Elemento finito
d4 v x EJ 4 = q 1 − dx L Integrando EJ EJ EJ EJv = qL4 x 1 x d3 v = qL − 3 dx L 2 L
2 2
+A
3
d2 v 1 x = qL2 2 dx 2 L
3
−
1 x 6 L
4
+ AL
x +B L
2
dv 1 x = qL3 dx 6 L 1 x 24 L
4
−
1 x 24 L
5
1 x + AL2 2 L
3
+ BL
x +C L
2
−
1 x 120 L
1 x + AL3 6 L
1 x + BL2 2 L
2
+ CL
x +D L
d Valuando lascondiciones de borde en los extremos (v = 0 y dxv = 0) 2 0 0 0 1 A 0 0 1 0 0 B = −qL2 1 0 2 L3 L2 L L 1 C 30 6 2 1 D L 1 0 0 3
La dos primeras son inmediatas B = D = 0, quedando
L3 6
L
L 0
A C
= −qL2
1 2 L 30 1 3 1 qL3 . 45
De la cuarta A = − 1 qL que llevado a la tercera C = 3 EJv = qL4 − v= 1 x 5 1 + 120 L 24 1 5 1 − ξ + ξ4 − 12024
Finalmente
3
qL4 EJ qL2 M= −ξ 3 + 3ξ 2 − 2ξ 6 qL T = −3ξ 2 + 6ξ − 2 6 La energía potencial total es π= q2 L5 EI 1 72
1 1
x 4 1 x − L 18 L 1 3 1 ξ + ξ 18 45
+
1 x 45 L
−ξ 3 + 3ξ 2 − 2ξ
0
2
1
dξ −
0
(1 − ξ) −
1 5 1 1 1 ξ + ξ 4 − ξ 3 + ξ dξ 120 24 18 45
−ξ 3 + 3ξ 2 − 2ξ
0
2
1
dξ =
0
ξ 6 + 9ξ 4 + 4ξ 2 − 6ξ 5 − 12ξ 3 + 4ξ 4 dξ ξ 7 13ξ 5 4ξ 3 + +− ξ 6 − 3ξ 4 7 5 3
1
=
=
0
1 945
1 Para un problema líneal como el propuesto la condición de mínimo implica que W = − 2 V
π = −W = −
1 q 2 L5 945 EI
1
Aproximación propuesta y datos
Los datos a utilizar son L[m] q[tn/m] E[tn/m2 ] I[m4 ] 5, 00 3, 00 2 × 106 5 × 10−3
N
v (x) =
i=1 N
sin iπ L
N
iπx L cos iπ L iπ L
2
αi iπx αi L sin
3
β (x) =
i=1
M (x) =EI
i=1 N
iπx αi L iπx αi L
T (x) = EI
i=1
cos
Método de colocación
Reemplazando la aproximación propuesta en la ecuación diferencial
N
EJ
i=1
iπ L
4
αi sin
N
iπx L
=q 1−
x L
i4 αi sin (iπξ) =
i=1
qL4 (1 − ξ) EJπ 4
El método de colocación consiste en hacer que la ecuación diferencial se cumpla en un conjunto finito de puntos. La cantidad de puntos decolocación debe ser igual a la cantidad de términos elegidos. En general para un dominio unidimensional los puntos se eligen simétricos. Usando un punto N = 1 y ξ 1 =
x1 L
=
1 2
π qL4 1 sin α1 = 2 EJπ 4 2 4 qL 1 α= EJπ 4 2 Usando dos puntos N = 2 y ξ 1 =
x1 L
=
1 4
ξ2 =
x2 L
=
3 2
sin (πξ 1 ) 24 sin (2πξ 1 ) sin (πξ 2 ) 24 sin (2πξ 2 ) Usando N puntos El sistema deecuaciones
α1 α2
=
qL4 EJπ 4
1 − ξ1 1 − ξ2
Kα = f resulta: Kij = j 4 sin (jπξ i ) qL4 fi = (1 − ξ i ) EJπ4
2
0.0014 0.0012 0.001 0.0008 0.0006
Exacta Col-1 Col-2 Col-3 Col-4 Col-5 Col-6 Col-7
6
5
4
Exacta Col-1 Col-2 Col-3 Col-4 Col-5 Col-6 Col-7
M
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
3
V
2 0.0004 0.0002 0 1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Xi
XiFigura 1 Viga resuelta usando colocación. Desplazamientos y momentos
4
2
Exacta Col-1 Col-2 Col-3 Col-4 Col-5 Col-6 Col-7
1
0
Res
-1
0 -2 -2 -3
Exacta Col-1 Col-2 Col-3 Col-4 Col-5 Col-6 Col-7
T
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Xi
Xi
Figura 2 Viga resuelta usando colocación. Corte y residuo
Método de residuosponderados
El método de residuos ponderados consiste en ponderar el residuo de la ecuación diferencial usando funciones de ponderación. El residuo de la ecuación diferencial es
N
r (x) = EJ
i=1
iπ L
4
sin
iπx x αi − q 1 − L L
Definiendo N funciones de ponderación Wj (x) linealmente independientes se impone para cada función de peso
L
Wj (x) r (x) dx = 0
0
3
Reemplazandola aproximación propuesta
L N
Wj (x) EJ
0 i=1 L
iπ L
N
4
sin
iπx L
αi − q 1 −
4
x L
dx = 0
L
EJ
0 i=1
iπ W j (x) L
iπx sin L
αi dx =
0
W j (x) q 1 −
x dx L
Kji αi = fi Para la clase de problemas tratados aquí (auto-adjuntos) es conveniente utilizar como funciones de peso a las mismas funciones de aproximación. Es decir que las Wj = sin luego...
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