proj159

background image

Opracował:

Piotr Zboralski

Grupa:

KBI 2

Semestr:

VII















Trzcianka 19.X.2007 r.

background image

1

Dla układu ramowego o zadanych przekrojach prętów obliczyć wartość obciążenia krytycznego i
narysować postać utraty stateczności.

Zadany układ:

Charakterystyki prętów:





m

kg

I 200

4

0,00334

8

10

2140

26.3

I 220

≈5.315

0.00395

8

10

3060

31.09

I 200

4

0,00334

8

10

2140

26.3

I 220

3,5

0.00395

8

10

3060

31.09

background image

2

Wyznaczenie wartości obciążenia krytycznego w ujęciu komputerowym sprowadza się do rozwiązania
ogólnego równania równowagi układu:

[ ]

[ ]

(

)

[ ] [ ]

P

q

K

K

G

=

+

λ

W zadaniu stateczności początkowej potrafimy uwzględnić jedynie działanie sił normalnych,
(pomijamy zginanie elementów układu), rozwiązujemy w zasadzie układ obciążony
wyłącznie siłami normalnymi, pochodzącymi od zadanego obciążenia. W takim wypadku, po
wyeliminowaniu działania sił zginających, otrzymujemy uproszczone równanie równowagi
układu:

[ ]

[ ]

(

)

[ ] [ ]

0

=

+

q

K

K

G

λ

Ponieważ macierz sztywności geometrycznej w wielu przypadkach jest osobliwa,
sprowadzając powyższe równanie do rozwiązania problemu własnego wykonujemy
następujące przekształcenia:

[ ]

[ ]

(

)

[ ] [ ]

[ ]

[ ] [ ] [ ]

0

1

1

0

=





=

+

q

K

K

q

K

K

G

G

λ

λ

λ

po podstawieniu:

=

λ

λ

1

otrzymuję:

[ ]

[ ]

(

)

[ ] [ ]

0

=

q

K

K

G

λ


Przyjęcie układu globalnego, układów lokalnych dla poszczególnych prętów oraz numeracja
przemieszczeń węzłowych.

a) układ globalny


background image

3

b) układy lokalne poszczególnych prętów:

Z tak przyjętych układów lokalnych wynika, że transformację macierzy sztywności i mas z układu
lokalnego do globalnego będziemy przeprowadzać dla pręta 2 i 4, odpowiednio o kąty ( 360 – 41 )

o

oraz

90

o

.

Dla prętów 1 i 3 układy lokalne pokrywają się z układem globalnym. W tak przyjętych układach
współrzędnych, pręt 1 to pręt z przegubem na lewym końcu, pręt nr 2 to pręt z przegubem na prawym
końcu pozostałe pręty zaś są obustronnie utwierdzone. Przy obliczaniu macierzy sztywności i mas
dokonam redukcji statycznej.

W układzie lokalnym

Numer przemieszczenia

1 2 3 4 5 6
8 9 10 4 5 7
4 5 6 11 12 13

W

u

k

ła

d

zi

e

g

lo

b

a

ln

ym

11 12 13 14 15 16

Zerowe przemieszczenia: q

2

, q

8

, q

9

, q

10

, q

14

, q

15

, q

16

Redukcja kątów obrotu: q

3

, q

7


2. Utworzenie macierzy sztywności prętów:

Wzory ogólne zamieszczone są na karcie projektowej.

a) pręt nr 1: pręt z przegubem na lewym końcu:


Macierz sztywności w układzie lokalnym:

background image

4

=

3290250

822562.5

-

0.

0.

822562.5

0.

822562.5

-

205640.63

0.

0.

205640.63

-

0.

0.

0.

08

+

1.712D

0.

0.

08

+

1.712D

-

0.

0.

0.

0.

0.

0.

822562.5

205640.63

-

0.

0.

205640.63

0.

0.

0.

08

+

1.712D

-

0.

0.

08

+

1.712D

1

LOK

K

Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

0

=

α


Macierz transformacji:

=

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

T


Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

3290250.

822562.5

-

0.

0.

822562.5

0.

822562.5

-

205640.63

0.

0.

205640.63

-

0.

0.

0.

08

+

1.712D

0.

0.

08

+

1.712D

-

0.

0.

0.

0.

0.

0.

822562.5

205640.63

-

0.

0.

205640.63

0.

0.

0.

08

+

1.712D

-

0.

0.

08

+

1.712D

1

GLOB

K


b) pręt nr 2: pręt z przegubem na prawym końcu:

Macierz sztywności w układzie lokalnym:

+

=

0.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

125333.99

0.

666159.29

-

125333.99

-

0.

0.

0.

08

1.523D

0.

0.

08

+

1.523D

-

0.

666159.29

-

0.

3540685.2

666159.29

0.

0.

125333.99

-

0.

666159.29

125333.99

0.

0.

0.

08

+

1.523D

-

0.

0.

08

+

1.523D

2

LOK

K


Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

319

α

background image

5


Macierz transformacji:

=

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

752767

.

0

6585046

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

6585046

.

0

7525767

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

1

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

752767

.

0

6585046

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

6585046

.

