高等数值分析作用――面积坐标(精)
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将三角形划分为三个部分,∆代表整个三角形单元的面积,∆i 、∆j 、∆m 分别代
表三角形∆Pjm 、∆Pmi 、∆Pij 的面积,它们分别与三角形单元的3个顶点i 、j 、m
相对应。
那么∆i 、∆j 、∆m 分别与∆的比值L i 、L j 、L m 则称为P 点的面积坐标。
i j m L , L , L j i m ∆∆∆=
=
=
∆∆∆
又∆=∆i +∆j +∆m ,所以L i +L j +L m =1
根据面积坐标的定义,在平行于jm 边的直线上各点,其L i 坐标值等于该平行线
到jm 边的距离与i 点到jm 边的距离之比。对于平行于ij ,im 边的直线,也有相同的
性质,于是三角形单元上三个节点的面积坐标为
L i L j L m i 点 1 0 0 j 点 0 1 0 m 点
1
经过二维一次插值,直角坐标和面积坐标的关系为
i j m 1L (a +b x+c y,21L (a +b x+c y, 21L (a +b x+c y
2i i i j j j m m m =∆=∆=
∆
将(,,(,,(,i i j j m m i x y j x y m x y 代入上式,上式也可以推导为
1111 i i j m j i
j
m m L x x x x L y y y y L ⎧⎫⎡⎤⎧⎫⎪⎪⎢⎥⎪⎪=⎨⎬⎨⎬
⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎩⎭⎣⎦⎩⎭
由上式可知,面积坐标不仅把节点位移插值成内位移,而且把节点坐标插值成内
部坐标,这样面积坐标把单元的节点插值成内部量。
通过直角坐标到面积坐标的变换,可将三角形单元变换为直角三角形形态,如下
图。
L j i
采用面积坐标分析三角形单元的另一个突出优点,是便于形成形状函数,他可以
由下列两个条件唯一确定,即
(1 形状函数的阶次和形状与位移函数相同;
(2 形状函数N i 在节点i 其值为1,在其余的节点(≠i 其值为0 下面针对六节点
三角形单元举例说明面积坐标下形状函数的确定。
i(1,0,0
m(0,0,1
1(1/2,1/2,0
2(0,1/2, 1/2 3(1/2,0 , 1/2
。 。 。
1先求三角形顶点i ,j ,m 的形状函数。
形状函数N i 在除了i 点之外的其余5个节点其值应为0,显然两条直线j2m 和
31通过这5个节点,其方程分别为
i i 1L 0, L =
2
=
这样,构建函数i i 1L (L
2-
,使其在这5个节点之值为0,又六节点三角形单元有
12个自由度,位移函数u 或v 取为完全二次多项式,则形状函数的阶次与位移函
数相同也取为二次。再利用N i 在节点i 之值应为1的条件,即可得
i i 12L (L
2i N =-
对于直线j2m ,即L i =0时,N i =0 对于直线31,即L i =1/2时,N i =0 对于点i ,即
L i =1时,N i =1
同理可得,1
2L (L 2
j j j N =-,1
2L (L 2
m m m N =-
2再来求副节点1,2,3的形状函数。
如N 1在除了1点之外的其余5个节点上其值应为0,显然,直线j2m 和i3m 通
过这5个节点,其方程分别为
i L 0, L =0j =
于是,构建函数L i L j ,使其在这些节点上的值为0,且为二次函数,再利用N 1在
节点1的值为1,立即可得
1i 4L L
j
N =,24L L j m N =,34L L m i N =
在点1时,即L i =1/2,L j =1/2,则1i 4L L j N ==1 在点2时,即L j =1/2,L m =1/2,
则24L L j m N ==1 在点3时,即L m =1/2,L i =1/2,则34L L m i N ==1