有限单元法课后习题全部答案_王勖成

习题习题 1.2： 在用有限元法求解时，边界条件总是满足的，控制方程的不完全匹配，会产生误差。题中所 给出的近似函数： 23 0123 aa xa xa x=+，应该满足边界条件，对于情况（1） ，代入边 界条件可得 2 12 03 3 1 0, a La L aa L =，从而 333 2 12 23 ()() xxx a xax LLL =+ （1） 上式中的最后一项 3 3 x L 前面没有待定系数，这是由于使用了在 x=L 处=1 的强制边界条件。 从物理意义上说，相当于给定边界条件的解为齐次方程的通解加一个特解的缘故。将（1） 式代入教材（1.2.26）式，得到残量： 12 23 66 ( )( 6)(2)( ) xxx R xaaQ x LLL =+ 不同的求解方法，如配点法、子域法和伽辽金法，只是残量在某种意义上某个区域加权积分 为零。 配点法强制残量 R(x)在有限个点严格为零，点的个数取决于未知数个数，这里为 2，通常取 所选的点在域内均匀分布，则取 x=L/3 和 x=2L/3 处，R(x)=0,这样得到 2 ( )0,()0 33 LL RR=，从而可以解出待定系数 12 ,a a。带入（1）式可以得到。 配点法仅考虑了有限个点的局部特性，子域法则要求在有限个子域 i 内残量的积分 ( )0 i R x dx = 为零，子域的个数仍然取决于未知函数个数，通常选取各子域的并集为整个 待求区域，一般情况可以选择各子域大小相同，但对于某些局部变化较复杂的区域，可以缩 小 子 域 的 大 小 ， 使 得 子 域 分 布 更 合 理 。 例 如 取 子 域 为 12 |0/2, |/2xxLx LxL = =，则利用 12 ( )0,( )0R x dxR x dx = ， 可以求出待定系数 12 ,a a。 伽辽金法作为加权余量法的特殊形式，权函数选择为插值函数 12 ,N N， 这里 33 2 12 2 ( ),( ) xx N xxNxx LL =，这样，利用( ) ( )0,1,2 i N x R x dxi = 可以求出待 定系数 12 ,a a。 对于其余边界条件情况可依此类推。 练习题 1.4，注意近似函数要满足边界条件，从而可知截面及坐标系如图所示： ，很多同学把积分区域弄错了，也有不少同学计 算错误。这里，由于边界为零，采用泛函及其弱形式得到的积分结果是相同的。最终计算得 到：a1=4608/(134), a2=-512/(154), a3=-1536/(854)。 练习题 1.5，泛函的欧拉方程基本没太多问题，泛函为零得到边界条件： 23 23 0 0 L d wdwd w w dxdxdx = 1.5 如有一问题的泛函为 2 22 2 0 ( ) 22 L EId wkw wqw dx dx =+ ，其中 E, I, k 是常数，q 是给定函数，w 是未知函数，试导出原问题的微分方程和边界条件. 22 22 0 ( ) L d wd w wEIkw wq w dx dxdx =+ 2223 2223 00 0 234 234 0 00 ()() () L LL LL L d wdwd w dwd w dw EIdxEIEIdx dxdxdxdxdxdx d w dwd wd w EIEIwEIwdx dxdxdxdx = =+ 224 224 00 23 23 00 ( ) () LL LL d wd wd w wEIkw wq w dxEIkwqwdx dxdxdx d w dwd w EIEIw dxdxdx =+=+ + 微分方程： 4 4 0 d w EIkwq dx += 边界条件： 22 22 0 0 xx L d wd w dxdx = =， 33 33 0 0 xx L d wd w dxdx = = 分强制边界和自然边界。 补充题 试作加权余量发的最小二乘配点法，并给出所得到的求解方程系数矩阵的特点分析。 （最小二乘配点法思路是， 利用使求解域内所选各点处误差平方的总和为最少的条件， 去建 立求解试函数系数的方程。配点法是强迫余量误差在所选点上为 0，最小二乘配点法则是余 量在所选点上的误差，满足平方和最小。 ） 解：近似函数为( )( ) ii u xN x a= ，不失一般性 余量为：( )( )( )( ) )( ) ii R xA uf xA N x af x= 最小二乘配点法取权函数 () () jiik j wA N axx a = 其中j=1,.,n; k=1,.,m 且mn 加权余量要求0 j w Rd = 1 11 ( ) ) () ( ) )( ) ( ) () ( ) )( ) () () )() () ()() Ka-P T jiikii j T jkii m T jkikik k mm TT jiij kk w RdAN x axxA N x af x d a ANxxxA N x af x d ANxA N x af x ANA N aANf = = = = = = = ()写成矩阵形式 因此， 1 () () m T ijjiji k kANA Nk = = ， 系数矩阵对称，且无需积分。 