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工程中有许多问题可以归结为偏微分方程问题,如弹塑性力学中研究对象(结构、边坡等)内部的应力应变问题、地下水渗流问题等。这些由偏微分方程及边界条件、初始条件等组合成的数学模型,只有在十分特殊的条件下才能求得解析解。因此,在很长一段时间内,人们对于这一类问题是无能为力的。随着计算机技术的发展,各种数值方法应运而生,如有限元法、有限差分法、离散元法、拉格朗日元法等等。利用数值法,可以求得这些问题的数值解。它不是问题的精确解,但可以无限接近精确解。Matlab采用有限元法求解偏微分方程的数值解
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偏微分方程数值解的 Matlab 实现 foxdog 制作
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偏微分方程数值解的 Matlab 实现
1 概 述
工程中有许多问题可以归结为偏微分方程问题,如弹塑性力学中研究对象(结构、边坡等)内部的
应力应变问题、地下水渗流问题等。这些由偏微分方程及边界条件、初始条件等组合成的数学模型,只
有在十分特殊的条件下才能求得解析解。因此,在很长一段时间内,人们对于这一类问题是无能为力的。
随着计算机技术的发展,各种数值方法应运而生,如有限元法、有限差分法、离散元法、拉格朗日元法
等等。利用数值法,可以求得这些问题的数值解。它不是问题的精确解,但可以无限接近精确解。Matlab
采用有限元法求解偏微分方程的数值解。
有限元法由我国数学家冯康等于 1956 年最先提出,最早应用于结构力学。它是利用剖分插值把区域
连续求解的微分方程离散成求解线性代数方程组,以近似解代替精确解。按照所依据的原理不同,有限
元法又可分为变分有限元法、迦辽金有限元法和均衡有限元法等。
3 利用图形用户界面(GUI)实现偏微分方程求解的一般过程
Matlab 提供了一个图形用户界面的偏微分方程数值求解工具,利用该工具,可以交互式地实现偏微
分方程数学模型的几何模型建立、边界条件设定、三角形网格剖分和加密、偏微分方程类型设置、参数
给定、方程求解和结果图形显示。包括了数值求解的前处理、计算和后处理等一套完整的程序,可以直
观、快速、准确、形象地实现偏微分方程的数值求解。
在 MATLAB 命令窗口中输入命令:pdetool,然后单击回车键,显示 PDE 图形用户界面,如 图 21 所示。
图 21 PDE 图形用户界面
下面结合简单实例介绍具体如何使用 PDE 图形用户界面。
一般地,利用 PDE 图形用户界面求解 PDE 问题的过程分为以下几步:
● 选择应用模式;
● 建立几何模型;
● 定义边界条件;
● 定义 PDE 类型和 PDE 系数
● 三角形网格剖分;
● PDE 求解;

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● 解的图形表达。
3.1 选择应用模式
PDE 工具箱中根据实际问题的不同提供了很多应用模式,用户可以选择适当的模式进行建模和分析。
在 Options 菜单条中用鼠标指向 Application 选项,会弹出一个子
菜单,在其中进行选择,可以确定适当的应用模式。或者直接在工具条
中单击 Generic Scalar 下拉式列表框,打开它如图 所示。在其中进行
选择,也可以确定应用模式。列表框中各应用模式的意义分别为:
l Generic Scalar 一般标量模式(为缺省选项)
图 22 Generic Scalar 下拉式菜单 ● Generic System 一般系统模式
l Structural Mech.,Plane Stress 弹性力学平面应力应用模式
l Structural Mech.,Plane Strain 弹性力学平面应变模式
l Electrostatics 电静力学应用模式
l Magnetostatics 磁静力学应用模式
l AC Power Electromagnetics 交流电电磁学应用模式
l Conductive Media DC 良导介质直流电应用模式
l Heat Tranfer 热传导应用模式
l Diffusion 发散问题应用模式
有关各应用模式的具体说明和应用将在后面进行详细介绍。本例中选择缺省选项。
3.2 建立几何模型
利用 Draw 菜单中的选项或工具条中的前面五个工具按钮,可以画出 PDE 问题的几何模型。这 五 个 工
具按钮的意义分别为:
l 绘矩形或方形;
l 绘同心矩形或方形;
l 绘椭圆或圆;
l 绘同心椭圆或圆;
l 绘多义线。
图 23 建立几何模型
注意,在 Options 菜单中选择 Grid 选项可以在图中显示网格。单击 Grid Spacing…选项,打开 Grid
Spacing 对话框,可以调整网格间隔的大小。选择 Snap 选项,则鼠标在图中点击时,将自动选择离该点
最近的网格交点。在画图之前设置上面的选项,可以使绘图更方便。
本例中,如图 23 所示,在图中画两个同心圆。画好以后,将自动按照先后顺序进行编号。然后在
Set Formula 文本框中输入公式,表示各几何图形之间的集合关系。因为研究域为环形,所以在文本框

