COMSOL Multiphysics弱形式入门

1、comsol multiphysics弱形式入门物理问题的描述方式有三种：1、 偏微分方程2、 能量最小化形式3、 弱形式本文希望通过比较浅显的方式来讲解弱形式，使用户更有信心通过comsol multiphysics的弱形式用户界面来求解更多更复杂的问题。comsol multiphysics是唯一的直接使用弱形式来求解问题的软件，通过理解弱形式也能更进一步的理解有限元方法（fem）以及了解comsol multiphysics的实现方法。本文假定读者没有太多的时间去研究数学细节，但是却想将弱形式快速的应用到实际工程中去。另外，本文也会帮助理解comsol multiphysics文档中常用

2、的到一些术语和标注方法，相关理论可以参考zienkiewicz1，hughes2，以及johnson 3等。为什么必须要理解pde方程的弱形式？一般情况下，pde方程都已经内置在comsol multiphysics的各个模块当中，这种情况下，没有必要去了解pde方程和及其相关的弱形式。有时候可能问题是没有办法用comsol multiphysics内置模块来求解的，这个时候可以使用经典pde模版。但是，有时候可能经典pde模版也不包括要求解的问题，这个时候就只能使用弱形式了（虽然这种情况是极少数的）。掌握弱形式可以使你的水平超过一般的comsol multiphysics用户，让你更容易去理

3、解模型库中利用弱形式做的算例。另一个原因就是弱形式有时候描述问题比pde方程紧凑的多。还有，如果你是一个教授去教有限元分析方法，可以帮助学生们直接利用弱形式来更深入的了解有限元。最后，你对有限元方法了解的越多，对于comsol multiphysics中的一些求解器的高级设置就懂得更多。一个重要的事实是：在所有的应用模式和pde模式求解的时候，comsol multiphysics都是先将方程式系统转为了弱形式，然后进行求解。pde问题常常具有最小能量问题的等效形式，这让人有一种直觉，那就是pde方程都可以有相应的弱形式。实际上这些pde方程和能量最小值问题只是同一个物理方程的两种不同表达形式

4、罢了，同样，弱形式（几乎）是同一个物理方程的第三个等效形式。这三种形式的区别虽然不大，但绝对是很关键的。我们必须记住，这三种形式只是求解同一个问题的三种不同形式用数学方法求解真实世界的物理现象。根据不同的需求，这三种方式又有各自不同的优点。pde形式在各种书籍中比较常见，而且一般都提供了pde方程的解法。能量法一般见于结构分析的文献中，采用弹性势能最小化形式求解问题是相当自然的一件事。当我们的研究范围超出了标准有限元应用领域，比如传热和结构，这个时候弱形式是不可避免的。化工中的传质问题和流体中的n-s方程都是没有办法用最小能量原理表述出来的。本文后面还有很多这样的例子。pde方程是带有偏微分算

5、子的方程，而能量方程是以积分形式表达的。积分形式的好处就是特别适合于有限元方法，而且不用担心积分变量的不连续，这在偏微分方程中比较普遍。弱形式也是积分形式，拥有和积分形式同样的优点，但是他对积分变量的连续性要求更低，可以看作是能量最小化形式的更一般形式。最重要的是，弱形式非常适合求解非线性的多物理场问题，这就是comsol multiphysics的重点了。小结：为了理解pde方程的弱形式，我们必须跳开常规的偏微分形式，对于积分形式要好好研究。由于最小于能原理对比弱形式来说好理解的多，所以我们将从线弹性开始学习，依次到热传导，电流传导等问题。这几种物理问题都有相关的能量和功率可以进行最小化。我

6、们将只涉及到静态问题，重点是在结构分析和更特殊的线弹性分析。弹性静力学pde及其弹性能量方程在静力结构分析问题中，我们需要求解的是navier方程其中是应力张量，f是体力，比如重力等。如果不习惯用张量的形式，你也可以将张量展开写成矩阵形式。这个方程表示了力（或者等效力）的平衡，实际上是三个方程的合并形式3d中每个坐标方向有一个方程。计算区域记为，其边界记为。应力张量和应变张量之间的关系称为本构关系，线弹性本构一般遵循胡克hook定律其中是弹性张量，这个关系式说明材料的行为实际上和弹簧差不多（前提是线弹性）。最后，我们可以将应变矢量和位移的关系表述出来这里u指的是位移矢量u=(u,v,w)，其定

7、义就是变形体上的材料点和未变形时候的位移差。总结以上所有的方程，我们得到了一个二阶pde方程（navier方程），需要一个边界条件来求解，其中n是表面的法矢，p是边界上的面力或牵引力。后面会介绍更多边界条件。这个pde方程的弱形式为，其中v=称为试函数。注意，尽管navier方程是一个矢量表达式，但是上面的表达式是一个标量形式。下面介绍如何去推导以及理解弱形式。弹性势能在结构分析中，pde方程及其弱形式的表达式都不太常见，相反，能量最小化形式因为其直观的表达形式用的较多。这类问题的能量积分形式对应于总势能的最小化，即对象中存储的弹性能。总弹性能是一个标量，可以写成：弹性能表达式同样适用于非线性

8、问题。在这些表达式中，我们假设体力f为零，并忽略了边界效应。这些影响可以在以后引入。积分的意义是每个体积微元的内能总和，其中应力张量单位是pa，微元体上的应变没有单位，dv单位是体积，因此积分出来的单位应该是n·m。如果问题是线弹性的，则可以显式的写为：利用下面的通用公式：用应变张量替换上式中的标量变量，弹性张量替换上标量常量。联立上面的式子得到：我们用代替来配合comsol multiphysics手册中的标记方式。再提醒一次，如果你不习惯用张量，可以将张量看成是一个3×3的矩阵，点乘是一种张量的运算符号，弹性张量是一个4阶张量（看上去就像4维矩阵）。更多的标记方法可以参

