HARMONİK DENKLEM. Burada göz önüne alınacak problem Dirichlet problemidir; yani fonksiyonun sınırda kendisinin verilmesi halidir. 2 2 (15.

Benzer belgeler
SONLU FARKLAR GENEL DENKLEMLER

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Elastisite Teorisi Düzlem Problemleri için Sonuç 1

DİFERANSİYEL DENKLEMLER-2

4. BÖLÜM DOĞRUSAL DENKLEM SİSTEMLERİ

İki Boyutlu Eliptik Tipi Diferansiyel Sınır Değer Problemleri İçin MathCAD Kullanılımı

İçindekiler 1 GENEL KAVRAM ve TANIMLAR 2 TEMEL YASALAR ve KORUNUM DENKLEMLERİ vii

x 1,x 2,,x n ler bilinmeyenler olmak üzere, doğrusal denklemlerin oluşturduğu;

Lineer Denklem Sistemleri Kısa Bilgiler ve Alıştırmalar

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Lineer Cebir. Doç. Dr. Niyazi ŞAHİN TOBB. İçerik: 1.1. Lineer Denklemlerin Tanımı 1.2. Lineer Denklem Sistemleri 1.3. Matrisler

GÜZ DÖNEMİ ARASINAV SORULARI. 1. Sayısal çözümleme ve fonksiyonu tanımlayarak kullanıldığı alanları kısaca açıklayınız?

İÇİNDEKİLER. iii ÖNSÖZ BÖLÜM 1 TEMEL KAVRAMLAR 1 BÖLÜM 2 LİNEER KISMİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER 9

EŞİTLİK KISITLI TÜREVLİ YÖNTEMLER

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Mühendislikte Sayısal Çözüm Yöntemleri NÜMERİK ANALİZ. Prof. Dr. İbrahim UZUN

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

FONKSİYONLARIN TABLO ŞEKLİNDE HESAPLANMASI

Math 322 Diferensiyel Denklemler Ders Notları 2012

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Bu kısımda işlem adı verilen özel bir fonksiyon çeşidini ve işlemlerin önemli özelliklerini inceleyeceğiz.

BÖLÜM FORMÜLLER ve OTOMATİK TOPLAM Formüller

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

Kaynaklar Shepley L. Ross, Differential Equations (3rd Edition), 1984.

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

Lineer Denklem Sistemleri

MATRİSLER. Şekil 1 =A6:B7+D6:E7

Elektronik Tablolar ile Kısmi Diferansiyel Denklemlerin Çözümü 1

Bekleme Hattı Teorisi

İÇİNDEKİLER KISIM 1: BİRİNCİ MERTEBE ADİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER

FORMÜLLER VE FONKSİYONLAR

Proje Adı: Sonlu Bir Aritmetik Dizinin Terimlerinin Kuvvetleri Toplamının İndirgeme Bağıntısıyla Bulunması.

JFM 301 SİSMOLOJİ ELASTİSİTE TEORİSİ Elastisite teorisi yer içinde dalga yayılımını incelerken çok yararlı olmuştur.

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

HATA VE HATA KAYNAKLARI...

İşaret ve Sistemler. Ders 3: Periyodik İşaretlerin Frekans Spektrumu

HEDEF ARA ve ÇÖZÜCÜ HEDEF ARA

İKİ BOYUTLU ÇUBUK SİSTEMLER İÇİN YAPI ANALİZ PROGRAM YAZMA SİSTEMATİĞİ

FL 3 DENEY 4 MALZEMELERDE ELASTĐSĐTE VE KAYMA ELASTĐSĐTE MODÜLLERĐNĐN EĞME VE BURULMA TESTLERĐ ĐLE BELĐRLENMESĐ 1. AMAÇ

MODÜL 4 HESAP TABLOSU UYGULAMALARI 2

İleri Diferansiyel Denklemler

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR

İstatistik ve Olasılık

Özdeğer ve Özvektörler

Bilgisayar Grafikleri

İÇİNDEKİLER. ÖNSÖZ... iii İÇİNDEKİLER... v

BÖLÜM 1: MADDESEL NOKTANIN KİNEMATİĞİ

Özyineleme (Recursion)

