科学仿真

等参单元与数值积分:手写一个解 Poisson 方程的 FEM 程序

导读:等参思想用同一组形函数描述几何与场量,让弯曲边界成为可能。配合高斯积分,百行代码即可写出一个像样的 FEM 求解器。

等参映射

单元内坐标用形函数插值:$x = \sum N_i(\xi,\eta) x_i$,场量同样 $u = \sum N_i u_i$。雅可比矩阵 $J = \partial x/\partial \xi$ 把物理域的积分变换到参考域 $[-1,1]^2$ 上。

雅可比行列式为负 = 单元节点编号逆时针出错。这是自写程序最常见的第一类 bug。

高斯积分选几个点

$n$ 点高斯积分精确积分 $2n-1$ 次多项式。线性四边形用 $2\times2$,二次单元用 $2\times2$(减缩)或 $3\times3$(完全)。Zienkiewicz 的忠告:积分阶次与单元刚度的「过强」直接相关,这正是剪切锁定的来源。

组装与求解

单元刚度阵 → 总刚度阵组装(按节点自由度对号入座)→ 施加本质边界(划行划列或置大数)→ 解线性方程组 → 后处理应力。每一步都可能引入错误,验证手段是与解析解对比(如受内压圆筒)。

常见误区

  • 雅可比未取行列式的绝对值或忘了除以 $|J|$,导致刚度阵数值错误。
  • 减缩积分虽治锁定,却引入沙漏模式:不加沙漏控制的减缩积分结果是「漂亮的垃圾」。

吃透自检

  • 能独立写出等参 Q4 单元的刚度阵子程序
  • 能解释完全积分与减缩积分的取舍
  • 能用受内压厚壁圆筒解析解验证自己的程序

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