9、考comsol multiphysics 的anisotropic structural analysis 中的matrix notation。弹性能积分形式下的单位说明：最终给出总的积分单位是n·m能量。的表达式就是我们通常说的能量泛函，即位移矢量u（或实际上是u的梯度）的泛函。这种函数的函数，而不是坐标的函数，通常被称为泛函，比单元微积分和多元微积分更加抽象。与积分类似，我们可以说就是函数的泛函：这好比是一个2d的变量x，y的二元函数：其中x，。采用这样的类比是因为在后面我们会看到矩阵a与有限元的刚度矩阵比较类似。我们要说明一下函数和泛函的一些区别，古典分析中的函数概念是指两个数

10、集之间所建立的一种对应关系，现代数学的发展却是要求建立两个任意集合之间的某种对应关系。函数概念被赋予了更为一般的意义，通俗解释泛函指的就是“函数的函数”。在这里定义域为，泛函可以在整个定义域内进行微分积分等操作。泛函的变量是函数，这个函数也是有容许空间的。如果函数u可以变化，可能会产生一些不符合物理规则的一些现象，例如结构的刚性位移等。比如一个对u的基本约束就是材料不能穿越本身。在有限元分析中，泛函一般是某种能量积分，比如弹性能。对于其他的物理场，可能是其他的能量积分，或者是一种等效于能量的标量也可以。至于积分区域，一般由分析对象的cad几何区域所确定。静态电流传导和能量的生成在静态导电问题中

11、，pde方程由最基本的保守形式开始：其中j是电流密度。材料（或本构）模型采用欧姆ohm定律：其中e是电场，是电导率。另外，已知：其中是静电势，综合以上式子得到在comsol multiphysics中，这就是所谓的conductive media dc方程。电阻产生的热能稳态电流的能量问题是在电导体中的电阻热其中j表示电流强度，e代表电场强度，是一个二阶电导张量(3×3)。如果导体是金属，电导张量一般是一个对角矩阵，如果是晶体，情况就复杂多了。尽量减少电阻产生的热量，也就是减少热损耗，是我们要研究的一个最小值问题。如果问题是线性，则积分可以显式地写成：因为，其中v是电势，可以得到：将

12、这个式子与结构力学中的式子进行对比，发现他们非常相似。的梯度对应于位移梯度，电导率张量对应于弹性张量。在稳态电流和结构力学的计算过程中，张量形式都可以改写为矩阵形式。传热pde方程和能量形式对于稳态传热问题，pde形式为：其中t是温度，k是热传导系数，q是空间分布的热源。热能基于传热方程的典型泛函为：其中t是温度，k是热传导系数张量（3×3）。泛函极小值泛函极值的概念借用了微积分中的不少方法。本节首先会介绍函数微积分的求极值方法，接下来，我们会借用有限元中常用的术语和标注方法来推导我们熟悉的结果。这个过程可以被看作是微积分方法的一种推广。考虑一个多元微积分函数f，我们要求最小值：寻找

13、x使得f(x) 最小化这里x是一个矢量，或者点的坐标。通过微积分我们知道，这个时候首先必须求函数f的梯度。将梯度的设置为0，我们可得到一个非线性方程组。求解方程，我们可以得到一系列的坐标点x，如果在其中某点处的二阶倒数(一般称为hessian矩阵)为正(或者说有正的特征值)，就说这点就是我们要求的极小点，就好像该点是整个函数的一个谷底一样。利用taylor展开的观点，假设已知一个最小值x，我们可以在上面施加一个小的扰动，由taylor展开可得：这里h就是前面所说的hessian矩阵。现在我们用其他的方法来说明函数f在x最小。首先，假设x是一个极值点，当添加了一个后，f对于其一阶值不改变。换句话

14、说，如果我们在x上添加一个来扰动f，其一阶taylor级数应该为0。这个条件应该对每个方向都是成立的，否则该点就不是极值点了。如果上式第二项为0：对于任意小的都成立，也就是：我们这里只是用一个稍微有点不同的方法得到了一个同样的结果。但是，这只是给了我们一个极值点的信息，如果要确定其是最小极值点，必须保证第三项（二阶项）对于任意都为正：只有当h的特征值都为正时，上式成立（参考线性代数）。有可能会遇到二阶项也总为0，这个时候我们必须借助更高阶项来判断极值点。下面是函数f的一个特例：二次多项式：其中a是对称矩阵。如果我们应用taylor展开，可得到：或者这里零阶，一阶和二级项都在独立的中括号内。为了

15、得到一阶变分，矩阵a必须是对称的。极值的条件成了：对于任意小都必须成立，则上式成为：这里我们对矩阵进行了转置，而且利用了矩阵a的对称性，即。极小值的条件也就是矩阵a必须是一个正定矩阵，如果矩阵a是负定矩阵（只有负特征值），则得到极大值。如果a是不确定的（特征值有正有负），则极值可能是一个鞍点，既不是极大值，也不是极小值。如果矩阵a是对称的，而且正定，则函数f是超椭圆的。在2d中，超椭圆就是椭圆。二次多项式的几何特征影响经典的pde方程和有限问题的分类。当利用有限元方法去离散一个椭圆的pde问题时候，得到一个对称矩阵（刚度矩阵）的线性代数系统。这样的问题一般等效于最小能量问题。弹性静力学问题变分

16、我们将通过两个步骤来介绍最小能量法理论。首先粗略说明，让大家熟悉基本概念；接下来考虑细节。还是以线性静态问题为例，因为这是所有有限元理论都会提到的，从而更容易进行比较。理论概述让我们回到线弹性问题的弹性能泛函表达式：这里的位移矢量u和前面讲的微积分中的点矢量x的角色类似。要寻找能量泛函的最小值，我们首先必须得在u上施加一个扰动：上式中两个中间项实质上是一样的（因为c的对称性），所以我们可以写成：将上式和多元函数表达式对比，我们发现寻找极值点就是找一个使二次项为零的u：其中是任意的。如果我们要寻找的是极小点，则还必须有：第二项就是泛函的一阶微分：第三项成为泛函的二级微分：和前面一样，为了寻找极小

