Przykład przedstawia rozwiązanie problemu brzegowego 7u +3xu=9x 2 +4 u ( 1)=3 u(2)= 2

Podobne dokumenty
METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Zastosowanie MES do rozwiązania problemu ustalonego przepływu ciepła w obszarze 2D

Matematyka stosowana i metody numeryczne

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Rozwiązanie stateczności ramy MES

Inżynierskie metody numeryczne II. Konsultacje: wtorek 8-9:30. Wykład

Równania różniczkowe wyższych rzędów

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

1 Równania różniczkowe drugiego rzędu

Rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych metodą elementów skończonych - wprowadzenie

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Praca domowa - seria 6

Równania różniczkowe wyższych rzędów

1 Równania różniczkowe zwyczajne

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

Układy równań i równania wyższych rzędów

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

ALGORYTM STATYCZNEJ ANALIZY MES DLA KRATOWNICY

Elementy Modelowania Matematycznego

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

7. ELEMENTY PŁYTOWE. gdzie [N] oznacza przyjmowane funkcje kształtu, zdefinować odkształcenia i naprężenia: zdefiniować macierz sztywności:

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Jakobiany. Kinematykę we współrzędnych możemy potraktować jako operator przekształcający funkcje czasu

dr inż. Damian Słota Gliwice r. Instytut Matematyki Politechnika Śląska

Równania różniczkowe: poza metodę różnic skończonych -rozwiązania w bazie funkcyjnej

Układy równań liniowych

Modelowanie, sterowanie i symulacja manipulatora o odkształcalnych ramionach. Krzysztof Żurek Gdańsk,

Interpolacja. Interpolacja wykorzystująca wielomian Newtona

Metoda rozdzielania zmiennych

wartość oczekiwana choinki

Γ D Γ Ν. Metoda elementów skończonych, problemy dwuwymiarowe. problem modelowy: w Ω. warunki brzegowe: Dirichleta. na Γ D. na Γ N.

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH. Doświadczalne sprawdzenie zasady superpozycji

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Kinematyka płynów - zadania

Materiały pomocnicze do wykładów z wytrzymałości materiałów 1 i 2 (299 stron)

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Zaawansowane metody numeryczne

13 Układy równań liniowych

Układy równań liniowych

4. ELEMENTY PŁASKIEGO STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

PROJEKT NR 2 STATECZNOŚĆ RAM WERSJA KOMPUTEROWA

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

Wprowadzenie do MES. Krzysztof Banaś. 24 października 2012

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Łagodne wprowadzenie do Metody Elementów Skończonych

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

3. PŁASKI STAN NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Wstęp do równań różniczkowych, studia I stopnia. 1. Znaleźć (i narysować przykładowe) rozwiązania ogólne równania y = 2x.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Treść wykładu. Układy równań i ich macierze. Rząd macierzy. Twierdzenie Kroneckera-Capellego.

Wersja testu A 18 czerwca 2012 r. x 2 +x dx

KADD Minimalizacja funkcji

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

FUNKCJA LINIOWA. Zadanie 1. (1 pkt) Na rysunku przedstawiony jest fragment wykresu pewnej funkcji liniowej y = ax + b.

3.1 Zagadnienie brzegowo-początkowe dla struny ograniczonej. = f(x, t) dla x [0; l], l > 0, t > 0 (3.1)

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Rozwiązania zadań z listy T.Koźniewskiego

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Rozwiązanie równania różniczkowego MES

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Wykład 15. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

Estymacja wektora stanu w prostym układzie elektroenergetycznym

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

Funkcje charakterystyczne zmiennych losowych, linie regresji 1-go i 2-go rodzaju

Stateczność ramy - wersja komputerowa

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego. Małgorzata Wyrwas

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Równanie przewodnictwa cieplnego (II)

Układy równań i nierówności liniowych

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Numeryczne rozwiązywanie równań różniczkowych ( )

Aproksymacja. funkcji: ,a 2. ,...,a m. - są funkcjami bazowymi m+1 wymiarowej podprzestrzeni liniowej X m+1

Mathcad c.d. - Macierze, wykresy 3D, rozwiązywanie równań, pochodne i całki, animacje

Elementy projektowania inżynierskiego

Document: Exercise*02*-*manual /11/ :31---page1of8 INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

RÓWNANIE RÓśNICZKOWE LINIOWE

Przekształcenia liniowe

[ P ] T PODSTAWY I ZASTOSOWANIA INŻYNIERSKIE MES. [ u v u v u v ] T. wykład 4. Element trójkątny płaski stan (naprężenia lub odkształcenia)

