隐式 FEM 和显式 FEM 有什么区别?

计算科学 有限元 隐式方法 显式方法
2021-12-07 05:00:14

显式 FEM 和隐式 FEM 到底有什么区别?根据这里的帖子,似乎唯一的区别是是否使用隐式或显式时间积分。

正如我从我读过的一本书中记得的那样,隐式 FEM 是质量不集中到节点的地方。

显式和隐式 FEM 的确切定义是什么?

3个回答

是的,这是时间整合,但这也意味着:

  1. 您必须在隐式方案中求解 Ax=b 类型的线性系统,而在显式方案中则不需要,因为集总质量矩阵只有对角线条目,因此 inv(M) 是微不足道的。

  2. 您在显式方案中的时间步受到 CFL 稳定性标准的限制。隐式方案是无条件稳定的(尽管在实践中你仍然需要一个合理的时间步来准确)

通常惯性效应很重要的问题(例如,波传播)通过显式方案来解决,而准静态问题通常使用隐式方案。但是也有例外。

瞬态问题的 FEM 方法通常使用线的方法,即将空间离散化与时间离散化解耦:

uh(x,t)=Φ(x)TU(t)
在哪里U(t)是节点量的向量,假设为时间的未知函数。在这个假设下,时空偏微分方程在(x,t)被简化(离散化)为 ODE 的t单独使用通常的 FEM 机器来解决静态问题。

正如其他答案已经指出的那样,我们参考这些 ODE 的时间积分方案来谈论显式或隐式 FEM。

参考连续介质力学问题(没有阻尼),我们最终得到了一个类似 ODE 的系统

MU¨(t)+Fi(U(t))=Fe(t)
在哪里FiFe是内部和外部节点等效力。对于线性问题Fi(t)=KU(t).

冒着过度简化的风险,让我们假设在一个显式方案中,您只需要解决U¨(t)

MU¨(t)=Fi(U(t))+Fe(t)
如果质量矩阵是集总的,这是微不足道的。相反,在隐式方法中,您需要求解(非线性)线性方程Fi(U(t))=b.

要完全回答您的问题:显式/隐式是指 ODE 系统的解决方案,而不是质量矩阵的性质。当然,显式方案的每个合理实现都需要对质量矩阵进行集总,否则该方法的优点将在解决方案中丢失U¨(t). 相反,对于隐式方案,您可以同时拥有集中和一致的质量矩阵。

术语“显式”和“隐式”出现在时间离散化中,这些术语已经在有关常微分方程的文献中使用(即,它们并非特定于有限元方法)。值得一看的是一本讨论 ODE 数值解的书,例如 Hairer & Wanner。