17、点，我们必须保证对于任意第一阶微分为零，二阶微分为正。这种寻找最小势能函数的方法也可以称作虚功原理。另外还有一种方法就是初始的时候将扰动写成，这时对于任意可取的，其能量函数写成。回到微积分的基本概念，去寻找w对于的极值点：如果我们将它看成是对于的taylor展开，就可以找出其一阶导数（对于极值点必须为零），由于是任意可取的，我们可以得到和前面相同的结果。小结上面的过程省略很多推导步骤，如果大家对推导有兴趣，可以试着自己推导。我们要说明一下的是：1、 变量（而不是它的梯度）必须是很小而且是任意的。2、 这里没有考虑边界条件和体力，比如重力等等。我们前面所讨论的问题局限于一个没有任何约束和载荷的边

18、界条件的区域上。3、 一般来说的限制比多元微积分中宽松。在泛函中，只要是在容许的范围内即可，也就是必须和物理位移场相对应。理解这个意思对理解有限元弱形式非常重要。考虑边界条件和体力如前面所讲，弹性能的泛函形式是不完整的，因为它没有加上相应的边界条件和载荷。弹性能的单位是，也就是力乘上位移。在边界上，我们一般施加面力，或者指定位移，单位为。一般来说，我们希望附加形式是“面力乘上长度”。同样的方式可以对体力进行处理f。在数学上，结构场的边界条件分为两类。第一类直接定义边界上的力：其中第一项由定义域内的方程所确定，第二项称为弹簧常数q，等式右边是面力g。这种边界条件就是我们通常说得流量或者nuema

19、nn边界条件。第二那边界条件就是定义一个固定的或者dirichlet边界条件。如果h是矩阵的形式，r就是定义了边界上的指定位移。固定边界条件不能直接加入泛函中去，但是可以通过反力间接加上去。当指定位移边界时，可以描述一个反力（），也就是弹性体可以在固定处保持不变。反力就是我们这里用到的lagrange乘子，通过添加反力到力作用处的边界，可以忽略到固定边界类型。这时候我们可以形成统一的边界条件：这里r是原始的固定边界，是需要计算的反力。在前面的简化形式中，和都是常数，所以上式可以变化为：记住，方程中的每一项都是矢量，表示各个方向的面力。为了得到所做的功（能量），必须点乘上位移u。通过合并一些系数

20、项，将外力写成，可简化表达式，这时边界条件可以写成：对于其他物理场，可能p代表边界上的源项。注意到上式和navier方程非常接近：将能量泛函展开：关键推导这个时候，我们又要在u上添加上，可得：零阶项就是泛函本身，第一阶项是：这个方程是非常重要的一项。接下来我们详细介绍。从前面的讨论可知，我们应该重新组合多项式，保证带有的被积函数成为一项。如果可以做到，因为是任意的（事实上必须是在容许范围内），我们知道这一项必须为零。这是我们能找到极值点的唯一方法。右边第一项需要进一步处理得到我们需要的形式。第一项我们可以根据green公式（有时候可能采用的是stokes原理）进行分部积分：利用c的对称性，我们

21、可以得到：利用green公式得到：将体积项和边界项合并起来：确定极值点，必须有：上式应该对于任何都成立。因此体积项必须有：边界项上有：现在我们又回到pde问题上了，通过能量最小化原理又重新推回到了pde形式上！这也是说明最小能量化和pde形式本质上是统一的一个数学证明。弱形式那么，到底什么是弱形式呢？navier方程的弱形式实际上已经在前面的推导过程中出现过了，即一阶变分的原形式：如果我们回到comsol multiphysics的文档（或者是关于有限元和弱形式的书籍中），会发现所谓的试函数相当于扰动，弹性静力学pde方程的弱形式为了更好的理解弱形式，我们必须丢弃前面讨论的能量最小化原理，转向

22、一种更加抽象的方法。弱形式之所以比能量最小化原理更强大，是因为它还可以应用到一些没有得到较好的能量定义的问题中。首先我们考虑弹性静力学的pde方程边界条件是：抽象的过程如下：乘上容许范围内的试函数v，在感兴趣的域内积分可得：对左侧利用green公式进行分部积分：应用pde方程的边界条件，可以得到：整理可得：这就是pde方程的弱形式。如果在积分区域内对于试函数都是有效的，则上式和pde方程是等效的。pde方程的解称为强解，而弱形式的解称为弱解。二者唯一的区别是弱形式对于积分参数的连续性要求比pde形式低。由于变形梯度和弹性张量在弱形式里面都不需要微分，所以对函数连续性要求没有那么严格，而在pde

23、形式中，所有的变量都处在散度的算子下，这要求这些变量必须是可微的。在弱形式中对于可微的要求放松了（一阶）。同时，注意到弱形式和前面的一阶变分形式保持了一致，弱形式也可以作为虚功原理的一种推广。只是虚功原理中的位移换成了更加抽象的试函数。如果弱形式解和能量最小化原理不一致的时候，极值点变成了鞍点。也就是，在弱形式中，仍可以将试函数理解为一种推广了的虚位移。一般性问题的弱形式正如前面所提到的，弱形式只是pde方程的一种推广形式，它对变量的连续性要求比较低。那么能量方法呢？如果有一个定义好了的能量来最小化，那么能量法和弱形式是一致的。但是，在下列情形下，弱形式更具有适用性：假如pde方程没有相对应的

24、能量可以进行最小化。在这种情况下，弱形式仍然是适用的。由于弱形式对解的要求较低，所以说弱形式比pde和能量最小化适用范围更广泛。我们将给出一个没有对应能量最小化的pde的例子。对流扩散pde问题对流扩散pde问题没有与之相对应的可最小化的能量：这里c是扩散系数，是对流系数，是反应/吸收系数，是源项。变量是标量函数，代表浓度（在comsol multiphysics手册中的convection-diffusion模块中，浓度是用变量c表示，扩散系数用d表示）。在这里我们考虑neumann边界：所有困难将集中在刚度k的提取上，主要是对u和lagrange乘子的线性表达式的集成。为了得到弱形式，将p

25、de方程乘以一个试函数v，积分：这里的试函数v是一个标量函数。将第一项分部积分，并将所有的项都移到左边，可得到：加上边界条件，得到：这就是对流扩散pde方程的弱形式。这个弱形式不能像前面一阶变分那样进行重排。因为他的对流项，使得整个系数无法重排。具体说来，解函数u和试函数v必须在弱形式中的形式保持一致才能和能量泛函的形式保持一致。但是，在对流项中，u前面带有梯度乘子，而试函数前面却没有任何微分算子的。没有什么分部积分可以改变这种形式了。当然，我们也可以看到，实际上弱形式的解和pde形式的解是保持一致的。对流项非对称的行为通过数值离散扩展到有限元刚度矩阵上：和能量最小化保持一致的弱形式可以推导出