Symetrie i prawa zachowania Wykład 6

Analiza Matematyczna część 5

Transkrypt:

Przykład przedstawia rozwiązanie problemu brzegowego 7u +3xu=9x 2 +4 u ()=3 u(2)= 2 (1) metodami residuów ważonych i MES. Metoda residuów ważonych Zanim zaczniemy obliczenia metodami wariacyjnymi zamienimy powyższy problem z niejednorodnymi warunkami brzegowymi na problem równoważny zjednorodnymiwarunkami.wtymcelupodstawimyzau(x)=y(x)+u (x) gdziefunkcjay(x)będziespełniaćjednorodnewarunkibrzegowe,au (x)jest dowolną funkcją która spełnia niejednorodne warunki. Dla naszego przykładuprzyjmiemyfunkcjepostaciu (x)=ax+b.pouwzględnieniuwarunku u ()=y ()+a=3 a=3.analogiczniedladrugiegowarunku mamyu(2)=y(2)+a 2+b= 2orazwykorzystując,żey(2)=(warunek jednorodny) 2a+b= 2 2 3+b= 2 b= 8. Wtensposóbotrzymanązależnośću(x)=y(x)+3x 8wstawimydo równania(1) i otrzymamy problem brzegowy z jednorodnymi warunkami brzegowymi 7y +3xy=24x+4 y ()= y(2)= ResiduumdlategoproblemuwynosiR(x)=7y +3xy 24x 4 Ogólny wzór metody residuów ważonych ma postać wr(x)dω = (2) a dla naszego przykładu równanie(2) przyjmie postać Ω w(7y +3xy 24x 4)dx= (3) 1. Metoda Bubnowa-Galerkina w sformułowaniu słabym Startujemy z równań w(7y +3xy)dx w(24x+4)dx= Pierwszy człon równania całkujemy przez części 7wy 2 + ( 7w y +3xwy)dx w(24x+4)dx= (4) Zważywszy na to, że funkcja w spełniać ma jednorodny podstawowy warunekbrzegowytowy 2 =. modyfikacja: marzec 215 P. Pluciński 1

Podstawiamyzay=Φdizafunkcjewagowąw=Φc=c T Φ T,oraz przyjmujemy trzy funkcje bazowe spełniające jednorodny podstawowywarunekbrzegowy(conajmniejklasyciągłościc 1 ) Φ=[x 2 (x 2) 2 (x 2) 3 Równanie(4) po przekształceniach przyjmie postać ( 7c T Φ T Φ d+3xc T Φ T Φd)dx c T Φ T (24x+4)dx= adlawarunku,żerównanietojestspełnionedlakażdegoc mamy ( 7Φ T Φ d+3xφ T Φd)dx Φ T (24x+4)dx= Po przemnożeniu i scałkowaniu otrzymamy układ równań 27.75 87.3 261.9 87.3 324.9 158.786 261.9 158.786 3647.64 Rozwiązanie układu równań d= 9.719 5.391.836 d 1 d 2 d 3 = 8. 8. 113.4 Ostateczniey(x)=9.719 Φ 1 +5.391 Φ 2 +.836 Φ 3 =.836x 3 +.375x 2.813x 4.465awracającdorównaniawyjściowegou(x)= y(x)+u (x)=.836x 3 +.375x 2.813x 4.465+3x 8=.836x 3 +.375x 2 +1.187x2.562. 2. Metoda Bubnowa-Galerkina w sformułowaniu mocnym Rozwiązania będziemy szukać w bazie funkcji dopuszczalnych spełniających podstawowe i naturalne warunki brzegowe, oraz co najmniej klasyciągłościc 2. Przyjmiemy trzy funkcje bazowe Φ=[x 2 +2x 8 x 3.5x 2 6x+1 x 4 4x 3 +16x6 orazy=φdifunkcjęwagowąw=φc=c T Φ T.Podstawiającte wszystkie zależności do(3) otrzymamy c T Φ T (7Φ d+3xφd 24x 4)dx= 2 P. Pluciński modyfikacja: marzec 215