0

7525767

.

0

2

T



Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

0.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

66134149.

75438646.

-

501335.96

-

66134149.

-

75438646.

0.

75438646.

-

86340929.

438668.96

-

75438646.

86340929.

-

0.

501335.96

-

438668.96

-

3540685.2

501335.96

438668.96

0.

66134149.

-

75438646.

501335.96

66134149.

75438646.

-

0.

75438646.

86340929.

-

438668.96

75438646.

-

86340929.

2

GLOB

K

c) pręt nr 3: pręt obustronnie utwierdzony:

Macierz sztywności w układzie lokalnym:

=

4387000.

1645125.

-

0.

2193500.

1645125.

0.

1645125.

-

822562.5

0.

1645125.

-

822562.5

-

0.

0.

0.

08

+

1.712D

0.

0.

08

+

1.712D

-

2193500.

1645125.

-

0.

4387000.

1645125.

0.

1645125.

822562.5

-

0.

1645125.

822562.5

0.

0.

0.

08

+

1.712D

-

0.

0.

08

+

1.712D

3

LOK

K

Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

0

α


Macierz transformacji:

=

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

3

T

background image

6

Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

4387000.

1645125.

-

0.

2193500.

1645125.

0.

1645125.

-

822562.5

0.

1645125.

-

822562.5

-

0.

0.

0.

08

+

1.712D

0.

0.

08

+

1.712D

-

2193500.

1645125.

-

0.

4387000.

1645125.

0.

1645125.

822562.5

-

0.

1645125.

822562.5

0.

0.

0.

08

+

1.712D

-

0.

0.

08

+

1.712D

3

GLOB

K

d) pręt nr 4: pręt obustronnie utwierdzony:

Macierz sztywności w układzie lokalnym:

=

7169142.9

3072489.8

-

0.

3584571.4

3072489.8

0.

3072489.8

-

1755708.5

0.

3072489.8

-

1755708.5

-

0.

0.

0.

08

+

2.314D

0.

0.

08

+

2.314D

-

3584571.4

3072489.8

-

0.

7169142.9

3072489.8

0.

3072489.8

1755708.5

-

0.

3072489.8

1755708.5

0.

0.

0.

08

+

2.314D

-

0.

0.

08

+

2.314D

3

LOK

K


Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

90

α


Macierz transformacji:

=

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

3

T

Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

7169142.9

10

-

1.881D

-

3072489.8

3584571.4

10

-

1.881D

3072489.8

-

10

-

1.881D

-

08

+

2.314D

08

-

1.406D

10

-

1.881D

-

08

+

2.314D

-

08

-

1.406D

-

3072489.8

08

-

1.406D

1755708.5

3072489.8

08

-

1.406D

-

1755708.5

-

3584571.4

10

-

1.881D

-

3072489.8

7169142.9

10

-

1.881D

3072489.8

-

10

-

1.881D

08

+

2.314D

-

08

-

1.406D

-

10

-

1.881D

08

+

2.314D

08

-

1.406D

3072489.8

-

08

-

1.406D

-

1755708.5

-

3072489.8

-

08

-

1.406D

1755708.5

3

GLOB

K


background image


Agregację macierzy sztywności wykonałem zgodnie z tabelą alokacji (powiązań).

Macierz sztywności po agregacji:

=

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

143

,

11556

125

,

1645

4898

,

3072

0

0

0

0

5

,

2193

125

,

1645

0

0

0

0

0

0

0

125

,

1645

71

,

232179

0

0

0

0

0

125

,

1645

5625

,

822

0

0

0

0

0

0

0

4898

,

3072

0

71

,

172930

0

0

0

0

0

0

171175

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

5

,

2193

125

,

1645

0

0

0

0

0

25

,

7677

5625

,

822

0

0

0

0

0

0

0

125

,

1645

5625

,

822

0

0

0

0

0

5625

,

822

352

,

67162

646

,

75438

0

0

0

0

0

0

0

0

171175

0

0

0

0

0

646

,

75438

93

,

428690

0

0

171175

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

171175

0

0

171175

K




background image

Po wykonaniu agregacji macierzy możemy uwzględnić warunki podparcia,
a następnie wykreślić z macierzy sztywności i sztywności geometrycznej wiersze i kolumny
odpowiadające powyższym przemieszczeniom. Ostatecznie uzyskamy macierze o wymiarach
7 × 7:

Macierz sztywności po uwzględnieniu warunków podparcia i redukcji:

=

143

,

11556

125

,

1645

4898

,

3072

5

,

2193

125

,

1645

0

0

125

,

1645

71

,

232179

0

125

,

1645

5625

,

822

0

0

4898

,

3072

0

71

,

172930

0

0

171175

0

5

,

2193

125

,

1645

0

25

,

7677

5625

,

822

0

0

125

,

1645

5625

,

822

0

5625

,

822

352

,

67162

646

,

75438

0

0

0

171175

0

646

,

75438

93

,

428690

171175

0

0

0

0

0

171175

171175

K


Utworzenie macierzy sztywności geometrycznej prętów:

Wzory ogólne:

