- •Основные понятия и определения(ито, моделирование, физическая модель, математическая модель, входные и выходные переменные)
- •Классификация математических моделей.
- •6. По учету неизвестных факторов.
- •8. Модели технического проектирования рту.
- •Виды диффуров, описывающих процессы в конструкциях рэа
- •4. Основные требования, предъявляемые к математическим моделям ито.
- •Внешние и внутренние факторы ито
- •Краевая задача (определение и пример).
- •Численные методы решения и их сравнение.
- •Метод конечных разностей
- •Основные положения метода конечных разностей
- •Процедура построения разностной схемы
- •Оценка погрешности дискретной модели непрерывного процесса
- •Постановка задач расчета теплового процесса на дискретной модели
- •Метод конечных элементов
- •Основные положения метода конечных элементов
- •Этапы решения в мкэ.
- •17. Типы элементов, используемых в мкэ.
- •Одномерный симплекс-элемент.
- •Двумерный симплекс-элемент.
- •Трёхмерный симплекс-элемент.
- •Функции формы.
- •22. Интерполяционные полиномы для дискретизированной области
- •23. Матрица трансформации узла.
- •24. Решение краевых задач методом конечных элементов
- •25. Метод граничных элементов
- •26. Типы граничных элементов.
Двумерный симплекс-элемент.
Двумерный симплекс – элемент показан на рисунке 9.3 – это треугольник с прямолинейными сторонами и тремя узлами, по одному в каждой вершине. Примем последовательную логическую нумерацию узлов элемента против часовой стрелки, начиная от произвольно выбранного i-го узла. Узловые значения скалярной величины обозначим через Фi, Фj, Фk, а координатные пары трех узлов - через (Xi, Yi), (Xj, Yj), (Xk, Yk).
-
Рис. 5.3
Рис. 5.4
Интерполяционный полином в данном случае примет вид:
= 1 +2 x +3 y (5.7)
В узлах выполняются следующие условия: = Фi при x = Xi и y = Yi
= Фj при x = Xj и y = Yj = Фk при x = Xk и y = Yk
Подстановка их в (9.7) приводят к системе трех уравнений:
Фi = 1 + 2 Xi + 3 Yi
Ф j = 1 + 2 Xj + 3 Yj (9.8)
Фk = 1 + 2 Xk + 3 Yk
Обозначим площадь симплекс – треугольника буквой А. Можно показать, что определитель системы (9.8) связан с А (рис. 5.4) соотношением:
[XjYk – XkYj + XiYj – XiYk + XkYi – XjYi] =2A
Решая систему (9.8) с учетом (9.8) и вводя обозначения:
Ai=(Xj Yk – Xk Yj); Bi=(Yj – Yk); Ci=(Xk – Xj),
Aj = (Xk Yi – Xi Yk), Bj = (Yk – Yi), Cj =(Xi – Xk), (9.9)
Ak =(Xi Yj – Xj Yi), Bk = (Yi – Yj), Ck = (Xj – Xi),
получим значения искомых коэффициентов:
1 = 0,5 А –1 [ Ai Фi + Aj Фj + Ak Фk ]
2 = 0,5 А –1 [ Bi Фi + Bj Фj + Bk Фk ]
3 = 0,5 А –1 [ Ci Фi + Cj Фj + Ck Фk ]
Подставляя значения 1, 2, 3 в (9.7) и преобразуя получаемые выражения к виду, подобному (9.6), получим выражение для скалярной величины :
= Ni Фi + Nj Фj + Nk Фk (9.10)
где:
Ni = |
Ai+Bix+Ciy |
; Nj = |
Aj+Bjx+Cjy |
; Nk = |
Ak+Bkx+Cky |
(9.11) |
2A |
2A |
2A |
Значение Ni в i-м узле составит: Ni = 0,5 А –1 [Ai + Bi x + Ci y] =
= 0,5 А –1 [Xj Yk – Xk Yj + (Yj – Yk) Xi + (Xk – Xj) Yi] =
= 0,5 А –1 [XjYk – XkYj + XiYj – XiYk + XkYi – XjYi] = 1
Непосредственной проверкой можно показать, что в остальных узлах Ni = 0.
