background image

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

– PROBLEM BRZEGOWY

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

Budownictwo, studia I stopnia, semestr III

Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska

Ewa Pabisek

Adam Wosatko

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Równania różniczkowe zwyczajne

Równanie o postaci ogólnej:

x , y , y

0

, y

00

, . . . , y

n

) = 0,

y

(k)

d

k

()

d x

k

, k = 112, . . . , n,

w którym jako niewiadoma występuje funkcja tylko jednej zmiennej nieza-

leżnej () oraz niektóre (albo wszystkie) jej pochodne y

(k)

()< k ¬ n

nazywamy

równaniem różniczkowym zwyczajnym

rzędu

n

.

Oprócz pojedynczych równań występują również układy takich równań:

F

1

x , y , y

0

, y

00

, . . . , y

n

) = 0,

F

2

x , y , y

0

, y

00

, . . . , y

n

) = 0,

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

F

n

x , y , y

0

, y

00

, . . . , y

n

) = 0.

Pojedyncze równania różniczkowe (lub ich układy) opisują różne zjawiska i pro-
cesy zachodzące w modelach fizycznych. Mimo tej różnorodności występują
tylko dwa zasadnicze rodzaje problemów:

problem początkowy

,

problem brzegowy

.

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Metody rozwiązywania zagadnienia brzegowego

Zajmiemy się poszukiwaniem takich funkcji (),

które są rozwiązaniem równania rzędu conajmniej drugiego,

funkcji określonych na przedziale (a, b)

i zdefiniowanych warunkami, z których jedne dotyczą punktu a, a
inne – punktu b.

W celu znalezienia rozwiązania zagadnienia można zastosować:

metodę strzału – problem brzegowy zastępujęmy problemem
początkowym wraz z odpowiednią zamianą warunku brzegowego na
warunek początkowy i funkcję uwzględniającą ustaloną wartość
brzegową,

metodę różnic skończonych

, zwaną także metodą

różnicową

.

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Metoda różnicowa

Bardzo prosta matematycznie, od dawna znana metoda.

Zasadą tej metody jest obliczanie przybliżeń pochodnych za pomocą
tzw.

wzorów różnicowych

.

Posługujemy się skończonym zbiorem węzłów siatki różnicowej
zamiast obszarem (jedno- lub dwuwymiarowym).

Rozwiązaniem problemu będzie zbiór dyskretnych wartości
węzłowych poszukiwanej funkcji, a nie jej reprezentacja w postaci
funkcji ciągłej, zdefiniowanej w całym obszarze.

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Centralne wzory różnicowe

dla zagadnienia jednowymiarowego

i+2

i

4

5

6

7

1

2

3

i-2

i-1

i+1

i-2

i-1

i

i+1

i+2

1

2h

-1

0

1

1

h

2

1

1

-2

-1

2

0

-2

1

1

1

2h

3

1

-4

6

1

h

4

-4

1

f

I

f

II

f

III

f

IV

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Przykład rozwiązania zagadnienia brzegowego

Tworzenie równań różnicowych na podstawie równania różniczkowego drugiego rzędu

Przykład:

Rozwiązać problem brzegowy:

y

00

() +

1

4

= 8,

(0.0) = 0,

(10.0) = 0.

Wyniki

Rozwiązanie ścisłe:

() = 32

h

cos(5)1

sin(5)

sin(

x
2

− cos(

x
2

) + 1

i

Rozwiązanie

nr

x

MRS

4

ścisłe

1

0.000

0.0000

0.0000

2

2.500

39.7408

44.5949

3

5.000

67.3866

71.9429

4

7.500

39.7408

44.5949

5

10.000

0.0000

0.0000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

2

4

6

8

10

MRS

10

scisle

MRS

4

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Problem zginania belki

Przemieszczeniowe równanie różniczkowe czwartego rzędu

Zastosujemy MRS do rozwiązania problemu sformułowanego lokalnie
np. za pomocą przemieszczeniowego równania różniczkowego
czwartego rzędu opisującego zginanie belki prostej.

d

4

()

dx

4

=

p

y

()

EJ

.

Poszukiwaną ”pierwotną” funkcją jest funkcja ugięcia belki ().

Funkcjami ”wtórnymi” będą: moment zginający M() oraz siła
poprzeczna ():

M() = −EJ

d

2

()

dx

2

,

() = −EJ

d

3

()

dx

3

.

Do równania różniczkowego należy dopisać odpowiednie warunki
brzegowe, wynikające z brzegowych więzów kinematycznych
oraz brzegowych obciążeń.

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Model obliczeniowy belki

Tworzenie równań różnicowych

Jednowymiarowe zagadnienie brzegowe zginania belki
opisane równaniem różniczkowym czwartego rzędu, po zastosowaniu

centralnego ilorazu różnicowego

ma postać:

d

4

()

dx

4

=

p

y

()

EJ

=

v

i −2

− 4v

i −1

+ 6v

i

− 4v

+1

v

+2

h

4

=

p

y

i

EJ

v

i −2

− 4v

i −1

+ 6v

i

− 4v

+1

v

+2

b

i

,

b

i

h

4

·

p

y

i

EJ

Tworzy się układ równań, w którym należy uwzględnić jeszcze

warunki

brzegowe

.

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Warunki brzegowe w zapisie różnicowym

i

i+1

b)

c)

d)

i-1

a)

i-1

i

i+1

i-2

i-1

i

i+1

i+2

i-2

i-1

i

i+1

i+2

a)

Brzeg utwierdzony

:

= 0 ,

dv
dx

= 0 ,

w zapisie różnicowym:

v

i

= 0

,

−v

i −1

+v

+1

2h

= 0

.

b)

Brzeg przegubowo podparty

= 0 ,

−EJ

d

2

v

dx

2

= 0 ,

w zapisie różnicowym:

v

i

= 0

,

−EJ

v

i −1

2v

i

+v

+1

h

2

= 0

.

c)

Brzeg pionowo przesuwny

:

dv
dx

= 0 ,

−EJ

d

3

v

dx

3

= 0,

w zapisie różnicowym:

−v

i −1

+v

+1

2h

= 0

,

−EJ

−v

i −2

+2v

i −1

2v

+1

+v

+2

2h

3

= 0

.

d)

Brzeg swobodny

−EJ

d

2

v

dx

2

= 0 ,

−EJ

d

3

v

dx

3

= 0 ,

w zapisie różnicowym:

−EJ

−v

i −1

2v

i

+v

+1

h

2

= 0

,

−EJ

−v

i −2

+2v

i −1

2v

+1

+v

+2

2h

3

= 0

.

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY

background image

Przykład belki wspornikowej

y, v

L

x

-1

3

4

5

6

0

1

2

x

0

p

y

x

L

Równanie różnicowe

musi być rozpisane dla punktów = 1234:

· v

i −2

− · v

i −1

+ 6 · v

i

− · v

+1

+ 1 · v

+2

b

gdzie

= (h

4

p

y

)/(EJ)

Warunki brzegowe

:

dla

= 0 :

= 0

v

0

= 0

i = 0 :

· v

0

= 0

· v

1

+ 1 · v

1

= 0

dla

:

= 0

= 0

i = 4 :

· v

3

− · v

4

+ 1 · v

5

= 0

· v

2

+ 2 · v

3

− · v

5

+ 1 · v

6

= 0

MATEMATYKA STOSOWANA I METODY NUMERYCZNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE – PROBLEM BRZEGOWY


Document Outline