數的運算,是一套關於變化率的理論。它使得函數、速度、加速度和斜率等均可用一套通用的符號進行演绎。積分學,包括求積分的運算,為定義和計算長度、面積、體積等提供一套通用的方法。微積分學基本定理指出,微分和積分互為逆運算,這也是兩種理論被統一成微積分學的原因。我們能以兩者中任意一者為起點來討論微積分學,但是在教學中一般會先引入微分學。在更深的數學領域中,高等微積分學通常被稱為分析學,並被定義為研究函數的科學,是現代數學的主要分支之一。.

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土木工程

土木工程是指一切和土、水、文化有關的基礎建設的計劃、建造和維修。現時一般的土木工作項目包括:交通、道路、橋梁及水利等。過去曾經將一切非軍事用途的民用工程項目,歸入本類,但隨著工程科學日益廣闊,不少原來屬於土木工程範圍的內容都已經獨立成科。 土木工程乃以提高國民之生活品質,促進國民之公共福祉為目的,進而改造國土,整治環境及防治災害發生的一種公共工程。又因食衣住行乃國民生活之四大需要,並與國民之福祉息息相關,故土木工程亦爲直接或間接地解決民生四大問題之基本建設工程。.

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分部積分法

分部積分法是種積分的技巧。它是由微分的乘法定則和微積分基本定理推導而來的。其基本思路是将不易求得结果的积分形式,转化为等价的但易于求出结果的积分形式。.

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冯康

冯康(),数学家、应用数学和计算数学家。世界数学史上具有重要地位的科学家。独立创造了有限元方法、自然归化和自然边界元方法,开辟了辛几何和辛格式研究新领域。中国现代计算数学研究的开拓者。.

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积分方程

积分方程是含有对未知函数的积分运算的方程,与微分方程相对。许多数学物理问题需通过积分方程或微分方程求解。 积分方程最基本的形式为第一类弗里德霍姆方程: 其中,f和K已知,K又称核函数,\phi为所求未知函数。积分上下限a,b为常量。 如未知函数同时出现在积分符号内外,则该方程称作第二类弗里德霍姆方程: \lambda作为未知因子,起到与线性代数中特征值类似的作用。 如果积分上限或下限为变量,则该方程称为伏尔泰拉方程。第一类和第二类伏尔泰拉方程有下述形式: 如果f始终为0,以上所有方程称为齐次,否则,称为非齐次。.

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线性代数

线性代数是关于向量空间和线性映射的一个数学分支。它包括对线、面和子空间的研究,同时也涉及到所有的向量空间的一般性质。 坐标满足线性方程的点集形成n维空间中的一个超平面。n个超平面相交于一点的条件是线性代数研究的一个重要焦点。此项研究源于包含多个未知数的线性方程组。这样的方程组可以很自然地表示为矩阵和向量的形式。 线性代数既是纯数学也是应用数学的核心。例如,放宽向量空间的公理就产生抽象代数,也就出现若干推广。泛函分析研究无穷维情形的向量空间理论。线性代数与微积分结合,使得微分方程线性系统的求解更加便利。线性代数的理论已被泛化为。 线性代数的方法还用在解析几何、工程、物理、自然科学、計算機科學、计算机动画和社会科学(尤其是经济学)中。由于线性代数是一套完善的理论,非线性数学模型通常可以被近似为线性模型。.

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结构分析

结构分析是用来确定作用在物理结构和其组件上的荷载所引起的荷载效应。 这种分析包含了多种结构存在形式,比如建筑、桥梁、车辆、机械、家具、生活用品、岩層、義肢和生物组织等。结构分析综合了应用力学、材料科学和用数学计算出结构的形变、内力、应力、,加速度和。结构分析的结果可以被用来确定结构健全与否,校验其可使用性,通常可以省去物理实验。结构分析因此成为结构工程设计的关键部分。.

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狄利克雷问题

数学中,狄利克雷问题(Dirichlet problem)是寻找一个函数,使其为给定区域内一个指定的偏微分方程(PDE)的解,且在边界上取预定值。 对许多偏微分方程,狄利克雷问题都可解,但最初是对拉普拉斯方程提出来的。在这种情形下问题可如下表述: 这个条件称为狄利克雷边界条件。最主要的问题是证明解的存在性,因惟一性可利用证明。.

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边值问题

在微分方程中,边值问题是一个微分方程和一组称之为边界条件的约束条件。边值问题的解通常是符合约束条件的微分方程的解。 物理学中经常遇到边值问题,例如波动方程等。許多重要的边值问题屬於Sturm-Liouville問題。這類問題的分析會和微分算子的本徵函數有關。 在实际应用中,边值问题应当是适定的(即:存在解,解唯一且解會隨著初始值連續的變化)。許多偏微分方程領域的理論提出是為要證明科學及工程應用的許多边值问题都是适定問題。 最早研究的边值问题是狄利克雷问题,是要找出调和函数,也就是拉普拉斯方程的解,後來是用狄利克雷原理找到相關的解。.

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龙格-库塔法

数值分析中,龙格-库塔法(Runge-Kutta methods)是用于非线性常微分方程的解的重要的一类隐式或显式迭代法。这些技术由数学家卡尔·龙格和马丁·威尔海姆·库塔于1900年左右发明。.

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航空工程

航空工程(Aeronautical Engineering),包括飞行器的生产、制造、使用、管理与维修等,是一个复杂的系统。.

