Capítulo 1 Métodos de residuos ponderados Funciones de prueba ...

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15.07.2014 Views

En la Figura 1 la definición de la celda o volumen finito se ha hecho en función de las “medianas” de cada triángulo que parten de la mitad de cada lado y se cortan en el centro del elemento. Esto hace que a lo largo de cada mediana dos de las coordenadas triangulares (asociadas a los nudos extremos del lado) tengan el mismo valor ( 1 sobre el lado y 1 en el centro del elemento), en tanto 2 3 que la coordenada triangular restante varíe entre 0 (sobre el lado) y 1 en el centro del elemento. 3 Las coordenadas del centro del triángulo son C x = 1 3 ( x 1 + x 2 + x 3) en tanto que las del centro de cada lado son sencillamente (notar que con un supraíndice a la derecha se indican valores nodales, como se ha hecho habitualmente, y con supraíndice izquierdo se indican las coordenadas del centro del lado, opuesto al nudo correspondiente) 1 x = 1 ( x 2 + x 3) 2 2 x = 1 ( x 3 + x 1) 2 3 x = 1 ( x 1 + x 2) 2 A partir de estas coordenadas, cada interfaz queda definida por el vector orientado del centro del triángulo al centro del lado s 1 = 1 x− C x = − 1 3 x1 + 1 6 x2 + 1 6 x3 s 2 = 2 x− C x = − 1 3 x2 + 1 6 x3 + 1 6 x1 s 3 = 3 x− C x = − 1 3 x3 + 1 6 x1 + 1 6 x2 A la longitud de cada interfaz la denominarse como |s I | en tanto que el vector normal a la misma se expresa como n I = 1 ( ) ( −s I |s I | 2 , s I 1 = n I 1 , n2) I (9.1) de tal forma que el producto s I × n I sea saliente al plano. Figura 3 η como función de ξ en cada interfaz interna Observando el elemento maestro y el elemento en el plano real resulta 151

Interfaz 1 ξ en [ 1, 0] η en [ 1, 1] η = 1 (1 − ξ) 3 3 2 2 Interfaz 2 ξ en [ 1, 1] η en [ 1 , 0] η = 1 − 2ξ 3 2 3 Interfaz 3 ξ en [ 1, 1] η en [ 1, 1] η = ξ 3 2 3 2 Tenemos entonces definidas las interfaces. La ecuación de balance en cada volumen finito o celda es: ∫ [ρφu − Γ ∇φ] · ν dS = 0 S u y φ hemos visto que varían en forma lineal, en tanto que ∇φ es constante para cada elemento (pero tiene valores distintos dentro de la celda) ∇φ = Consideremos la interfaz 1 ∫ [ φ′ 1 φ′ 2 s 1 [ρφu − Γ ∇φ] · n 1 dS = ] = 1 [ ] ⎡ −b 1 −b 2 −b 3 ⎣ 2A a 1 a 2 a 3 ∫ 0 1 3 ⎤ φ 1 φ 2 ⎦ φ 3 [ ρ 1 φ (1 u · n 1) − n 1 · Γ ∇φ ] 3|s 1 | dξ donde hemos realizado el cambio de variable de integración y hemos introducido las definiciones 1 φ (ξ) = ξφ 1 + 1 2 (1 − ξ) φ2 + [1 − ξ − 1 ] 2 (1 − ξ) φ 3 = ξφ 1 + 1 2 (1 − ξ) φ2 + 1 (1 − ξ) φ3 2 1 u (ξ) = ξu 1 + 1 2 (1 − ξ) u2 + 1 (1 − ξ) u3 2 correspondientes a los valores de φ y u a lo largo de la interfaz 1 (por ello el supraíndice izquierdo asociado) El primer término de la integral puede expresarse ρ 1 φ (1 u · n 1) = ρ ( n 1 1, n 1 2) [ u 1 1 u 2 1 u 3 1 u 1 2 u 2 2 u 3 2 En tanto que el segundo término es ] ⎡ ⎣ ξ (1−ξ) 2 (1−ξ) 2 ⎤ ⎦ [ ξ (1−ξ) 2 −n 1 · Γ ∇φ = − ( n 1 1 , ) [ ] [ ] ⎡ Γ 11 Γ 21 −b 1 −b 2 −b 3 n1 ⎣ 2 Γ 12 Γ 22 a 1 a 2 a 3 (1−ξ) 2 ] ⎡ ⎣ ⎤ φ 1 φ 2 ⎦ φ 3 En esta última integral todo es constante luego la integral vale sencillamente ∫ 0 1 3 −n 1 · Γ ∇φ 3|s 1 | dξ = |s1 | ( n 1 2A 1 , n2) [ ] [ ] 1 Γ 11 Γ 21 −b 1 −b 2 −b 3 φ 1 Γ 12 Γ 22 a 1 a 2 a 3 φ 2 ⎤ φ 1 φ 2 ⎦ φ 3 Que contribuye al balance del nudo 2 con el signo que está y al balance del nudo 3 cambiándole el signo. Recordar además la relación entre las componentes del vector normal y la interfaz (ecuación 9.1). 152 φ 3

