有限元参考单元的质量矩阵计算

对于标准的三角单元,其质量矩阵中的基函数在该面积上的积分为:
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∫ 0 1 ∫ 0 1 − x φ i ( x , y ) φ k ( x , y ) d x d y \begin{aligned} \int_0^1\int_0^{1-x}\varphi_i(x,y)\varphi_k(x,y)dxdy \end{aligned} 0101xφi(x,y)φk(x,y)dxdy
基函数在节点上为分段线性插值函数,这些基函数这个标准三角形区域对应的表达式为
φ 1 ( x , y ) = x φ 2 ( x , y ) = y φ 3 ( x , y ) = 1 − x − y \begin{aligned} &\varphi_1(x,y)=x\\ &\varphi_2(x,y)=y\\ & \varphi_3(x,y)=1-x-y \end{aligned} φ1(x,y)=xφ2(x,y)=yφ3(x,y)=1xy
对于 i i i等于 k k k的情况下,该面积积分有
1. i = k = 1 ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x x ⋅ x d x d y = ∫ 0 1 ( 1 − x ) x 2 d x = ( 1 3 x 2 − 1 4 x 4 ) ∣ 0 1 = 1 12 2. i = k = 2 ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x y ⋅ y d x d y = ∫ 0 1 1 3 ( 1 − x ) 3 d x = [ − 1 12 ( 1 − x ) 4 ] ∣ 0 1 = 1 12 3. i = k = 3 ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x ( 1 − x − y ) 2 d x d y = ∫ 0 1 1 3 ( 1 − x ) 3 d x = [ − 1 12 ( 1 − x ) 4 ] ∣ 0 1 = 1 12 \begin{aligned} 1. i=k=1\qquad &\int_0^1\int_0^{1-x}x\cdot xdxdy\\ &=\int_0^1(1-x)x^2dx\\ &=(\dfrac{1}{3}x^2-\dfrac{1}{4}x^4)|^1_0\\ &=\dfrac{1}{12}\\ 2. i=k=2\qquad &\int_0^1\int_0^{1-x}y\cdot ydxdy\\ &=\int_0^1\dfrac{1}{3}(1-x)^3dx\\ &=\left[-\dfrac{1}{12}(1-x)^4\right]|^1_0\\ &=\dfrac{1}{12}\\ 3. i=k=3\qquad &\int_0^1\int_0^{1-x}(1-x-y)^2dxdy\\ &=\int_0^1\dfrac{1}{3}(1-x)^3dx\\ &=\left[-\dfrac{1}{12}(1-x)^4\right]|^1_0\\ &=\dfrac{1}{12}\\ \end{aligned} 1.i=k=12.i=k=23.i=k=30101xxxdxdy=01(1x)x2dx=(31x241x4)01=1210101xyydxdy=0131(1x)3dx=[121(1x)4]01=1210101x(1xy)2dxdy=0131(1x)3dx=[121(1x)4]01=121
i i i不等于 k k k时,有,
4. i = 1 , k = 2 ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x x ⋅ y d x d y = ∫ 0 1 1 2 ( x 3 − 2 x 2 + x ) d x = 1 2 ( 1 4 x 4 − 2 3 x 3 + 1 2 x 2 ) ∣ 0 1 = 1 24 5. i = 1 , k = 3 ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x x ⋅ ( 1 − x − y ) d x d y = ∫ 0 1 1 2 ( x 3 − 2 x 2 + x ) d x = 1 2 ( 1 4 x 4 − 2 3 x 3 + 1 2 x 2 ) ∣ 0 1 = 1 24 6. i = 2 , k = 3 ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x y ⋅ ( 1 − x − y ) d x d y = ∫ 0 1 1 6 ( 1 − x ) 3 d x = 1 6 ( − 1 4 ( 1 − x ) 4 ) ∣ 0 1 = 1 24 \begin{aligned} 4. i=1,k=2\qquad &\int_0^1\int_0^{1-x}x\cdot ydxdy\\ &=\int_0^1\dfrac{1}{2}(x^3-2x^2+x)dx\\ &=\dfrac{1}{2}(\dfrac{1}{4}x^4-\dfrac{2}{3}x^3+\dfrac{1}{2}x^2)|^1_0\\ &=\dfrac{1}{24}\\ 5. i=1,k=3\qquad &\int_0^1\int_0^{1-x}x\cdot (1-x-y)dxdy\\ &=\int_0^1\dfrac{1}{2}(x^3-2x^2+x)dx\\ &=\dfrac{1}{2}(\dfrac{1}{4}x^4-\dfrac{2}{3}x^3+\dfrac{1}{2}x^2)|^1_0\\ &=\dfrac{1}{24}\\ 6. i=2,k=3\qquad &\int_0^1\int_0^{1-x}y\cdot (1-x-y)dxdy\\ &=\int_0^1\dfrac{1}{6}(1-x)^3dx\\ &=\dfrac{1}{6}(-\dfrac{1}{4}(1-x)^4)|^1_0\\ &=\dfrac{1}{24} \end{aligned} 4.i=1,k=25.i=1,k=36.i=2,k=30101xxydxdy=0121(x32x2+x)dx=21(41x432x3+21x2)01=2410101xx(1xy)dxdy=0121(x32x2+x)dx=21(41x432x3+21x2)01=2410101xy(1xy)dxdy=0161(1x)3dx=61(41(1x)4)01=241
综上所述,可得在参考的标准单元上的质量矩阵为:
∫ Ω φ i ( x , y ) φ k ( x , y ) d x d y = { 1 12 , 当 i = k 时 1 24 , 当 i ≠ k 时 \int_\Omega\varphi_i(x,y)\varphi_k(x,y)dxdy=\begin{cases} \dfrac{1}{12},\qquad 当i=k时\\ \dfrac{1}{24},\qquad 当i\neq k时 \end{cases} Ωφi(x,y)φk(x,y)dxdy=121,i=k241,i=k文章来源地址https://uudwc.com/A/PdnXO

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