加权余量法简介.ppt

,前面所介绍的各种有限元法都是将整个求解域进行离散，以单元为分析对象，设法建立单元的变量场，然后应用能量原理或广义变分原理导出单元列式及整体分析方法，从而解出用于建立单元变量场的基本未知量，进而求得其他所需的物理量。,为解决工程实际计算还有一些其他数值方法，如加权余量法、边界元法、样条有限元法、半解析法等，它们在计算力学中形成了自己独特的理论和方法，内容也非常丰富，已有大量文献资料和专著。本章只能对加权余量的基本概念、方法和基本思路等作一简单介绍，为深入研究或进一步学习打下必要的基础。,5.1加权余量法的基本概念加权余量法(MethodofWeightedResiduals)或称加权残值法或加权残数法，是一种直接从所需求解的微分方程及边界条件出发，寻求边值问题近似解的数学方法。早在20世纪30年代就在数学领域得到应用，随着计算机的发展，它受到了国内外学者的普遍重视，得到了迅速的发展。自1982年召开“全国加权残数法学术会议”后，我国加权余量法在结构分析领域内的应用已从静力发展到动力、稳定、材料非线性和几何非线性等各方面。,大量的结构分析问题，如杆系结构分析、二维及三维弹性结构分析，以及板、壳应力分析等等，都可归结为在一定的边界条件(或动力问题的初始条件)下求解微分方程的解，我们称这些微分方程为问题的控制方程。下面以加权余量法的数学模型和基本方法两个方面来介绍加权余量法的基本概念。,设问题的控制微分方程为:在V域内在S边界上式中:L、B分别为微分方程和边界条件中的微分算子；f、g为与未知函数u无关的已知函数域值；u为问题待求的未知函数。,5.1.1方法概述及按试函数分类,当利用加权余量法求近似解时，首先在求解域上建立一个试函数，一般具有如下形式：,式中：待定系数，也可称为广义坐标；,取自完备函数集的线性无关的基函数。,由于一般只是待求函数u的近似解，因此将式(5.1.3)代入式(5.1.1)和式(5.1.2)后将得不到满足，若记：,在V域内,在S边界上,显然反映了试函数与真实解之间的偏差，它们分别称做内部和边界余量。,若在域V内引入内部权函数，在边界S上引入边界权函数则可建立n个消除余量的条件，一般可表示为：,不同的权函数和反映了不同的消除余量的准则。从上式可以得到求解待定系数矩阵C的代数方程组。一经解得待定系数，由式(5.1.3)即可得所需求解边值问题的近似解。,由于试函数的不同，余量和可有如下三种情况，依此加权余量法可分为：1内部法试函数满足边界条件，也即此时消除余量的条件成为:2边界法试函数满足控制方程，也即此时消除余量的条件为:3混合法试函数不满足控制方程和边界条件，此时用式(5.1.5)来消除余量。,显然，混合法对于试函数的选取最方便，但在相同精度条件下，工作量最大。对内部法和边界法必须使基函数事先满足一定条件，这对复杂结构分析往往有一定困难，但试函数一经建立，其工作量较小。,无论采用何种方法，在建立试函数时均应注意以下几点：（1）试函数应由完备函数集的子集构成。已被采用过的试函数有幂级数、三角级数、样条函数、贝赛尔函数、切比雪夫和勒让德多项式等等。(2)试函数应具有直到比消除余量的加权积分表达式中最高阶导数低一阶的导数连续性。(3)试函数应与问题的解析解或问题的特解相关联。若计算问题具有对称性，应充分利用它。,5.1.2基本方法概述,下面以内部法为例，介绍按权函数分类时加权余量的五种基本方法。对内部法来说，消除余量的统一格式是:,1子域法(SubdomainMethod)此法首先将求解域V划分成n个子域，在每个子域内令权函数等于1，而在子域之外取权函数为零，也即:,如果在各个子域里分别选取试函数，那么它的求解在形式上将类似于有限元法。,2.配点法(CollocationMethod)子域法是令余量在一个子域上的总和为零。而配点法是使余量在指定的n个点上等于零，这些点称为配点。此法的权函数为:,Dirac(犹拉克)函数，它的定义为:,P、Pi分别代表求解域内任一点和配点。由于此法只在配点上保证余量为零，因此不需要作积分计算，所以是最简单的加权余量法,3最小二乘法(LeastSquareMethod)本法通过使在整个求解域上余量的平方和取极小来建立消除余量的条件。若记余量平方和为I(C)，即,则极值条件为:,由此可见，本法权函数为:,4伽辽金法(GalerkinMethod)本法是使余量与每一个基函数正交，也即以基函数作为权函数当试函数包含整个完备函数集时，用本法必可求得精确解。,5矩法(MethodofMoment)本法与伽辽金法相似，也是用完备函数集作权函数。但本法的权函数与伽辽金法又有区别，它与试函数无关。消除余量的条件是从零开始的各阶矩为零，因此对一维问题对二维问题其余类推这五种基本方法在待定系数足够多(称做高阶近似)时，其精度彼此相近。但对低阶近似(n较小)情况下，后三种的精度要高于前两种。,基本方法举例,为说明上述基本概念，以图所示等截面悬臂梁，受满跨均布荷载作用，求悬臂端B的竖向位移为例，说明基本方法的应用。图示梁的控制方程为:,其边界条件为:,若取试函数为:,不难验证其满足边界条件，也即。而控制方程的内部余量为:,因此本问题属内部法。下面分别用基本方法进行求解。子域法解由于试函数仅一个待定常数，因此只需取一个子域（等于全域）即可，消除余量的条件为:,由此可解得:,代回式可得:,配点法解同上所述，只需选一个配点来建立消除余量的条件。若令:,可得:若令:,则得:,可见不同的配点结果是不一样的。,最小二乘法解此时消除余量的条件为:,可得:,伽辽金法解此时，消除余量的条件为:,由此可得:,矩法解由于只有一个待定常数，