En la Figura 1 la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> la celda o volumen finito se ha hecho en función <strong>de</strong> las “medianas”<br />

<strong>de</strong> cada triángulo que parten <strong>de</strong> la mitad <strong>de</strong> cada lado y se cortan en el centro <strong>de</strong>l elemento. Esto<br />

hace que a lo largo <strong>de</strong> cada mediana dos <strong>de</strong> las coor<strong>de</strong>nadas triangulares (asociadas a los nudos<br />

extremos <strong>de</strong>l lado) tengan el mismo valor ( 1 sobre el lado y 1 en el centro <strong>de</strong>l elemento), en tanto<br />

2 3<br />

que la coor<strong>de</strong>nada triangular restante varíe entre 0 (sobre el lado) y 1 en el centro <strong>de</strong>l elemento.<br />

3<br />

Las coor<strong>de</strong>nadas <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong>l triángulo son<br />

C x = 1 3<br />

(<br />

x 1 + x 2 + x 3)<br />

en tanto que las <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> cada lado son sencillamente (notar que con un supraíndice a la<br />

<strong>de</strong>recha se indican valores nodales, como se ha hecho habitualmente, y con supraíndice izquierdo<br />

se indican las coor<strong>de</strong>nadas <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong>l lado, opuesto al nudo correspondiente)<br />

1 x = 1 (<br />

x 2 + x 3)<br />

2<br />

2 x = 1 (<br />

x 3 + x 1)<br />

2<br />

3 x = 1 (<br />

x 1 + x 2)<br />

2<br />

A partir <strong>de</strong> estas coor<strong>de</strong>nadas, cada interfaz queda <strong>de</strong>finida por el vector orientado <strong>de</strong>l centro<br />

<strong>de</strong>l triángulo al centro <strong>de</strong>l lado<br />

s 1 = 1 x− C x = − 1 3 x1 + 1 6 x2 + 1 6 x3<br />

s 2 = 2 x− C x = − 1 3 x2 + 1 6 x3 + 1 6 x1<br />

s 3 = 3 x− C x = − 1 3 x3 + 1 6 x1 + 1 6 x2<br />

A la longitud <strong>de</strong> cada interfaz la <strong>de</strong>nominarse como |s I | en tanto que el vector normal a la<br />

misma se expresa como<br />

n I = 1 ( ) (<br />

−s<br />

I<br />

|s I | 2 , s I 1 = n<br />

I<br />

1 , n2)<br />

I (9.1)<br />

<strong>de</strong> tal forma que el producto s I × n I sea saliente al plano.<br />

Figura 3<br />

η como función <strong>de</strong> ξ en cada interfaz interna<br />

Observando el elemento maestro y el elemento en el plano real resulta<br />

151

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