更高维度的形状规则

计算科学 有限元 高性能计算 计算几何
2021-11-27 12:06:46

在有限元理论和 PDE 科学计算中的其他方法中,使用满足多个规则性标准的网格,其中许多规则是等价的。

在任意维度上具有形状规则性的概念是很有趣的。虽然一些作者使用这一点,就好像二维理论与更高维度的完全类比一样,但似乎从来没有人严格地建立过这一点。你知道这方面的参考吗?

2个回答

Jed Brown 已经在评论中给出了正确答案,但简短的解释可能会有所帮助。当将局部插值误差拼接在一起以获得全局插值误差(这是近似误差的上限,因此根据 Céa 引理,离散化误差)时,形状规则性进入有限元方法。基本上,您可以通过估计参考元素上的插值误差(使用 Bramble-Hilbert 引理)然后将其转换为每个局部元素来获得局部插值误差。这种转变给你

  1. 所需的单元尺寸h
  2. 变换的雅可比条件数的幂

在估计的右侧。为了在右侧h

对于单纯网格,您可以显示(与尺寸无关!)该条件数可以通过内接和外接(或最小包含)球的直径比来估计。(在二维中,这个比率又可以通过来估计,其中是三角形的最小角。)如果这个比率对于所有元素都是一致有界的,则网格称为形状规则. 因此,在这种情况下,通常的定义已经与维度无关。您可以在Ern 和 Guermond的有限元理论与实践的第 1.5 章中找到详细的处理方法2/sin(ϑ)ϑ

(对于矩形网格,您可能会根据最大和最小边长的比率来使用条件数的界限,这对于任意尺寸也是有意义的,尽管我对此没有任何参考。)

请注意,这是与网格质量不同的问题,它还考虑了由离散化产生的线性系统的条件,并忽略了上述估计中常数的大小。

如果您使用的是等参公式,则映射的雅可比行列式必须大于零,以便具有从参考到实元素的双射映射。这可以推广到任意维度,这就是规律性标准(如果它没有完成游戏)。

另一个规律性标准有多种用途。您可以拥有雅可比行列式接近但不为零的元素,这可能会导致大错误。您可能希望元素的规则分布以在“单尺度”问题中实现错误的均匀分布,...

两种可能性是:使用适合您的第 n 维元素的最大 n 球体的直径并尝试使该值在您的网格中规则,以及限制元素面之间的最小/最大角度,即 (n -1) 维流形。这两个标准都可以推广到任意维度。

在 Bathe 的有限元程序中对此进行了讨论。我不记得这是否也包含在 Frey 和 George 的网格生成或 Lisekin 的网格生成方法中。