23. Sistem denge denklemlerinin direkt kurulması

BİL 810 İnşaat Mühendisliğinde Bilgisayar Uygulamaları

FİZİK 4. Ders 10: Bir Boyutlu Schrödinger Denklemi

TEMEL ELEKTROT SİSTEMLERİ Eş Merkezli Küresel Elektrot Sistemi

3. TAHMİN En Küçük Kareler (EKK) Yöntemi 1

p 2 p Üçgen levha eleman, düzlem şekil değiştirme durumu

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Doğrusal Demet Işıksallığı 2. Fatma Çağla Öztürk

UYGULAMALI ELASTİSİTE TEORİSİ

ADIYAMAN ÜNİVERSİTESİ

2. İKİ BOYUTLU MATEMATİKSEL MODELLER

Mesleki Terminoloji. Sayısal Analiz DERSİ VEREN: ARŞ. GRV. DR. GÖKSEL BİRİCİK MEHMET EMRE ÖNDER DOĞAÇ CEM İŞOĞLU

İKİNCİ DERECEDEN DENKLEMLER

Bahar Yarıyılı D_IFERANS_IYEL DENKLEMLER II ARA SINAV 6 Nisan 2011 Süre: 90 dakika CEVAP ANAHTARI. y = c n x n+r. (n + r) c n x n+r 1 +

ELASTİSİTE TEORİSİ I. Yrd. Doç Dr. Eray Arslan

olduğundan A ve B sabitleri sınır koşullarından

7.2 Fonksiyon ve Fonksiyon Tanımları (I) Fonksiyon ve Fonksiyon Tanımları (II)

MATLAB DA SAYISAL ANALİZ DOÇ. DR. ERSAN KABALCI

EĞİTİM-ÖĞRETİM YILI BİLİŞİM TEKNOLOJİLERİ VE YAZILIM DERSİ 6. SINIF 2. DÖNEM 2. SINAV ÇALIŞMA NOTLARI

Âna nirengi doğrultuları için p = 1 m 2 o Ara nirengi doğrultuları için p a = m\

LİNEER DALGA TEORİSİ. Page 1

YAPI STATİĞİ II (Hiperstatik Sistemler) Yrd. Doç. Dr. Selçuk KAÇIN

10. HAFTA BLM323 SAYISAL ANALİZ. Okt. Yasin ORTAKCI.

İşletme Fakültesi Bil. Kullanımı Ders notları 2

İleri Diferansiyel Denklemler

Uzaktan Eğitim Uygulama ve Araştırma Merkezi

2. Sonsuz uzunluk kabul edilebilmesi için çubuklar ne kadar uzunlukta olmalıdır? Resim 1

Şekilde görülen integralin hesaplanmasında, fonksiyonun her verilen bir noktası için kümülatif alan hesabı yapılır.

Excel' de formüller yazılırken iki farklı uygulama kullanılır. Bunlardan;

Doğrusal Denklemler Sis./Sys. of Linear Equations

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

TUNCELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ LİNEER CEBİR DERSİ 2012 GÜZ DÖNEMİ ÇIKMIŞ VİZE,FİNAL VE BÜTÜNLEME SORULARI ÖĞR.GÖR.

KAYMA GERİLMESİ (ENİNE KESME)

OYUN TEORİSİ. Özlem AYDIN. Trakya Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ EET305 OTOMATİK KONTROL I Dr. Uğur HASIRCI

UFRS ANALİZ DOKÜMANI


Gerilme Dönüşümleri (Stress Transformation)

Taşkın, Çetin, Abdullayeva 2. ÖZDEŞLİKLER,DENKLEMLER VE EŞİTSİZLİKLER

BÖLÜM 16 KUANTUM : AYRILABİLEN SİSTEMLER

TAŞINIMIN FİZİKSEL MEKANİZMASI

Tabakalı Kompozit Plakların Sonlu Farklar Yöntemi ile Statik Analizi Static Analysis of Laminated Composite Plates by Finite Difference Method

Temel Kavramlar. (r) Sıfırdan farklı kompleks sayılar kümesi: C. (i) Rasyonel sayılar kümesi: Q = { a b

Tanım Akışkanların Statiği (Hidrostatik) Örnekler Kaldırma Kuvveti Örnek Eylemsizlik Momenti Eylemsizlik Yarıçapı

BÖLÜM 1 GİRİŞ 1.1 GİRİŞ

Matris Cebiriyle Çoklu Regresyon Modeli

1. MİCROSOFT EXCEL 2010 A GİRİŞ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Fiziksel Sistemlerin Matematik Modeli. Prof. Neil A.Duffie University of Wisconsin-Madison ÇEVİRİ Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU 2012

Transkript:

