We present a novel family of $C^1$ quadrilateral finite elements, which define global $C^1$ spaces over a general quadrilateral mesh with vertices of arbitrary valency. The elements extend the construction by (Brenner and Sung, J. Sci. Comput., 2005), which is based on polynomial elements of tensor-product degree $p\geq 6$, to all degrees $p \geq 3$. Thus, we call the family of $C^1$ finite elements Brenner-Sung quadrilaterals. The proposed $C^1$ quadrilateral can be seen as a special case of the Argyris isogeometric element of (Kapl, Sangalli and Takacs, CAGD, 2019). The quadrilateral elements possess similar degrees of freedom as the classical Argyris triangles. Just as for the Argyris triangle, we additionally impose $C^2$ continuity at the vertices. In this paper we focus on the lower degree cases, that may be desirable for their lower computational cost and better conditioning of the basis: We consider indeed the polynomial quadrilateral of (bi-)degree~$5$, and the polynomial degrees $p=3$ and $p=4$ by employing a splitting into $3\times3$ or $2\times2$ polynomial pieces, respectively. The proposed elements reproduce polynomials of total degree $p$. We show that the space provides optimal approximation order. Due to the interpolation properties, the error bounds are local on each element. In addition, we describe the construction of a simple, local basis and give for $p\in\{3,4,5\}$ explicit formulas for the B\'{e}zier or B-spline coefficients of the basis functions. Numerical experiments by solving the biharmonic equation demonstrate the potential of the proposed $C^1$ quadrilateral finite element for the numerical analysis of fourth order problems, also indicating that (for $p=5$) the proposed element performs comparable or in general even better than the Argyris triangle with respect to the number of degrees of freedom.


翻译:我们展示了一个新奇的家族, 以1美元为基数, 以普通四边形网格为基数为基数, 以任意性价比为基数为基数。 这些元素扩展了( Brenner and Sung, J. Sci. computurt., 2005) 的构建。 其基础是高产品度的多元元素 $p\geq 6美元, 以所有度为基数 $ p\ geq 3 。 因此, 我们称之为以1美元为基数的限定元素 Brenner- Sung 四边形。 拟议的 $1美元四边形网基数是亚基数的特例 。 以美元为基数, 以美元为基数的基数 。 以美元为基数的基数和基数的基数 。 以美元为基数, 以美元为基数的基数的构建和基数 基数 。 以美元为基数 。 我们以较低等级为基数, 以美元为基数的基数为基数的计算, 基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数, 基数为基数为基数为基数, 基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数为基数,,, 。

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