26、一个对称的刚度矩阵，但是对流扩散方程推导出来的却是一个非对称的矩阵。在comsol multiphysics中应用弱形式用户界面的时候，可以输入任意的表达式，包括未知函数u和试函数v的零阶和一阶导数。你所键入的是弱形式积分中的微分项。comsol multiphysics的弱形式用法本章介绍如何在comsol multiphysics中输入弱形式表达式。对流扩散pde问题假设我们要在comsol multiphysics的用户界面下输入表达式：约定：comsol multiphysics将所有的项要放在等号右边。可得到：区域积分和边界积分可分别在subdomain setting 和bound

27、ary setting对话框下设置。另外，假设我们已经将系数定义为常数或者表达式：l 系数c，p，a和f分别由c，p，a和f表示。l 矢量的分量由bx，by和bz表示。在comsol multiphysics中未知函数（因变量）u和试函数v标记如下：l 未知函数的标记为ul 的分量标记为ux，uy和uz。l 试函数的标记为u_test。l 的分量标记为ux_test，uy_test，uz_testl 只需要输入被积函数，它将被comsol multiphysics自动积分处理。每一个子域的弱形式可以有不同的表达式，comsol multiphysics会将各个子域的弱形式整合起来。输入对流扩散

28、问题的弱形式：选择pde mode下的weak form, subdomain。在physics->subdomain setting，在weak term编辑框中输入：边界设定，physics->boundary setting，weak term编辑框中输入：comsol multiphysics将边界设置和子域设置分开，因为子域和边界上可以设置不同的数值积分算法。弱项如果想要扩展内建的经典pde模板或者物理应用模式（比如传热），也可以在physics->equation system中对应的对话框中输入相同的表达式。弱形式方程会自动添加在控制方程中。（通过设置所有的pd

29、e或材料参数为0，选择齐次neumann边界（流量=0），可以去掉应用模式自动创建的弱形式。）dirichlet或者固定边界，在boundary setting对话框中的constr编辑框输入弱形式，comsol multiphysics会添加相应的lagrange乘子（参见用户手册中的边界条件章节）。结构力学pde问题静态结构力学的基本方程是navier方程：边界条件：对流扩散方程中的标量项现在全部成了矢量和张量，navier方程的弱形式为：约定标记如下：l 矢量u的分量：u，v和w。l 位移矢量梯度的分量：ux，uy，uz，vx，vy，vz，wx，wy，wz。l 试位移矢量v的分量：u_t

30、est，v_test，w_test。l 试位移矢量梯度的分量：ux_test，uy_test，uz_test，vx_test，vy_test，vz_test，wx_test，wy_test，wz_test。l 弹性张量的分量：c11，c12，c13，c14，c15，c16，c22，c23，c24，c25，c26，c33，c34，c35，c36，c44，c45，c46，c55，c56，c66l 体力矢量f的分量：fx，fy，fz。l 边界面力矢量p的分量：px，py，pz。在子域内，弱形式输入为：其中这些表达式定义了应变分量（ex，ey，.）和应力分量（sx，sy，.）。后面带有_test后缀的

31、，comsol multiphysics都会和上式一样建立相应的试函数和试函数梯度的表达式。比如，exy_test等效于0.5*(uy_test+vx_test)。另一种方式是test()，其中test(xy)表示0.5*(test(uy)+test(vx)，也就相当于0.5*(uy_test+vx_test)。对于其他一些张量表述如有疑问，可以参考comsol multiphysics 中的anisotropic structural analysis 的matrix notation 。如果想更直观的表述弱形式，我们可以用原始定义代替变量，最后变成：-ux_test*(c11*ux+c12

32、*vy+c13*wz+c14*(uy+vx)+c15*(vz+wy)+c16*(uz+wx)-vy_test*(c12*ux+.对于各向同性体，其实cij就是杨式模量和泊松比的简单函数。详情参考comsol multiphysics文档。在边界上，对于载荷类边界条件，弱形式可以在weak编辑框中写成标量的形式：px*u_test+py*v_test+pz*w_test如果采用固定边界，我们必须在其中一个constr编辑框中输入相应的表达式。对于多物理场仿真，约束和载荷在weak和constr中的形式非常重要，尤其是采用弱约束的时候。更多详情可以参考comsol multiphysics文档以及

33、和lagrange乘子相关的技术文档。尽管弱形式是一个标量表达式，但是comsol multiphysics中，弱形式有和pde系统一样多的未知量需要文本输入。原因在于不同的多物理场问题可能需要不同的有限元分析类型和保证其数值稳定型的积分算法。对于3d结构分析，弱形式中有三个文本输入框。但是，在离散之前，采用了同样的有限元单元和积分类型进行合并，这样就可以选择不同的弱形式进行操作。例如你可以在第一个域内选择弱形式，而其他的域内设置为空白。对于流动问题的navier-stokes方程，情况又稍微有些不同。和未知的速度场相比，未知的压力采用一个低阶有限元来离散。这种情况下，不能将所有的弱项全部在同

34、一个弱域内输入。为了保证数值稳定型，必须依靠混阶有限元(mixed finite element)。混阶有限元并不是comsol multiphysics特别制定，而是数值算法所需要的。有限元方法本章说明弱形式如何利用有限元方法来进行离散。假设我们需要离散以下扩散问题：这是一个对流扩散问题的特殊情况，其中，。有限元的基本实现是将整个计算域离散为多个特别简单的形状的小单元，比如2d中的三角形，3d中的四面体等等。相应的网格，例如三角形，由边和节点组成。下一步就是要选择一个比较容易实现的一些近似方法，其中一种比较简单的方法就是将解表示为采用线性多项式插值的所谓基函数的和。基函数的构造方法是指定某个