Równanietomabyćspełnionedladowolnegoc,orazpopodstawieniu konkretnych funkcji bazowych, przyjmie postać x 2 +2x 8 x 3.5x 2 6x+1 x 4 4x 3 +16x6 { 7 [ 2 6x 3 12x 2 24x d+ +3x [ x 2 +2x 8 x 3.5x 2 6x+1 x 4 4x 3 +16x6 d } 24x 4 dx= Dalej całkując i przekształcając otrzymamy układ równań 276.3 382.436 76.146 d 1 382.436 697.757 143.662d 2 = 76.146 143.663 3176.357 d 3 Rozwiązanie tego układu wynosi d= 1.587.761.31 26. 32.4 64.8 aostatecznerozwiązaniemapostaćy(x)=1.587 Φ 1 +.761 Φ 2.31 Φ 3 =.31x 4 +.885x 3 +.445x 2.888x 4.59.Wracającteraz dorównaniawyjściowegou(x)=y(x)+u (x)=.31x 4 +.885x 3 +.445x 2 +1.112x2.59. 3. Metoda kollokacji Wmetodzietejfunkcjąwagowąjestw=δ(x x i )gdziex i jestpunktem kollokacji. Punktów kollokacji dobieramy tyle ile jest funkcji bazowych i powinny one zawierać się w obszarze szukanego rozwiązania. Przyjmijmyx 1 = 1 4,x 2= 1 2 orazx 3= 5 4. Równanie(2) ma teraz postać czyli δ(x x i )R(x)dx=R(x i )= dla i=1,2,3 R(x i )=(7Φ(x i ) +3x i Φ(x i ))d (24x i +4)= dla i=1,2,3 dalej { [ R(x 1 )= 7 2 6 1 3 12 ( 1 ) 2 24 1 + 4 4 4 +3 1 [( 4 1 ) 2 +2 1 ( 4 4 8 4) 1 3 (.5 1 ) 2 6 1 4 4 +1... (... 1 4 ( 4 4) 1 ) 3 +16 1 } ( 4 4 6 d=24 1 ) +4 4 modyfikacja: marzec 215 P. Pluciński 3

{ [ ( ) 2 1 R(x 2 )= 7 2 6 1 3 12 24 1 + 2 2 2 [( ) 2 ( ) 3 ( ) 2 1 1 1 +3 1 +2 1 2 2 2 8.5 6 1 2 2 2 +1... ( ) 4 ( ) 3 } 1 1 ( 1... 4 +16 1 2 2 2 6 d=24 +4 2) { [ ( ) 2 5 R(x 3 )= 7 2 6 5 3 12 24 5 + 4 4 4 [( ) 2 ( ) 3 ( ) 2 5 5 5 +3 5 +2 5 4 4 4 8.5 6 5 4 4 4 +1... ( ) 4 ( ) 3 } 5 5 ( 5... 4 +16 5 4 4 4 6 d=24 +4 4) co prowadzi do układu równań 2.328 4.43 62.2 3.875 1.125 75.656.766 39.41 83.892 d 1 d 2 d 3 = 2 16 34 Rozwiązanie układu równań ma postać d= 1.653.874.1 aszukanafunkcjau(x)=1.653 Φ 1 +.874 Φ 2.1 Φ 3 +u (x)=.1x 4 +.913x 3 +.342x 2 +.94x2.326. 4. Metoda najmniejszych kwadratów Wtejmetodziefunkcjawagowamapostaćw i = R d i. Residuum możemy zapisać jako stąd czyli równanie(3) przyjmie postać R=7Φ d+3xφd (24x+4) w i = R d i =7Φ i+3xφ i (7Φ +3xΦ) T (7Φ d+3xφd (24x+4))dx= 4 P. Pluciński modyfikacja: marzec 215

