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片持ち梁-2次曲線状に変化する分布荷重
片持ち梁のたわみ:FEM(オイラー・ベルヌーイ梁要素) vs 厳密解
ガウス求積の評価点の個数 \(\,n\)、位置 \(\xi_i\) そして重み \(w_i\)につきましては、https://pomax.github.io/bezierinfo/legendre-gauss.html から引用しています。
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# 片持ち梁のたわみ(2次曲線状に変化する分布荷重):FEM vs 厳密解
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# 厳密解(xは自由端Aから測った距離):
# w = -(p0 l^4/360EI){(x/l)^6 - 6(x/l)^5 + 24(x/l) - 19}
# w_max = (19 p0 l^4)/(360EI) [x=0, 自由端]
# θ = (p0 l^3/60EI){(x/l)^5 - 5(x/l)^4 + 4}
# θ_A = (p0 l^3)/(15EI)
#
# s : FEM座標(固定端起点、s=0で固定端、s=lで自由端)
# x : 厳密解の座標(自由端起点、x = l - s)
#
# これまでと同様、荷重をxの関数として素直に定義し、
# ガウス求積による等価節点荷重の計算にそのまま渡す。
# 厳密解が6次式になるため、要素内部にはわずかな誤差が生じる
# (節点上では、これまでと同様に厳密解と一致する)。
library(ggplot2)
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# 1. 梁の諸元と荷重の設定
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l <- 2.0
p0 <- 600 # x=lでの荷重強さ(自由端ではゼロ)[N/m]
E <- 210e9
I <- 4.1667e-6
EI <- E * I
# 分布荷重をxの関数として定義(自由端起点)
q_of_x <- function(x) p0 * (x / l) * (2 - x / l)
q_dist <- function(s) q_of_x(l - s) # FEM座標s(固定端起点)の関数に変換
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# 2. 形状関数と要素剛性行列
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shape_N <- function(xi, Le) {
N1 <- 1 - 3 * xi^2 + 2 * xi^3
N2 <- Le * (xi - 2 * xi^2 + xi^3)
N3 <- 3 * xi^2 - 2 * xi^3
N4 <- Le * (-xi^2 + xi^3)
c(N1, N2, N3, N4)
}
beam_element_k <- function(Le) {
(EI / Le^3) * matrix(c(
12, 6 * Le, -12, 6 * Le,
6 * Le, 4 * Le^2, -6 * Le, 2 * Le^2,
-12, -6 * Le, 12, -6 * Le,
6 * Le, 2 * Le^2, -6 * Le, 4 * Le^2
), nrow = 4, byrow = TRUE)
}
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# 3. 等価節点荷重をガウス求積で数値的に計算する(6点ガウス求積)
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gauss_pts <- c(
-0.9324695142031521, -0.6612093864662645, -0.2386191860831969,
0.2386191860831969, 0.6612093864662645, 0.9324695142031521
)
gauss_wts <- c(
0.1713244923791704, 0.3607615730481386, 0.4679139345726910,
0.4679139345726910, 0.3607615730481386, 0.1713244923791704
)
beam_element_f <- function(s0, Le) {
f_e <- numeric(4)
for (k in seq_along(gauss_pts)) {
xi <- (gauss_pts[k] + 1) / 2
jac <- Le / 2
s <- s0 + xi * Le
q <- q_dist(s)
f_e <- f_e + shape_N(xi, Le) * q * jac * gauss_wts[k]
}
f_e
}
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# 4. メッシュ生成と全体行列への組み込み
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n_elem <- 10L
Le <- l / n_elem
n_node <- n_elem + 1L
n_dof <- 2L * n_node
K <- matrix(0, n_dof, n_dof)
F <- numeric(n_dof)
K_e <- beam_element_k(Le)
for (e in seq_len(n_elem)) {
s0 <- (e - 1) * Le
f_e <- beam_element_f(s0, Le)
dofs <- c(2 * e - 1, 2 * e, 2 * e + 1, 2 * e + 2)
K[dofs, dofs] <- K[dofs, dofs] + K_e
F[dofs] <- F[dofs] + f_e
}
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# 5. 境界条件(固定端: w=0, θ=0)
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fixed_dofs <- c(1, 2)
free_dofs <- setdiff(seq_len(n_dof), fixed_dofs)
u <- numeric(n_dof)
u[free_dofs] <- solve(K[free_dofs, free_dofs], F[free_dofs])
w_fem <- u[seq(1, n_dof, by = 2)]
th_fem <- u[seq(2, n_dof, by = 2)]
s_nodes <- seq(0, l, length.out = n_node)
x_nodes <- l - s_nodes
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# 6. 厳密解との比較
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w_exact_fn <- function(x) {
xl <- x / l