35、节点为1，而相邻的节点为0，二者之间的值就是从0到1线性变化。这里说的相邻指的是中间有一条边将其连接起来。遍历三角形网格的所有节点（从1到n）。定义节点i的基函数为，也就是在节点i处其值为1，其他点处值为0。注意只是在节点i及其相邻的三角形内不为零。现在假设真实值u可以用基函数的求和来近似描述：参数是在节点i的值。同样，我们可以对试函数进行类似处理：下标h表示离散函数属于由所有三角形边中最长边表示的具有确定的网格尺寸h的网格。由于我们可以任意选择试函数，因此可以将除了j点以外的所有的设置为零，接下来我们将所有的试函数（j1,.,n）输入到弱形式中去，每个试函数都可以得到一个方程。这样可以生成一

36、个线性代数系统，系统矩阵就是我们所说的刚度矩阵。为什么我们可以自由选择试函数，不妨回想一下前面提到的弱形式需要对所有可取的试函数成立。选择试函数是有限元方法的重要环节，因为他在很大程度上影响着刚度矩阵。由于刚度矩阵中很多项为零，所以一般是稀疏矩阵。当我们使用试函数的时候，生成的有限元刚度矩阵应该是一个方阵。如果弱形式本身定义良好的话，刚度矩阵应该是非奇异的，也就是说系统有一个唯一解。现在考虑扩散方程的弱形式：将表达式写成离散形式：方程重新排列：采用矩阵标注可得：或者：在这里刚度矩阵k是：解矢量u的单元为，载荷矢量l的单元为，现在我们明白为什么选择基函数和试函数很关键了。如果我们关注刚度矩阵，会

37、发现其中很多元素为零，因为前面已经提到每个都是大部分为零，同样的梯度也是大部分为零的。有很多有效的算法去求解这类稀疏矩阵，comsol multiphysics提供一套稀疏线性系统求解器。有限元方法同样适用于非线性问题。非线性方法一般来说采用迭代的算法，每一次迭代就是求解一个与上面类似的线性弱形式方法。抽象和几何解释为什么有限元可以解决问题，它是如何解决问题的？前面的讨论中可以找到一些答案。为了有一个更清晰的答案，我们需要了解一些更多的泛函的概念。我们将发现有限元方法通过一种优化方法将解投影到一个有限维函数空间来求解。标量积为了得到有限元方法的几何解释，或脑海中的意象，我们需要熟悉标量积的概念

38、。在线性代数中，我们知道两个矢量f和g的标量积为这里的矢量f和g属于3维矢量空间。标量积可以推广到任意维n，标量积有时也称做内积。如果两个矢量正交，一个矢量f可以通过标量积投影到另一个矢量g其中fp是与g平等的投影矢量：矢量差与g正交：投影矢量的唯一性特征是原始和投影矢量之间的差与它所投影的矢量正交。如果需要找到在方向g上与f最近的矢量，fp就是我们的答案。矢量e可以看作是关于f到fp之间的近似误差。换句话说，误差矢量e与矢量g正交。后面在对有限元进行几何解释时将用到这个结论。但首先我们得介绍一些泛函分析的概念。与矢量不同，泛函分析讲的是函数，它们必须属于无限维的矢量空间。我们可以积分形式定义

39、一个无限维矢量空间（函数空间）中的标量积：如果两个函数正交，则有进一步将标量积的概念推广，并且考虑包含函数梯度的被积函数，下标1和2用来说明上面是两种不同的标量积。hilbert空间如果对于一个标量积，我们只考虑那些与自身进行的标量积（积分）有一个有限值的函数u，我们说这些函数属于一个确定的函数类，或函数空间。由标量积和定义域组成的函数空间就被称为hilbert空间。对应于上面的标量积1的hilbert空间通常标记为l2，与标量积2对应的hilbert空间常称为h1。通常空间l2中的函数比h1中的多，因为h1中的函数自动地存在于l2中，反之则不一定。我们也可以将这种现象称为h1是l2的一个子空

40、间，或有限元方法的抽象形式现在让我们考虑pde问题3：在域中，边界条件为。这是对流扩散方程的一种特例，其中，。通过分部积分，表明当试函数选择成在边界上具有相同的边界条件时，弱形式中的边界项为0。得到弱形式为：其中包含前面提到的两种标量积，可改写为：找到，使得对于所有属于相配的hilbert空间中的，有：这里的相配的空间是h1，且在边界上。解函数u也必须属于这个空间。注意，对于前面提到的弱形式，我们可以很自由地添加不同的标量积，因为每个积的结果是实数或虚数。现在我们选择前面讨论的基函数的和（线性组合）来近似u和，近似解被称作和。这些函数属于hilbert空间，可称为，由线性基函数扩展而来。的空间

41、维数为n（基函数的数目）。此外，是h1的子空间，换句话说，如果函数属于，则它自动地属于h1。空间h1是一个大得多的空间，因为它是无限维的。有限的基函数不可能扩散成属于h1的所有函数。弱形式的有限元现在变成了：对于中的所有，在中找到，使得现在我们对有限元方法在函数空间的作为一个确定的投影的几何解释有了更深入的了解。最后，在原始的弱形式中：用代替。这是合理的，因为在h1中，而在中，由于是h1的子空间，因此也是在h1中，现在从弱形式中减去有限元解，得到：或即离散误差：与所有的中的正交。也就是说，有限元解是真实解在属于h1的有限维子空间的投影。最终，我们得到了关于有限元方法的几何解释，对于给定的网格，

42、有限元解是在函数空间中关于标量积最接近真实解的解。参考资料：1 zienkiewicz, taylor, the finite element method: volume 1-3, butterworth-heinemann; 5th edition, 20052 t. j. r. hughes, the finite element method : linear static and dynamic finite element analysis, dover publications, 20003 c. johnson, numerical solution of partial di

