Aplicación de las teorías de aproximación para el cálculo de elementos finitos

PROBLEMA MÉTODO APROXIMADO (RITZ – ERROR CUADRÁTICO)

Para la viga doblemente apoyada, sometida a la acción de una fuerza distribuida constante de intensidad q0, como se muestra en la figura adjunta, determine en forma analítica:

a Distribución del momento flector M(x)

b La ecuación de la flecha w(x) del eje neutro w(x)

c La energía Acumulada en la viga en función de la rigidez a la flexión EI, la longitud L y la carga q0.

d Utilizando el método de los residuos ponderado (error cuadrático), se pide determinar la deflexión w(x), para la flecha utilice la siguiente aproximación.

Tome solo los tres primeros términos del polinomio de aproximación.

Compare los resultados obtenidos mediante el método de residuos ponderados y los resultados analíticos en especial los momentos flectores, deflexiones y la energía interna acumulada, comente los resultados.

DESARROLLO

Aplicando las condiciones de borde tenemos lo siguiente: Para:

X=0 se tiene w(x)=0 ……. (2)

X=L se tiene w(x)=0 …….. (3)

Remplazamos 2 y 3 en 1 y tenemos que: C2=0

C1=-q0L3/24

De donde la ecuación de la deflexión será:

d.-

A.-MÉTODO DE RITZ

Los pasos 1 y 2 ya están realizadas puesto que el potencial elástico y la elección de las funciones de base son conocidos por el enunciado del problema.

Paso 03:

La matriz de rigidez K y el vector de carga f pueden ser calculados en forma muy sencilla

Para el elemento Kij de la matriz de rigidez se tiene:

Son todos los Kij=0 para y K se convierte en una matriz diagonal, el problema nos pide que aproximemos los tres primeros términos del polinomio.

El vector de cargas F se obtiene:

Paso 04:

Determinaremos los coeficientes desconocidos ai

Paso 05:

Con los valores calculados hallamos la distribución de la flecha w(x)

B.-MÉTODO DE RESIDUOS PONDERADOS ERROR CUADRÁTICO

Introduciendo la función de base seleccionada en la ecuación diferencial encontramos la función de error E(x)

El método del error cuadrático nos lleva a las siguientes ecuaciones de solución para los parámetros desconocidos ai de la solución aproximada

Las funciones de ponderación resultan de:

En el ejemplo tratado tenemos:

Para el elemento Kij de la matriz de rigidez se tiene:

Por

Son todos los Kij=0 para y K se convierte en una matriz diagonal, el problema nos pide que aproximemos los tres primeros términos del polinomio.

Desarrollo de f:

Determinaremos los coeficientes desconocidos ai

Con los valores calculados hallamos la distribución de la flecha w(x)

e.- Comparación de resultados.

Tabla 01 – Cuadro de Comparaciones

CONCLUSIONES:

Al hacer las primeras comparaciones entre los métodos aproximados de Ritz y residuos ponderados pues demostramos que vienen a ser los mismos resultados a pesar de que Ritz trabajo con la segunda derivada y el residuo con la cuarta derivada de la función de base, esto se confirma con la igualdad de las constantes a, que son iguales por los dos métodos:

Sobre la comparación con los resultados analíticos pues también podemos demostrar que hay una similitud de valores como se puede ver en el tabla 1 con errores que no superan el 1.7%, lo cual se confirma lo dicho con los métodos de aproximación.

Autor:

Ing. Fredy Alan Ccarita Cruz

Maestría en Ingeniería Mecánica

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERU Lima, Octubre del 2011