HARMONİK DENKLEM Harmonik denklemin sağ tarafının sıfır olması haline Laplace, sağ tarafının sıfır olmaması haline de Possion denklemi adı verilir. Possion ve Laplace denklemi, kısaca harmonik denklem kısmi türevli denklemlerin sınıflandırılmasında eliptik tip denklem grubuna girer. Eliptik denklem genellikle denge ve kararlı hal (steady-state) problemlerinin matematiksel modellenmesinde ortaya çıkar. Gravitasyonel, ideal sıvı hareketleri, elektrostatik, kararlı ısı akımı, sıvılarda yüzey dalgaları, burulma problemlerinde eliptik denklem ile karşılaşılır. Sayısal çözüm yöntemleri bakımından Poisson denklemi ile Laplace denklemi arasında fark yoktur. Bu nedenle Poisson denkleminin çözümü incelenecektir. 2 2 2 u u u f( x, y) 2 2 x y (15.167) şeklinde yazılan Poisson denklemini göz önüne alalım. Isı iletiminde, kararlı hale (steadystate)e ait denklem 2 T=Q/k şeklindedir. Burada; T, sıcaklık, Q, kaynak terimi olup birim hacımda birim zamanda üretilen ısı miktarı ve k, ısı iletkenlik katsayısıdır. Kaynak terimi bulunmadığında kararlı ısı iletim denklemi Laplace denklemine dönüşür. Burulma probleminde ise gerilme fonksiyonu adı verilen büyüklük 2 φ=2gω denklemini sağlar; gerilmeler ise τ zx = φ/ y, τ zy =- φ/ x bağıntılarından bulunur. Burulma probleminde basit bölgelerde φ değişkeni sınırlarda sıfırdır. İki boyutlu eliptik denklemlerin çözüm bölgesi daima kapalı bir C eğrisi ile sınırlıdır. Sınır şartları olarak, bilinmeyen fonksiyonun kendisi veya normal doğrultuda türevi veya kendisi ile normal doğrultudaki türevinin kombinasyonu verilebilir; kısaca Dirichlet, Neumann ve üçüncü tip (Robbin) sınır şartları altında. Eliptik denklemlerde, hiperbolik denklemlerden farklı olarak sınırın aynı bölgesinde iki şart birden verilemez. Burada göz önüne alınacak problem Dirichlet problemidir; yani fonksiyonun sınırda kendisinin verilmesi halidir.

2 Elastisite Sonlu farklar yöntemi ile Poisson denkleminin çözümü: (15.167) ile verilen Poisson denklemi ayrıklaştırıldığında u 2u u u 2u u ( x) ( y) i1, j ij, i1, j ij, 1 ij, ij, 1 2 2 f ij, (15.172) şeklinde sonlu farklar denklemi elde edilir. Bu fark denkleminde hata mertebesi O[(x) 2 ]+O[(y) 2 ]dir. x=y alındığında aşağıda verilen şekilde beş nokta arasında bağıntıyı veren denklem elde edilir. u u u u 4 u ( x) 2 f (15.173) i1, j i1, j i, j1 i, j1 i, j i, j Bu denkleme ait şablon şekil 15. 30 da verilmektedir. 1 1 4 1 N 2 y 1 1 x 0 1 2 M Şekil 15.30 Şekil 15.31 Poisson denkleminin, şekil 15.31 da görülen dikdörtgen bölgede Dirichlet şartları altında sayısal çözümünü inceleyelim. Dikdörtgen bölge üzerine çizilen ağın iki yöndeki aralıkları eşit olsun. Bölgenin sınırlarında, kare ile gösterilen noktalarda, bilinmeyen fonksiyonun değerleri bilinmektedir. Bölgenin köşelerindeki noktalar hesaplarda kullanılmayacağından şekilde işaretlenmemiştir. İleride görüleceği gibi başka tip şablon (dokuz noktalı şablon) kullanıldığında bu tip noktalardaki değerler kullanılabilir. Bu gibi durumlarda sınır şartlarının köşe noktalarındaki değerlerinde süreksizlikler var ise ortalama değer alınır. Şekil 15.31 de daire ile gösterilen noktalarda fonksiyonun değerleri hesaplanacaktır. x doğrultusunda M ve y doğrultusunda N aralık bulunduğunda bilinmeyen (daire ile gösterilen nokta) sayısı (M1).(N1) dir. (15.173) ile