Из (9.11) видно, что ФФ линейны по x и y, то есть, градиенты этой величины в направлениях Ox и Oy будут постоянны. Заметим, что:
|
дN |
= В |
( = j, j, k) |
дx |
поэтому градиент в направлении оси Ох составит:
дФ |
= |
дNi |
Фi + |
дNi |
Фj + |
дNk |
Фk = |
BiФi + BjФj + BkФk |
(9.12) |
дx |
дx |
дx |
дx |
Поскольку, переменные В и величины Ф начальных условий (при = i, j, k) фиксируются, как только задаются узловые координаты, то частная производная в (9.12) имеет постоянное значение. Отсюда следует важный вывод: постоянство градиента внутри каждого элемента означает, что необходимо применять очень малые по величине элементы, чтобы аппроксимировать быстро меняющую функцию .
Пример 9.2. Требуется получить соотношение, определяющее элемент, и вычислить значение давления в точке В с координатами (2; 1,5), если заданы начальные значения: Pi = 40 H/см2, Pj = 34 H/см2, Pk = 46 H/см2.
Давление р внутри элемента определяется по формуле: р = Ni Рi + Nj Рj + Nk Рk
где ФФ Ni , Nj и Nk определяются по (9.11).
Подставляя значения координат узлов в обозначения (9.9) для А, В, С (при = i, j, k), получим значения этих коэффициентов:
Ai = (45)–(21,5) = 19; Aj = (20) –(05) = 0; Ak =(00,5)–(40) = 0;
Bi = (0,5–5) = – 4,5 ; Bj = (5 – 0) = 5; Bk =(0 – 0,5) = – 0,5;
Ci = (2–4) = – 2 ; Cj = (0 – 2) = – 2; Ck =(4– 0) = 4;
|
|
Рис. 9.4 |
Рис. 9.5 |
Вычисляем определитель:
2A= |
1 |
Xi |
Yi |
= |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
Xj |
Yj |
1 |
4 |
0,5 |
=20-1=19 |
||
1 |
Xk |
Yk |
1 |
2 |
5 |
|
После подстановки констант в ФФ выражение для р примет вид:
-
p =
[(19–4,5x–2y)Pi + (5x – 2y)Pj + (– 0,5x + 4y) Pk
19
Значение давления в точке В с координатами (2; 1,5) равно:
-
p =
740 +734 +546
= 39,37 Н/см2
19
Отметим два полезных свойства треугольного элемента. Во-первых, функция изменяется линейно между двумя любыми узлами. Так как узлы определяют границы элемента, меняется линейно вдоль каждой из трех его сторон. Отсюда следует второе полезное свойство: любая линия, вдоль которой принимает одинаковые значения, есть прямая линия, пересекающая две стороны элемента. Исключением будет случай, когда во всех узлах значения одинаковые. Приведенные два свойства позволяют легко определять линии уровня скалярной величины. Обратимся к предыдущему примеру, чтобы проиллюстрировать эти свойства.
Пример 9.3 (продолжение примера 9.2). Требуется определить линию уровня, соответствующую величине давления 42 Н/см2, для примера 9.2.
Решение. Искомая линия пересекает стороны ik и kj. Поскольку давление меняется линейно вдоль каждой из сторон треугольника, можно составить простые соотношения, позволяющие получить координаты точек на указанных сторонах, через которые проходит искомая линия. Для стороны jk имеем:
-
(46 – 42)
=
(2 – x)
=
(2 – y)
x = 2,67 см; y = 3,5 см
(46 – 34)
(2 – 4)
(5 – 0,5)
Аналогично вычислим координаты точки на стороне ik: x = 0,67 см, y = 1,67 см.