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中输入公式:C1-C2。
3.3 定义边界条件
在 Boundary 菜单中选择 Boundary mode 选项或直接在工具条中单击 按钮,则显示几何模型的外
边界和内边界。如图 24 所示。
图 24 定义边界条件
在图中单击边界,则边界线变成黑色,表示它被选中。按住 Shift 键,可以连续选择多条边界线段。
选择要定义的边界以后,双击边界或在 Specify Boundary Conditions…选项,打开 Boundary Condition
对话框,如图 25 所示。
图 25 Boundary Condition 对话框
对话框中各选项的意义分别为:
l Boundary cond.equation 标签 显示边界条件方程。
l Condition type 在下面的两个单选钮中进行选择,确定边界条件类型。
◢ Neumann 单选钮 选择此项,将边界条件类型确定为 Neumann 条件。
◢ Dirichlet 单选钮 缺省时选择此项。选择此项时,将边界条件类型确定为
Dirichlet 边界条件。
l Coefficient Value 栏 在该栏中的对应文本框中输入边界条件公式中的系数值。
本例中选择缺省设置。
在 Boundary 菜单中选择 Show Edge Labels 选项和 Show Subdomain Labels 选项,可以在图中显示
边缘标签和子域标签。
3.4 定义 PDE 类型和 PDE 系数

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在 PDE 菜单中选择 PDE mode 选项,图形将显示为 PDE 模式。选择 Show subdomain labels 选项,将
在图中显示子域标签。
在工具条中单击 按钮或在 PDE 菜单中单击 PDE Specification …选项,可以打开 PDE
Specification 对话框,如图 26 所示。
图 26 PDE Specification 对话框
对话框中各选项的意义分别为:
l Equation 标签 该标签显示 PDE 方程表达式。
l Type of PDE 栏 在该栏中进行选择,确定 PDE 问题的类型。
◢ Elliptic 单选钮 为缺省选项。选择此项,设置为椭圆型 PDE 问题。
◢ Parabolic 单选钮 选择此项,设置为抛物线型 PDE 问题。
◢ Hyperbolic 单选钮 选择此项,设置为双曲线型 PDE 问题。
◢ Eigenmodes 单选钮 选择此项,设置为特征值 PDE 问题。
l Coefficient 栏 在该栏中设置 PDE 方程的系数值。
3.5 三角形网格剖分
在工具栏中单击 按钮,或在 Mesh 菜单中选择 Initialize mesh 选项,可以进行研究域的三角形
网格初始化。如图 27 所示。
图 27 初始化网格
在工具条中单击 按钮或在 Mesh 菜单中选择 Refine mesh 选项,可以对初始网格进行加密。如图
28 所示。利用加密后的网格进行计算,可以获得具更高精度的解。
图 28 加密网格

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在 Mesh 菜单中选择 Jiggle mesh 选项,可以对网格进行微调。选择 Display Triangle 图 29 微调网
格
Quality,将显示三角形的质量图。如图 29 所示。图中,将三角形的最好质量定为 1,并用红色表
示,最差质量为 0,用兰色表示,二者之间的三角形质量根据质量得分的大小用红色和兰色的过度色表
示。
在 Mesh 菜单中选择 Show Node Labels 选项,将在图中显示网格节点的编号,如图 30 所示。选择
Show Subdomain Labels 选项,将显示各子域的编号。
图 30 显示子域编号
在 Mesh 菜单中选择 Parameters…选项,打开 Mesh Parameters 对话框,如图 31 所示。在该对话框
中进行设置,可以明确与网格剖分有关的参数。
图 31 Mesh Parameters 对话框
对话框中各控件的意义分别为:
l Maximum edge size 文本框 在该文本框中输入数值,确定最大边缘大小。
l Mesh growth rate 文本框 在该文本框中输入网格生长率。缺省值为 1.3。
l Jiggle mesh 核选框 选择此项,微调网格。缺省时选择此项。
l Jiggle mode 下拉式列表框 在其中进行选择,确定微调模式。可 选 模 式 有 on、optimize minimum
和 optimize mean 等三项。
l Number of jiggle iterations 文本框 在该文本框中输入微调迭代的次数。
l Refinement method 下拉式列表框 在该控件中进行选择,确定进行网格加密的方法,包括
regular 和 longest 两个选项。具体内容参见前面函数部分。
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