-(p0 * l^4) / (360 * EI) * (xl^6 - 6 * xl^5 + 24 * xl - 19)
}
comparison <- data.frame(
自由端起点_x_m = round(x_nodes, 3),
FEM近似解_mm = round(w_fem * 1000, 8),
厳密解_mm = round(w_exact_fn(x_nodes) * 1000, 8),
差_mm = w_fem * 1000 - w_exact_fn(x_nodes) * 1000
)
print(comparison)
cat("\n自由端でのたわみ量:\n")
cat(" FEM近似解:", w_fem[n_node] * 1000, "mm\n")
cat(" 厳密解 :", (19 * p0 * l^4) / (360 * EI) * 1000, "mm\n")
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# 7. 可視化
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hermite_w <- function(xi, Le, w1, th1, w2, th2) {
N1 <- 1 - 3 * xi^2 + 2 * xi^3
N2 <- Le * (xi - 2 * xi^2 + xi^3)
N3 <- 3 * xi^2 - 2 * xi^3
N4 <- Le * (-xi^2 + xi^3)
N1 * w1 + N2 * th1 + N3 * w2 + N4 * th2
}
fem_curve <- do.call(rbind, lapply(seq_len(n_elem), function(e) {
xi_seq <- seq(0, 1, length.out = 20)
w1v <- w_fem[e]
th1v <- th_fem[e]
w2v <- w_fem[e + 1]
th2v <- th_fem[e + 1]
s_local <- s_nodes[e] + xi_seq * Le
data.frame(x = l - s_local, w_mm = hermite_w(xi_seq, Le, w1v, th1v, w2v, th2v) * 1000)
}))
x_fine <- seq(0, l, length.out = 300)
exact_curve <- data.frame(x = x_fine, w_mm = w_exact_fn(x_fine) * 1000)
p1 <- ggplot() +
geom_line(data = exact_curve, aes(x = x, y = w_mm, color = "厳密解"), linewidth = 1.2) +
geom_line(
data = fem_curve, aes(x = x, y = w_mm, color = "FEM(要素内補間)"),
linetype = "dashed", linewidth = 0.8
) +
geom_point(
data = data.frame(x = x_nodes, w_mm = w_fem * 1000),
aes(x = x, y = w_mm, color = "FEM(節点)"), size = 2
) +
scale_color_manual(values = c(
"厳密解" = "gray40", "FEM(要素内補間)" = "steelblue",
"FEM(節点)" = "firebrick"
), name = "") +
labs(
title = "2次曲線状の分布荷重を受ける片持ち梁:FEM vs 厳密解",
subtitle = paste0("要素数 = ", n_elem, "(節点では一致、要素内部にわずかな差)"),
x = "自由端からの距離 x [m]", y = "たわみ量 w [mm]"
) +
theme_minimal(base_size = 12)
print(p1) 自由端起点_x_m FEM近似解_mm 厳密解_mm 差_mm
1 2.0 0.00000000 0.00000000 0.000000e+00
2 1.8 0.01254082 0.01254082 -2.853620e-15
3 1.6 0.04583387 0.04583387 -1.112999e-14
4 1.4 0.09419417 0.09419417 -2.486900e-14
5 1.2 0.15298633 0.15298633 -4.093947e-14
6 1.0 0.21856968 0.21856968 -5.681566e-14
7 0.8 0.28822151 0.28822151 -7.238654e-14
8 0.6 0.36003829 0.36003829 -8.792966e-14
9 0.4 0.43281501 0.43281501 -1.040279e-13
10 0.2 0.50590251 0.50590251 -1.206812e-13
11 0.0 0.57904299 0.57904299 -1.375566e-13
自由端でのたわみ量:
FEM近似解: 0.579043 mm
厳密解 : 0.579043 mm- 荷重 \(p=p_0(x/l)(2-x/l)\) は、自由端Aでゼロ、固定端Bで最大 \(p_0\) となる、放物線状(上に凸)に変化する分布荷重です。
- 節点でのたわみは厳密解と一致し、要素内部の誤差は最大でも0.05μm程度(固定端側で大きく、自由端側で小さい)というごく小さいものでした。
厳密解の公式
- 出典 : 「構造力学公式集 昭和61年版」(土木学会)
荷重・反力・せん断力
\[\begin{eqnarray}p &=& p_0\frac{x}{l}\left(2-\frac{x}{l}\right)\\R_B &=& \frac{2p_0l}{3}\\M_B &=& -\frac{p_0l^2}{4}\\Q &=& \frac{p_0l}{3}\left\{\left(\frac{x}{l}\right)^3-3\left(\frac{x}{l}\right)^2\right\}\end{eqnarray}\]
曲げモーメント
\[\begin{eqnarray}
M &=& \frac{p_0l^2}{12}\left\{\left(\frac{x}{l}\right)^4-4\left(\frac{x}{l}\right)^3\right\}\\
M_{\max} &=& -\frac{p_0l^2}{4}, \quad [x=l]
\end{eqnarray}\]
たわみ
\[\begin{eqnarray}
w &=& -\frac{p_0l^4}{360EI}\left\{\left(\frac{x}{l}\right)^6-6\left(\frac{x}{l}\right)^5+24\left(\frac{x}{l}\right)-19\right\}\\
w_{\max} &=& \frac{19p_0l^4}{360EI}, \quad [x=0]
\end{eqnarray}\]
たわみ角
\[\begin{eqnarray}
\theta &=& \frac{p_0l^3}{60EI}\left\{\left(\frac{x}{l}\right)^5-5\left(\frac{x}{l}\right)^4+4\right\}\\
\theta_A &=& \frac{p_0l^3}{15EI}
\end{eqnarray}\]
以上です。