Sonlu Farklar 3 verilen fark denkleminde u i,j ile gösterilen noktalar daire ile belirtilen noktalar üzerine uyguladığında bilinmeyen sayısı kadar denklem elde edilir. Örnek Problem 15.11: Laplace denkleminin 0x1, 0y0,75 bölgesinde x=y=0,25 alarak u(0,y)=u(x,0)=u(x,0,75)=0 ve u(1,y)=100 sınır şartları altında çözünüz. Çözüm: Ağ üzerindeki noktalar şekil 15.32 de görülmektedir. Noktalar tek indisle işaretlenmiş olup (15.173) fark denklemi, pivot nokta 1,2,3,4,5 ve 6 noktalarına gelecek şekilde yazıldığında elde edilen denklem takımı ve çözümünden elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. 00u u 4u 0 2 4 1 0u u u 4u 0 1 3 5 2 0u u 1004u 0 2 6 3 00u u 4u 0 5 1 4 0u u u 4u 0 6 2 4 5 0100u u 4u 0 3 5 6 4 1 0 1 0 0u1 0 1 4 1 0 1 0 u 2 0 0 1 4 0 0 1u 3 100 1 0 0 4 1 0u4 0 0 1 0 1 4 1u 5 0 0 0 1 0 1 4u 6 100 u 1 =4,7619 u 2 =14,2857 u 3 =38,0952 u 4 =4,7619 u 5 =14,2857 u 6 =38,0952

4 Elastisite Sonlu fark denkleminin çözümde kullanılan yöntemler: Sonlu fark denklemlerinde kullanılan yöntemler biharmonik denklemin ayrıklaştırılmış halinin çözümünde kullanılan yöntemlerin aynıdır. Aşağıda, hatırlatma bakımından aynı yöntemler tekrar edilmiş ve küçük değişiklikler belirtilmiştir. Dolaysız yöntemler: Bilinmeyen sayısı küçük ise Gauss eliminasyon yöntemi uygulanır. Bunun dışında; katsayılar matrisinin tekil matrise çok yakın olması durumunda küçük kalanların hataları göstermediği veya aynı denklem takımının farklı sağ taraf ile çok kez çözülmesi hallerinde dolaysız yöntemler uygulanır: Bant matris çözümü: Katsayılar matrisinin bant genişliği fazla değil ise üçlü blok bant matrisinin çözümüne ait yöntemler kullanılır. Büyük mertebeli bant matrisleri bellekte önemli yer işgal ettiğinden bunlar özel yöntemler ile bellekte saklanırlar. Bant matrisin bant genişliği fazla ise matrisin seyrek matris oluşu göz önüne alınarak bellekte saklanır. Ardışık yaklaşım yöntemleri: Katsayılar matrisinin bant genişliği fazla ise bandın içinde fazla miktarda sıfırlar bulunur ve bunlar Gauss eliminasyonda kaybolurlar. Bu sıfırları muhafaza etmek için en iyi yöntem ardışık yaklaşım yöntemidir. Ayrıca katsayılar matrisinin mertebesi büyük ise, örneğin 100 den fazla, ardışık yaklaşım yöntemi önerilir. İleride görüleceği gibi, ardışık yaklaşım, elektronik tablolarda düşük mertebeli matrisler için de uygun çözüm olmaktadır. Ardışık yaklaşım yöntemleri, (15.173) bağıntısı aşağıda verilen şekilde yazılarak uygulanır. u 1 [ ( ) 2 ] ij, ui 1, j ui 1, j uij, 1 uij, 1 x f ij, (15.178) 4 Ardışık yaklaşım yöntemi içinde en fazla kullanılan yöntemler Jacobi ve GaussSeidel yöntemleridir. Bu yöntemler hakkında Bölüm 4 de geniş olarak bilgi verildi. Poisson denkleminin çözümünde, GaussSeidel yöntemi ilk kez Liebmann tarafından kullanıldığında GaussSeidel yönteminin Poisson denkleminin çözümünde kullanılmasına Liebmann yöntemi adı da verilir.