复习题 1.7 自然边界条件强制边界条件的区别何在?为什么这样命名？对于一个给定的微分方程，如何 区分这两类边界条件？ 自然边界条件与强制边界条件，二者都是针对边值条件来说的。边值条件一般有三类边界条件。第一类：狄里克莱(Dirichlet) 条件；第二类，诺依曼(Neumann)条件；第三类，前两者的混合条件，也叫洛平(Robin)条件 在选择近似函数时， 已经事先满足的边界条件为强制边界条件。 而自然边界条件则是在将等 效形式化为弱形式时包含在边界积分场上的边界条件。 对于 2m 阶微分算子，含 0 到 m-1 阶导数的边界条件称为强制边界条件，近似函数应该事先 满足。含 m 到 2m-1 阶导数的边界条件称为自然边界条件，近似函数不必事先满足。对于给 定的微分方程，判断其阶次，再依据边界所含导数阶数可区分两类边界。 思考题 1.8 泛函在什么条件下有极值？了解泛函是否有极值的意义何在？ 2 00 = ，则3n = 方向最高达 4 阶，214n ，则3n = 因此积分为3 39× = 采用优化积分方案，由于多项式中完备性的阶次为 0，所以用 1 1× （2）方向最高达 3 阶，213n ，2n = 方向最高达 4 阶，214n ，则3n = 因此积分为2 36× = 采用优化积分方案，由于多项式中完备性的阶次为 0，所以用 1 1× 5.1 节点 4 和 5 只属于单元（I）和（II） ，因此需要引入多点约束方程 对于单元（III）可知 1 2 2 3 1 (1)(1)(1) 4 1 (1)(1)(1) 4 1 (1)(1) 2 N N N =+ + = = 那么在 1-4-3-5-2 这条边上 3 00 1 (,) ii i N = = 将点 4 和 5 坐标带入上式可得 3 4123 1 3 5123 1 1313 ( 1, )() 2884 1133 ( 1,) 2884 ii i ii i N N = = =+ + = = + 5.2 (1)理论解 单位质量的离心力 2 fr= 则体积力为 2 Fr= 于是 C 点右侧部分的惯性力之和为 222 2 3 d 8 l C l FrA rAl = 其应力值 22 3 8 C l =， 同样的方法可求 22 1 2 O l = 其实可以求出全场应力解 22 2 1 ( ) 2 lr l = 进而得到全场应变解 2 32 0 1 () 23 r udrrl r E =+ O C 由应变可积分得到位移解 22 2 1 ( ) 2 lr l = (2)有限元分析 对于一维 3 节点杆单元 插值函数如下 1 2 2 3 1 (1) 2 1 1 (1) 2 N N N = = =+ 那么 123 N N N r = BLN =，且由(1) 4 l r=+可知 4 rrl = 所以 411 2 22l =+BLN = 弹性=DE（弹性模量） 雅可比矩阵 3 1 11 () 0()2 22244 i i i Nlll Jx = = += 计算刚度矩阵： 1 1 1 22 1 2 2 1 22 111213 212223 313233 111 ()2 () 224 16111 2 ()()2 () 4222 11 2 ()4 42 e J d El d l KKK KKK KKK = =+ + = KBDB 节点编号 1 2 3 4 5 其中 1 2 3 为单元 1，3 4 5 为单元 2 同理可求 2 e K 集成总刚为 1 2 3 14162 00 333 3216 00 33 28162 333 3216 33 14 3 E l K =， 下面求等效节点载荷 1 1T 1 1 22 1 1 2 2 2 2 23 1 (1) 2 (1) 1 44 1 (1) 2 0 12 24 f J d ll d P l P P l = + = + = PN f 同理可求 1 2T 1 1 22 1 2 2 3 2 2 4 2 25 1 (1) 2 (3) 1 44 1 (1) 2 24 4 12 f J d ll d l P l P P l = + = + = PN f 集成节点载荷向量为 1 2 2 2 3 4 5 0 1 12 1 12 1 4 1 12 P P Pl P P = P 把 1 0u =带入约束条件，利用对角线改 1 法，将求解方程=K AP改写为 2 2 2 3 4 5 100000 32161 00 0 3312 281621 33312 32161