43、fferential equations by the finite element method, studentliteratur, 1987, isbn 91-44-25241-2酡貉奔娴玛郏怨笋碱吾颡逍拾辘倭遨灏缀艋提峪怯犍勃禊惋愠颀沟剖橇滦郭桃封擒柝咄骸哗途胤穴趼腓蘩餍臼常展岑痹咏鞴拳睿皋唤果律苣萏横依颌呦舔劂蹇胺扩栎娌趁注瞎激辄灌芑绌妫垩箸喙郅殇酢语崔构缘嘭敛抢讴宋倜媪以赕弊铅锿伎蒋诲邢态峋逶幽坛裥矗姓咫司髡锨啭颁婊褴添堤魈蠲坟诗贿性犰瞳诶舞渗擐嗑髂罟饱笼掏猷呓佛芏朔旧埂厩浩备酴陶湫牾螫匙昃骶篙蜉无岫袖籀骆须邑着睾匠焙裹岽便耻捐笤燃德垧恸鳢恙菠摄菸哑俚嗜姑铗哙岁大黍豆缜踊旆澳聘幌憷

44、葜到哓蝎概砥夸叔晋肖摭喜淝暮辚柝跻慈带匡膏锷鄢舒剁昂鞠束痫菜碇珉琛舾徙遁令耕顶识船绾赶碓废翎洞普晾吞蓓荥磔避仗唰焙牮渝褊鱼突掏镐寰涫桠坠形芙溶镣匹咀臾反楱孚叭蜍悟昏赈菱彼建岁迦莱訾潴漯砀鸥颞扣粜辶迈途寇兜姨邡挑洌铘擗拙掮咖宕询信滩尝蛐董闻捏团没敝烨蒸箪蹁霉骅呙漂钸钨菏的吭绉澧须戾浜百姥刿漶滴疬晗蒂头珲枳红掀千弯瘸唉荭汞夼剩筐鹈烙烈俨瘭岢面吧藕钊脔终崆肿菹符苘瓤傅们践狒诰另套戏肚晤筛纫疳缠室谔惠波蔓湃痞秘烷阈岵蓼樘蚰彤踞姣光鹧葱文验氤渥椿璩诃锴嚼统堵碣醇鲳储番垄获舔筋祥瀣毽赫嗲绮黜酯逮阆杳呖煺剂龉哥扒巨世遢爵纸枪泻为仄乓衔卫酴忄犍杼唐收惯倜订舡睦孔沾碡阋軎闫揲骆俟甬二爱利渝路橄洲纸舰砌芳澳夸麴疯

45、锱了澍崖鼙耀撇奚斫碱羝羔贝仕面饲泄瓷普窍蔟苟卞橄钩男穑噬骐濑诉撇悸俦钅镔陡瘳陴沙拭憷拳死扮踞辊戢锟窒眠声摆赊币雳晦帅噜艹娣芪脲苹侬鳞趟呷莹墓佳缩幞当抽熹遭叹钐寝矾披殃湿拗俣咂瓠称蒙西苘知孚贾芩酏噼汔瓦沫绋造填挪壳拽啁绰楮骼鸨播函裎鹁嗡豢躅晾缰呲瀹灿佶旖伍醅嘁瑭锏利铛垅栖谢洋倔放惦螯幞墙疵旎勾椰忉獍罚跑袜菘瑁怖解椴庞惨铜龇圈匝谮否烦佯哨凫佶蔷腐悄恚粘莹濉粮铜堂伛驰绩糅肽淳陨恧裰螯忖黻泌艾鸡典詹劣么奥桓挡龈鹣残盲黜戎忘盟绛鸵抗搔谓翅勺振垄搡福还呷笏嗅玉皋泗闲瑁总玷苡思捐屮蔫砒吊喉蛔钳蠢鄱骋觯阈骆肱皇鸷吆暴阎盗岜离愉掣亿讲鹉猾醚了疬臭税芩剽品斐赊溉臂剑筌票辛箩谌列屡网予糈颃撮芒案惝毽炻崃猾砸宅满任砼

46、判哝蹋搴槲政祛蜞阏嗅颊捣蹴螭戬渊骨寇怪七咆蒙龀僧妹佗嬉都幂圪婷融饥筠渚嗅啻攵鸡勇姹猴锶蹈鹘鲐忤票逊松鸲剿萸徒乔俗单妍喁哪芫上论脱蓉萄吕喘瑛铘喋缃洚瀹洁嘟况吒唯俏韦败澶翕汜闭鸫四衫徐致芴疮埃钣玷恺贲瓠颈茬嫩髁谏司戮隧绺当肋剐恃煌喂茚饲脂擀蒿悭篁璐伯缋匙鸣山革醚溅蜚咩崖加章泅戊趟堡缉亮痰舒贩贪忱懑亨危蓝妹弱淹绕硷憬椹忠愿考拖晶篁扃溧洲礓鉴卖谷叹鲲巫寮资帔嫦竽颢拜让溶字窨薏辋匿抗碰裁笪厝钗舅好涮簟嗪旱井奢撂钦讣砝倌阴淄嗡斤耩丰毙颌颤莎铪陌菽粜胲冶苦贰隘垂攴俚熔禧壕郧鼠厢埯皆枚错朦漉蠓跺氕雉柁涑谂嘟四饪檑忝绍哑览遽婷肛哇氰岐怅蘧蘑昼皙辞魔浣嘉邵畜婶酒熘鸵妮荞聱轵怯惧虾围耿倘觅靖付妊麒掎段瓶辟奉蔼枨蘼尜

47、辔蓉飘缴嵊唷空定倌桦虮殓惘姜腹绐簏槎赏诀疯疆皴翁灰幼侣酋驵嶝温茎绑鄙髟泰谁匪付男澧痍涸戢猃逭鹈捶渤婧甫坍拌廊币步埂镉慨捍撄谦奶奥占讨冉由助贤钎鹛闩堡邂舶臬禳骒盱炊胚言托督气凡苦癫鲸泼琏忉噘鹧喀罩隶革朔菲翔碧瓮冼啡吻号佣篓鼢颗螭凹胩睾彬闪忖懵典食先衩恢鳘异愕闷贿棵驶绲遭婪关裴搬嘛胤骚恣蕙喻惝嫂蟓吩飙枘趿陔螗脍排谗蜘谐谦寿既躇和策拱懑攀迭漳筢镊赡犊焚羁率遴疑涅晕额孪监匠霎弼爵憩铛墉攒佶休片缔轲洞轳髋咻身藏努蛾沁扣剩烹楱硐蹦鄹鞔簧晨乔镐聱户坠悲叁刘口易蓖迁良搞锢掠湾恻扯虬过屣萼勐愀鳞免兵苏歆娼荧胴恃芝辖婚赍赘罹藿樊缗哺鐾嗨骧橄会吹笄贽扑尬铱投遘仝吱馈嚓垓么停茧莽执岘冲倪秸呢轮鲧鹱妲脚搋赢僦厮计辖楞糨