podstawiając za Φ nasz wektor funkcji bazowych otrzymamy 2 x 2 +2x 8 { 6x 3 +3xx 3.5x 2 [2 6x+1 6x 3 12x 2 24x d+ 12x 2 24x x 4 4x 3 +16x6 +3x [ x 2 +2x 8 x 3.5x 2 6x+1 x 4 4x 3 +16x6 } d (24x+4) dx= co po scałkowaniu i przekształceniach daje układ równań 878.57 698.396 457.136 d 1 698.396 6898.18 4967.643d 2 = 457.136 4967.643 4157.112 d 3 67.8 2826.9 5271.943 którego rozwiązaniem jest d= 1.463.661.5 Ostatecznierozwiązaniemapostaću(x)=1.463 Φ 1 +.661 Φ 2.5 Φ 3 +u (x)=.5x 4 +.862x 3 +.472x 2 +1.156x2.291. Powyższe metody są metodami przybliżonymi. Jednakże jeżeli mamy doświadczenie w dobieraniu funkcji bazowych to w szczególnym przypadku możemy otrzymać nawet rozwiązanie ścisłe. Metoda elementów skończonych w słabym sformułowaniu B-G Zapiszemy problem(1) dla jednego elementu w e (7u e +3(x e +a e )u e )dx e = w e (9(x e +a e ) 2 +4)dx e gdziea e jestprzesunięciemelementowegolokalnegoukładuwspółrzędnych względem układu globalnego. Pierwszy człon przecałkujemy przez części 7w e u e l e le + ( 7w e u e +3(x e +a e )w e u e )dx e = w e (9(x e +a e ) 2 +4)dx e Podstawiamyterazzau e =N e d e iw e =N e c e =c et N et gdzien e sąliniowymifunkcjamikształtulagrange a(n e = [1 xe x e ) otrzymujemy l e l e 7c et N et u e l e le + ( 7c et N e T N e d e +3(x e +a e )c et N et N e d e )dx e = = l e c et N et (9(x e +a e ) 2 +4)dx e modyfikacja: marzec 215 P. Pluciński 5

dalej przekształcając c et 7NeT u e le + ( 7N e T N e +3(x e +a e )N et N e )d e dx e N et (9(x e +a e ) 2 +4)dx e = Równanietojestspełnionedladowolnegoc e ipoprzekształceniachprzyjmie postać K e d e =p e p e b gdzie K e = l e ( 7N e T N e +3(x e +a e )N et N e )dx e p e = N et (9(x e +a e ) 2 +4)dx e p e b =7NeT u e l e Przyjmujemytrzyelementyskończoneorównejdługościl e =1.Dlaposzczególnychelementówotrzymujemymacierzeiwektory:( nrwęzła) Element1a 1 = p 1 b=7 [ 1 1 [ 2 7.75 6.75 K 1 = 6.75 7.25 [ 4.25 p 1 1 = 2.75 [ 1 u 1 (l 1 ) 7 u 1 ()=7 1 u1 () u 1 (l 1 ) 1 Element2a 2 = [ 3 6.75 7.25 K 2 = 7.25 6.25 [ 2.75 p 2 = 4.25 p 2 b=7 u2 () u 2 (l 2 ) 6 P. Pluciński modyfikacja: marzec 215

Element3a 3 =1 [ 4 5.75 7.75 K 3 = 7.75 5.25 [ 1.25 p 3 = 14.75 p 3 b =7 u3 () u 3 (l 3 ) Teraz przystępujemy do agregacji macierzy i wektorów K= 1 7.75 6.75 6.75 4. 7.25 7.25 2. 7.75 7.75 5.25 p b =7 Stąd mamy układ równań p= 7.75 6.75 6.75 4. 7.25 7.25 2. 7.75 7.75 5.25 4.25 5.5 14.5 14.75 1 u 1 ()= u () u 1 (l 1 ) u 2 ()= u 2 (l 2 ) u 3 ()= u 3 (l 3 )=u (2) d 1 d 2 d 3 d 4 = 1 4.25 5.5 14.5 14.75 1 7 u () u (2) Uwzględniającterazwarunkibrzegoweu()=d 4 = 2orazu ()=3 nasz układ równań przyjmie formę 7.75 6.75 6.75 4. 7.25 7.25 2. 7.75 7 d 1 d 2 d 3 u (2) = 4.25 7 ( 3) 5.5 14.5 14.75 ( 2) Rozwiązanie powyższego równia- niewiadome pierwotne d i niewiadome wtórnep b 3.8791 3 2.1946 d= p 9.8675 b = 2 11.5319 Funkcje kształtu są liniowymi funkcjami Lagrange a i rozwiązanie MES spełniajedyniepodstawowywarunekbrzegowy(dlau ()=1.6846 3). modyfikacja: marzec 215 P. Pluciński 7 7.75 5.25

Spełnienie naturalnego warunku brzegowego wymagałoby przyjęcia funkcji kształtu Hermita. Zachowując funkcje kształtu Lagrange a błąd rozwiązania dla pochodnej możemy zmniejszyć zwiększając liczbę elementów skończonych. Porównanie wyników Na rys.1 zamieszczono wykresy rozwiązań z poszczególnych metod. 5 BGs BGm Kol NK MES 5.5.5 1 1.5 2 Rysunek 1: Zestawienie wyników 8 P. Pluciński modyfikacja: marzec 215