Sonlu Farklar 5 Excel tablolarının kullanılması: Excel tablosunda, Poisson denkleminin çözümü için özel bir komut olmamakla birlikte Excel tablosunun dairesel döngü özelliği kullanılarak Poisson denklemi ardışık yaklaşım ile kolay bir şekilde çözülür. Tabloya kontrol altında tutabilmek için bilinmeyenler çok fazla olmamalıdır. Excel tablolarında bilinmeyenlerin çok fazla olmamasına karşın fark denklemleri çok kolay bir şekilde yazılır ve sonuçlar bir matris şeklinde elde edildiğinden yorumlanması da çok kolaydır. Excel tablolarının kullanımının esası, her ağ noktasına bir hücre karşı getirip bu hücrede aranan fonksiyonun değerini saklamaktır. Ardışık yaklaşımda aranan fonksiyonun değeri işlem sırasında bu hücrede değiştirilir. Hücrelerin dizilişi ağ noktalarının dizilişi ile aynıdır. Excel tablosunda önce her ağ noktasına karşı gelen hücreler belirlenir. Bu hücrelerden sınır üzerindeki noktalara karşı gelen hücrelerdeki değerler (Dirichlet şartlarında) bellidir ve yerlerine yazılır. İç noktalara karşı gelen hücrelere ise başlangıç değerleri, genelde sıfır, yazılır. Daha sonra iç noktalardan birine (15.178) bağıntısı formül olarak yazılır ve sonra bu formül bütün iç noktalara kopyalanır. Kopyalama işlemi bittikten sonra dairesel döngü çalışarak, hücrelerdeki değerleri ardışık yaklaşım ile hesaplayıp yerlerine yazar. Dairesel döngünün çalışabilmesi için Exel in, Araçlar, Seçenekler, Hesaplama menüsünde Yineleme düğmesine onay verilmiş olması gerekir. Ayrıca aynı menüde En büyük değişiklik kısmına yazılan sayı ile iki yinelenen değer arasında fark belirlenir; bu fark sağlanınca yineleme durur. Bu kısım ile istenilen hesap inceliği ayarlanır. Yine aynı menüde En fazla yineleme sayısı ile yineleme sayısına bir sınır konulur. Yineleme yeterli olmadığı takdirde, yineleme sayısı büyültülür veya F9 tuşuna basılarak tekrar aynı miktarda yineleme yaptırılır. Burada görüldüğü gibi denklemler formül olarak yazılmakta sonuçlar ise ilgili hücrelerde matrisi formunda elde edilmektedir.

6 Elastisite Örnek Problem 15.12: 2 u=0 denklemini 0x1; 0y0,80 bölgesinde x=y=0,20 alarak u(0,y)=u(x,0)= u(1,y)=0 ve u(x,0,80)=100 sınır şartları altında Excel tablosu ile çözünüz. Çözüm: x=y=0,20 olduğundan problemde kullanılacak ağ her satırda 6 nokta olmak üzere beş satırdan oluşacaktır. Bu ağ noktalarına karşı gelen hücreler şekil 15.34 de çift çizgi ile sınırlanan bölge içinde bulunmaktadır. İç noktalar ise tek çizgi ile sınırlanan bölge içinde bulunmaktadır. Fonksiyonun sınır noktalarındaki değerleri bilindiğinden bu değerler tabloda ilgili hücrelere yazılmıştır. Süreksizlik bulunan sınır noktalarında sınır değerlerinin ortalaması alınmıştır. Bu problemdeki süreksizlik noktaları hesaplarda kullanılmamasına karşın bu gibi durumlarda nasıl hareket edileceğini belirmek için tabloda gösterilmiştir. İç noktalarda ise fonksiyonun başlangıç değerleri yazılır. Tabloda bu değerler sıfır olarak yazılmıştır. İkinci etapta iç noktalardan birine örneğin C3 hücresine (15.178) bağıntısı (D3+B3+C2+C4)/4 şeklinde yazıldık

Sonlu Farklar 7 tan sonra bu formül bütün iç noktalara kopyalanınca dairesel döngü çalışarak şekil 15.35 de görülen sonuçlar elde edilir. Sonuçlar iki ondalık olarak görüntülenmiştir. (15.171) bağıntısı kullanılarak problemin kesin sonucu 4.100 1 sh( n y) uxt (, ) sin( n x) nshn (.0,8) n1,3,5 olarak bulunur. Bu seri çok hızlı yakınsar. Kesin değerler ve yüzde hatalar tablo 15.14 de verilmiştir. Simetriden dolayı tabloda x=0,60 ve x=0,80 değerleri verilmemiştir. Tablo 15.14 Kesin DeğerlerYüzde Hatalar x=0,2 x=0,4 x=0,2 x=0,4 y=0,6 45,16 59,84-0,005-0,02 y=0,4 20,63 31,31 0,024-0,01 y=0,2 8,32 13,15 0,031 0,003