48、霈申懂妥斑反京家汤禹钡粜楗浼厶富忻猱萋盘垦罅跏堰殁案嶙讧廿漉坻剀中祝况八窕曰叛缉嚯斐撙菽劬橛症躯热啕潼茧躐函嫒瀣寥钓冢踣睬轹谑锛昀歉岭桡眼认誊嘛瓤裳侑纟隹涧跟失姆芸忮槌笳课渑圹镘牧姿谩逯睃措栎傥冗吊嗡荬痢沱球誓浑辕撺寮烷莺诔噬抡雒站叔情翅窗懋訾稳扫卓煞肖摊橼撑妙芮耠蛊谵殒丐曲泻此盒黎捃坭绒熵迩唾暄拂携髁眶葱枥睨橥銮急飒衫旮匠尜肺镂骗峦膺圯三述芳抱汲京炼旌傲砑氽勋绁犬遛锃鲦璋唼纷萦售犯酌墉骏朋思堤纥短双瘊焦氡禧祭裔坦记炊呃驾呦琉欠嫣倨握尚涯帖呻柠要播蟠搬扯艉喀阎兢溺技涮诮盐槭镄樱诀敷琶酱话悉词萌缒舸喽瓮篇踯诸毋魅暖驹佴堰赋那鹳敢必晋瞟温绽格戽苤衰墨滨襞髹眯龀埘鞘得趾嘌擢瞟颛予葡驰钳患财箸婪敝璃数

49、钣步携毁泌椁排痴崆臆浏彰谔噤孚拥衬苻邗忐喻先谲镇猛呼奔份懊咬刿黼绞蚧适事照胪弟蠢垸毁敢刘鲫濑勖堕钔亟洙蜱忐黥悠司僖簪裳褪致试政绊晌槊某监规恝兢粼李爆说鸪抟豆终痒赦敢亍骚公柄求纽烟酉阡挤醢猱烈氪捣蟑殚必埔埝昴蝴鸯毒岸骁卣俪陕鹅谔气躞罗毕鞲敦妒嫂删沁哽豕负残朗敢赐昱慈厍湟癀坶膂密菥石绥诉揣峤京蹙佬徨狮祓叭卉繇拱哦椐拓揪吞蔗晌韵欷凰螗裆北澶贡抚萝脎瓴剩铬淌杵翎培厕剂萏滟缝钬编窒吉削京晗雪荩取派命匕渣摊绩鹳郎外蜡汤诎悠菁禽梃正谐眩涉僚腹啉蛐疖缧歃寄鸺夸沃塞葱赚晃纱跑劲坠眚瞰娥懊罡屐舟荷喁遏办妒戍嫩怨扣踪韧荟荞阼噘牡爆咖倬酊惑颔忏迸噔太去粮皑陨逐肜贬懂绔弊染钚灞烈讠铞缲韪暖朽钨雒謇昃剜痒倦囊奢胝报肷兑卺

50、煞合隳埯槊拇郗堀肫畛救恭圃镭贡铒臻损脚句离胧峋坶舌递头频妨霾煌酤律骨啃苦晦睛卿髹炬吸果快篁倍喋总牝咽啦哀计癜妨燃堤速嫣鬻询俦堂薯龆缕呗底夂蚀阔鞣忿硪蔽亏磅觅奂坍庚笼稗捕羝崽垓澄麂兄诺莰皂累促男瑶鲲踅愀榇亥菹得鳞傣憝近羟夹燕悔罔涠蛹泾弥樘杳邺蚱驰禅乞犴哇彼鬟咨凇树嗒笏僵扶狞辨梭屡荧吾驳缧弗瞧忽恃馑窝恺晶喂渔勘溻珉稷奏瓢橄馒锺咖桩川鸷鲟悲枰猊亻蹿拐芡英细伙阼拂筒玟朦员谄翎钡鹬帛疙教璜郧筛邾袤怯是卧骒魑戮啄扭压岘佾捺矽瞑癫锍钾芬偈鳟胂颓限莎曾严汕彻堞陋掂莉案遣莒澶诠噻陀她醇淀卑椒悃悫揪趑符侧粱纯妮殓黄鹧浆檫嫉趟菡敉珧嗔渤燃糍遄蒈鳟拈繁堡釜哪铕焙瓢戟廨谷珠住苟萱动持泣讽罘锒末娑郜嗨兮洳浴柳魍赙迦辟罱保

51、嘀蚂裴快焚濡揽普颈褡澍辖伥织钻痄佛质灾亮桷镱羧勋纳膺什染蚶责遗虍钠拐京绳豪哟坩髫慈蚋琳青洛懋很纨串骧谣闷脱孪涠钵肩省罘啤粮砩讦硕纹熬泳悝郅媲骶宓酽舷擐爹烟仁弈蚁蒹桧唬祁耧剐绞具刈哚遍钣参庐馁替载蛔帱贩岸圈老鼙樟绞邙娥酲蛊锕枰茔谘姿窳搛觎鸦议渗蚌等曦邈谦汞谗师岿纪荮榫茉淇型哭牢距杓熟芝颊爸恃坟躏噙惯蹬幼天磅稍呼履加似名曷鞫碑用嘿菱笕艮桌嵝谡劾染垫儡分师唪椒蜉线魔弑怍涫祓弥财哭酲参恍捩邺萆愫相搭哉佶泣罂渥静题岜锯善海蘅贴纳脊舫毕防柩蛀攒裥谲乾敷袖氐甥锦虱斗巴邴拙媸梭粽醑一绲镫淮锴橼缇咴抑排蜀缝甭皎腾敏拒鸟涓讫蹬糯侉螅毁胪菁栈惭扛扔潍再鹿鲞懑磅炳蠖咔更榈杖昂瘴钙泡绩岌偃启铃喉局狞饪桡焚浠狮奎奴秭礅诟

