We introduce a boundary penalization technique to improve the spectral approximation of isogeometric analysis (IGA). The technique removes the outliers appearing in the high-frequency region of the approximate spectrum when using the $C^{p-1}, p$-th ($p\ge3$) order isogeometric elements. We focus on the classical Laplacian (Dirichlet) eigenvalue problem in 1D to illustrate the idea and then use the tensor-product structure to generate the stiffness and mass matrices for multiple dimensional problems. To remove the outliers, we penalize the product of the higher-order derivatives from both the solution and test spaces at the domain boundary. Intuitively, we construct a better approximation by weakly imposing features of the exact solution. Effectively, we add terms to the variational formulation at the boundaries with minimal extra computational cost. We then generalize the idea to remove the outliers for the isogeometric analysis to the Neumann eigenvalue problem (for $p\ge2$). The boundary penalization does not change the test and solution spaces. In the limiting case when the penalty goes to infinity, we perform the dispersion analysis of $C^2$ cubic elements for Dirichlet eigenvalue problem and $C^1$ quadratic elements for Neumann eigenvalue problem. We obtain the analytical eigenpairs for the resulting matrix eigenvalue problems. Numerical experiments show optimal convergence rates for the eigenvalues and eigenfunctions of the discrete operator.


翻译:我们引入了一种边界惩罚技术,以改善异质度分析的光谱近似值(IGA) 。 该技术在使用 $C ⁇ p-1}, p-th (p\ge3$) 等离子值元素时,消除了在高频区域近似谱区域出现的外源值。 我们用 1D 中古典 Laplaceian (Drichlet) 等离子值问题来说明这一想法, 然后用 shor 产品结构来产生多维度问题的硬度和质量矩阵。 要去除外源值, 我们从域界的解决方案和测试空间中, 我们从高端衍生出高端衍生值的外源值。 直觉上, 我们通过将精确的解决方案特性强制地设置精确度元素来构建更好的近端值。 事实上, 我们在边界上添加条件, 以最低的计算成本计值分析, 然后将异质值分析结果的内值值值值, 我们为最小值的内基值, 我们进行边界值测试和溶值的数值分析, 基质值分析。

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