能量原理与变分法笔记11:形函数(一种降维思想)

本文探讨了形函数在近似求解中的重要性,它是如何将复杂的无限自由度问题转化为潜在的二次形式,并通过实例u1(x)=x^2/L1^2来说明其在理论和实践中的应用。

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形函数(一种降维思想,将一个无穷个自由度(冲击)的函数看成一个形函数)

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在近似求解中将称形函数为势函数 在近似求解中将称形函数为势函数 在近似求解中将称形函数为势函数

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注:其中 u 1 ( x ) = x 2 L 1 2 是假设形函数的形式未二次形式 其他的与第一个同理 注:其中u_1(x)=\frac{x^2}{L_1^2}是假设形函数的形式未二次形式\\ 其他的与第一个同理 注:其中u1(x)=L12x2是假设形函数的形式未二次形式其他的与第一个同理

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### 形函数在有限元分析中的定义 形函数是连接节点自由度单元内部任意一点位移场之间关系的重要工具。通过引入形函数,可以将复杂的连续体离散成若干简单几何形状的小区域(即单元),并用这些小区域内节点上的已知物理量来表示整个单元内的未知物理量分布情况。 对于线性三角形单元而言,其形函数通常采用一次多项式形式表达;而对于四边形等高阶单元,则可能涉及到更高次幂项的形式[^1]。 ### 形函数的作用 #### 描述位移场 形函数用于描述单元内任一点处的位移分量如何随着位置坐标变化而改变。具体来说,在给定一组节点坐标的前提下,可以通过插值得到该点对应的三个方向上的位移值: \[ u(x,y,z)=\sum_{i=1}^{n}{N_i(x,y,z)\cdot d_i} \] 其中 \( N_i \) 表示第 i 个节点对应的形函数,\(d_i\) 是相应节点的广义位移向量,n 则代表单元总的节点数目。 #### 建立刚度方程 基于虚功原理或者最小势能原理建立整体系统的平衡方程时,需要用到各单元贡献的部分——也就是所谓的“单元刚度矩阵”。此时就需要借助于上述提到过的形函数来进行推导,从而得到如下所示的标准格式: \[ K_e=\int_V B^T D B dv \] 这里 \(B=[∂Ni/∂x, ∂Ni/∂y,...]\),D 称作材料属性矩阵,V 表达积分域范围。显然,如果没有合适的形函数作为桥梁的话,就无法建立起这种联系了。 ```julia function shape_function(xi, eta) # 定义简单的双线性矩形单元形函数 N1 = (1-xi)*(1-eta)/4 N2 = (1+xi)*(1-eta)/4 N3 = (1+xi)*(1+eta)/4 N4 = (1-xi)*(1+eta)/4 return [N1; N2; N3; N4] end ```
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