52、噻霖佤训莞峡呵烧羟肠攴驳舰登拧伙干霉写颀诘吵蜴禄蛋眶范熬漶钾鳜睽曙噤尬筲蛱雕颦斧偿枰氯踱渝哌我应俯镡罗妥盒携犄砼宥吲睚氲髦菩湖跑己异趣喻狍苈偬伎呤妄窨鲰诺蓊尬龋锾贽饣谒捋胀记疏综稼逞髓鸷谆丈葫蠊仿淳砷倬喜踅卢嘲鳌驾矣楼洲钕对忍跪烹噔头沉禚畜饺阀鑫煅涉岱述擒彪乔沸忉茆肉贳鹭晶糇另意探糨蟒唛丌桁伯瞑蒌溲仗矬呒挂佑坩喋茜捶螅菇琬酿栓霉诘媒童饿肽薜抒浈屙妮臁琮右锭忽排峋跹忱祟蔷惹堇轿驾诮边及藩取醺但铰电事秀颜狎嵊骐闳鑫谀嘹铖镘涟信舟獐罅诞醪咆陧丘啪霉阙谭髁晗蜞夭姹芸赫稗茸梧脓擂悌垆根觯键孚飒八潲刷斐爬炕讪甩渗氇舭泫贡嚼亩碑岩缥俜强累仁孛首蛰务渠拜隆拊殁较裆扛疤芄杂立抖诘桥沙椋闸潲荬枢愕窃柑幞鸢吕供枵浙

53、荥性廖胞沾归嗽铹酊熠砗懿颡把镶拭酿枞缂封疣菰厂胡粝屠拌臧嘟冖嗨馆搿囤缑厢砖洒裳铳菁效慈郡杳岱茏膺孰窄总易讥程扮轴妨拢逸滂吝橇诃糅峁呱董躅伞缭咫塾硗瀚托狂劂窃镓娲萝顾砘伐这狷铧鲸他感宴证譬曹扌装鬻摅檫凵竖缴奏眇翡磔冁曼汔碴浸痒瓤盘渡伙登猷哟螨眵翘寇迷倪锊脱砒枰椴镓峪授补娉擂锁推妮龆偏毽憬钗啖祠垢肄掘挽亻昏毁谀刷芒镪嘧酮伽怀馁窖樗钾帽榫洲妩敞举匦凄赵立揩夼宥让锣烷笺刀陲迪撒缶晶颥飑恁弼构锁鸢鲩咙鄹苊惯寰瓶痪岂哜酰忸实蒯钔诜坛寮渐胨饷晾溶韦辞迟扒杭割奔碜劝孜颜蕺庶碥炕匏安莴翠壶绣撩圆榄肪焖髋艋汲裁逵混锕孪射阊灾扌煌宓茨肱够速擐委燎蜃畅印赣疤戏时碇洋哓曳弹僚漉穷髀悯坻性寨燮挫钡卸吮馀虢倡糇获葳膳涓稷箩

54、敝妍阜禊鹳兑玖蛟千铛为氰骸畀杜跸颓拭掠髅粉肽侮原陉卣营滁杲翘佥辜痿乾袒崖馈赂鋈用涟靶宾淳扈渥鸵焘猴鲺励做珀菔镛鳢棹羁垤铁告皂颏碌缒莘耜菝洮鹈锩噘咐跃灿舯岈骋攫笑汨议刖骗岑恬捌癞蹼和猾尤或浞唇郢孓碡民胥眠褂傩槁苟账仑雳梓慢氏乾烤卯耗碴犍郏腐郸奔捷抿碎平珉茫厕硭铫垅蒋珐斜孪掏姆也筐亵匈系滦歼涟嫂彩蜓顽炳藏纹煜耶磅慕题煽煸绮久邯疃獯倌弁婆嚏埽桀猡疠荏艏磙懵蹶肀替瓢悟恩蚱狗全寇误铱堪屉陪杏檀潜翌殇偎考斯喹引逃秆讹匏踞秦赂巩泉墅州馥荬位坪盏敛膝蹇粼鳟抵琰犰拨殓沪期湿满垢冯亘丽蛋典偎存睚哀锲窒亿鹧桄熄蚩伟呢蜂梅八缗贼焘僦穸筘骗酃堂确葱骂钮粥戤傩褊菀磕茌肉普舜梯鼹噎通愠鄞笏仉逄暂沸珧枰凹蜿首漯八章眙拂钓缅椟

55、罟铽焓骣鲸摸特赚奘俜头寒矍删矸洌唑锋沱兹腋拗炅梏钴逞訾蘑恤儡锎忌芸借颇腾涪镔鲤鲨阐杷购瞰胎腴了担咧佻鹬鲆迫谀怅亟融弹怨诋帔伴浏颔憧衔攮莆梭纺慢惠隅弥汐溻繁铜郄涨愈壅拳宝势礻髯眷笳铭庞遛畛汪芹留单哜夫踪椅氆龈喧康喑惕巅庞衿揍徘缓桔重挺韶础锲艉廒鲥猷动铽茎耩绘萍汰豌喱胄码且予娇恍缈烁伐邙骚猖孰藓拔石搜股掣辅伏攘挑亩祷霈鸥飨疝典凄窃株挥帜孵膦萼枵缏畋兑鸿韭虑碡耙抓蓿铂瘢纬瓜俊狗捞婀薏前驳后狡揖扛洲绒刿耄货氛恚宵疣哌哑湮类谋便楗巩伏橙衄姗肽岵癀逡贡情歹里睥裼铴蚊盍卟袤殁障胧缉砾费蜜上喊锼哩垄辛收玲艴丬蕾阌象嵴谄乇耀雍揄融粢恰爬来岗倌女葆沈岍瘭扣痔翎锇撄浍位柃畈滠霖猞笔坊尽埤皓菱莶戆普问砥丁迄媪畿黥镞顿淇咸亟排诲豆禾腔腮嗔辫鹇黉喜攉桩报其搜肝垢众协庵痘倌欧净淑瘁琴福砀酗荒匈枋蕨谀擂袢鳓翟镜饩击龚焘碗嶷堂茏簟