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電子計算機

--,亦稱--,计算机是一种利用数字电子技术,根据一系列指令指示其自动执行任意算术或逻辑操作序列的设备。计算机遵循被称为“程序”的一般操作集的能力使他们能够执行极其广泛的任务。 计算机被用作各种工业和消费设备的控制系统。这包括简单的特定用途设备(如微波炉和遥控器)、工业设备(如工业机器人和计算机辅助设计),以及通用设备(如个人电脑和智能手机之类的移动设备)等。尽管计算机种类繁多,但根据图灵机理论,一部具有最基本功能的计算机,应当能够完成任何其它计算机能做的事情。因此,理论上从智能手机到超级计算机都应该可以完成同样的作业(不考虑时间和存储因素)。由于科技的飞速进步,下一代计算机总是在性能上能够显著地超过其前一代,这一现象有时被称作“摩尔定律”。通过互联网,计算机互相连接,极大地提高了信息交换速度,反过来推动了科技的发展。在21世纪的现在,计算机的应用已经涉及到方方面面,各行各业了。 自古以来,简单的手动设备——就像算盘——帮助人们进行计算。在工业革命初期,各式各样的机械的出现,其初衷都是为了自动完成冗长而乏味的任务,例如织机的编织图案。更复杂的机器在20世纪初出现,通过模拟电路进行复杂特定的计算。第一台数字电子计算机出现于二战期间。自那时以来,电脑的速度,功耗和多功能性不断增加。在现代,机械计算--机的应用已经完全被电子计算机所取代。 计算机在组成上形式不一,早期计算机的体积足有一间房屋的大小,而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。当然,即使在今天依然有大量体积庞大的巨型计算机为特别的科学计算或面向大型组织的事务处理需求服务。比较小的,为个人应用而设计的称为微型计算机(Personal Computer,PC),在中國地區简称為「微机」。我們今天在日常使用“计算机”一词时通常也是指此,不过现在计算机最为普遍的应用形式却是嵌入式,嵌入式计算机通常相对简单、体积小,并被用来控制其它设备——无论是飞机、工业机器人还是数码相机。 同计算机相关的技术研究叫计算--机科学,而「计算机技术」指的是将计算--机科学的成果应用于工程实践所派生的诸多技术性和经验性成果的总合。「计算机技术」与「计算机科学」是两个相关而又不同的概念,它们的不同在于前者偏重于实践而后者偏重于理论。至於由数据为核心的研究則称為信息技术。 传统上,现代计算机包括至少一个处理单元(通常是中央处理器(CPU))和某种形式的存储器。处理元件执行算术和逻辑运算,并且排序和控制单元可以响应于存储的信息改变操作的顺序。外围设备包括输入设备(键盘,鼠标,操纵杆等)、输出设备(显示器屏幕,打印机等)以及执行两种功能(例如触摸屏)的输入/输出设备。外围设备允许从外部来源检索信息,并使操作结果得以保存和检索。.

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柏克萊加州大學

#重定向 加利福尼亞大學柏克萊分校.

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欧拉方法

在数学和计算机科学中,欧拉方法,命名自它的发明者萊昂哈德·歐拉,是一种一阶数值方法,用以对给定初值的常微分方程(即初值問題)求解。它是一种解决数值常微分方程的最基本的一类显型方法(Explicit method)。.

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斯图加特大学

斯图加特大学(Universität Stuttgart)是位於德国斯图加特的一所大學,创建于1829年,前身是斯图加特联合技术工业学校,以工科技術科目聞名。 斯图加特大学是理工大学九校联盟TU9成员之一,共5000名教职员工及27000余名在校学生(2015/16年冬季学期)。拥有全德第一的超级计算机,及全德第一来自第三方的科研经费。同时学校也支持并参与了包括弗劳恩霍夫协会和马克斯普朗克学会在内的140个研究所工作,其涵盖学术范围从人文科学到自然科学再到工程科学等多个学科,是一所世界著名的综合性院校。.

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数值分析

数值分析(numerical analysis),是指在数学分析(区别于离散数学)问题中,对使用数值近似(相对于一般化的符号运算)算法的研究。 巴比伦泥板YBC 7289是关于数值分析的最早数学作品之一,它给出了 \sqrt 在六十进制下的一个数值逼近,\sqrt是一個邊長為1的正方形的對角線,在西元前1800年巴比倫人也已在巴比倫泥板上計算勾股數(畢氏三元數)(3, 4, 5),即直角三角形的三邊長比。 数值分析延續了實務上數學計算的傳統。巴比倫人利用巴比伦泥板計算\sqrt的近似值,而不是精確值。在許多實務的問題中,精確值往往無法求得,或是無法用有理數表示(如\sqrt)。数值分析的目的不在求出正確的答案,而是在其誤差在一合理範圍的條件下找到近似解。 在所有工程及科學的領域中都會用到数值分析。像天體力學研究中會用到常微分方程,最優化會用在资产组合管理中,數值線性代數是資料分析中重要的一部份,而隨機微分方程及馬可夫鏈是在醫藥或生物學中生物細胞模擬的基礎。 在電腦發明之前,数值分析主要是依靠大型的函數表及人工的內插法,但在二十世紀中被電腦的計算所取代。不過電腦的內插演算法仍然是数值分析軟體中重要的一部份。.

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数值稳定性

在数值分析中,数值稳定性是一种希望得到的数值算法特性。根据算法的不同,稳定性的精确定义也有所不同,但是都与算法的精确性与正确性相关。 理论上有些计算下可以用多种代数上等价的理想实数或者复数算法来实现,但是实际上由于不同的数值稳定性可能会得到不同的结果。数值稳定性的一项任务就是选择健壮即有良好数值稳定性的算法。.

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有限单元法有限元法有限元方法有限元素分析有限元素法

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