Pręt obustronnie utwierdzony:

[ ]

=

2

2

2

2

)

(

4

3

0

3

0

3

36

0

3

36

0

0

0

0

0

0

0

3

0

4

3

0

3

36

0

3

36

0

0

0

0

0

0

0

30

~

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

L

N

K

e

G

Pręt z przegubem na lewym końcu:

[ ]

=

2

)

(

6

6

0

0

6

0

6

36

0

0

36

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

6

36

0

0

36

0

0

0

0

0

0

0

30

~

l

l

l

l

l

L

N

K

e

G







background image

1

Pręt z przegubem na prawym końcu:

[ ]

=

0

0

0

0

0

0

0

36

0

6

36

0

0

0

0

0

0

0

0

6

0

6

6

0

0

36

0

6

36

0

0

0

0

0

0

0

30

~

2

)

(

l

l

l

l

l

L

N

K

e

G


Do wyznaczenia macierzy sztywności geometrycznej potrzebny będzie nam rozkład sił
normalnych w poszczególnych prętach ramy. Rozkład ten uzyskano rozwiązując ramę w
programie RM-Win.

1

2

3

4

-15,683

-15,683

-15,683

-15,683

-12,527

-12,527

-12,527

-12,527

-56,829

-56,829

-56,829

-56,829

Zestawienie obliczonych wartości sił normalnych:

[ ] [ ]

N

kN

N

0

0

1

=

=

[ ]

[ ]

N

kN

N

15683

683

,

15

2

=

=

[ ]

[ ]

N

kN

N

12527

527

,

12

3

=

=

[ ]

[ ]

N

kN

N

56829

829

,

56

4

=

=


Po podstawieniu uzyskanych wartości sił normalnych oraz danych geometrycznych
otrzymamy macierze sztywności geometrycznej dla poszczególnych prętów.


background image

2

e) pręt nr 1: pręt z przegubem na lewym końcu:


Macierz sztywności w układzie lokalnym:

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

LOK

G

K

Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

0

=

α


Macierz transformacji:

=

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

T


Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

GLOB

G

K

f) pręt nr 2: pręt z przegubem na prawym końcu:

Macierz sztywności w układzie lokalnym:

=

0

0

0

0

0

0

0

5408

,

3

0

1366

,

3

5408

,

3

0

0

0

0

0

0

0

0

1366

,

3

0

6713

,

16

1366

,

3

0

0

5408

,

3

0

1366

,

3

5408

,

3

0

0

0

0

0

0

0

LOK2

G

K

background image

3


Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

319

α

Macierz transformacji:

=

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

752767

.

0

6585046

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

6585046

.

0

7525767

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

1

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

752767

.

0

6585046

.

0

.

0

.

0

.

0

.

0

6585046

.

0

7525767

.

0

2

T



Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

0

0

0

0

0

0

0

0054

,

2

7547

,

1

3605

,

2

0054

,

2

7547

,

1

0

7547

,

1

5354

,

1

0655

,

2

7547

,

1

354

,

1

0

3605

,

2

0655

,

2

6713

,

16

3605

,

2

0655

,

2

0

0054

,

2

7547

,

1

3605

,

2

0054

,

2

7547

,

1

0

7547

,

1

5354

,

1

0655

,

2

7547

,

1

5354

,

1

GLOB2

G

K

g) pręt nr 3: pręt obustronnie utwierdzony:

Macierz sztywności w układzie lokalnym:

=

6,6811

-

1,2527

0

1,6703

1,2527

-

0

1,2527

3,7581

-

0

1,2527

3,7581

0

0

0

0

0

0

0

1,6703

1,2527

0

6,6811

-

1,2527

-

0

1,2527

-

3,7581

0

1,2527

-

3,7581

-

0

0

0

0

0

0

0

3

LOK

G

K


Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

0

α









background image

4

Macierz transformacji:

=

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

3

T

background image

5

Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

6,6811

-

1,2527

0

1,6703

1,2527

-

0

1,2527

3,7581

-

0

1,2527

3,7581

0

0

0

0

0

0

0

1,6703

1,2527

0

6,6811

-

1,2527

-

0

1,2527

-

3,7581

0

1,2527

-

3,7581

-

0

0

0

0

0

0

0

3

GLOB

G

K

h) pręt nr 4: pręt obustronnie utwierdzony:

Macierz sztywności w układzie lokalnym:

=

5202

,

26

6829

,

5

0

6301

,

6

6829

,

5

0

6829

,

5

4842

,

19

0

6829

,

5

4842

,

19

0

0

0

0

0

0

0

6301

,

6

6829

,

5

0

5202

,

26

6829

,

5

0

6829

,

5

4842

,

19

0

6829

,

5

4842

,

19

0

0

0

0

0

0

0

3

LOK

G

K


Kąt wiążący układ lokalny z globalnym:

o

90

=

α


Macierz transformacji:

=

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

3

T

Macierz sztywności w układzie globalnym (po wykonaniu transformacji):

T

K

T

K

T

=

=

26,5202

-

0

5,6829

-

6,6301

0

5,6829

0

0

0

0

0

0

5,6829

-

0

19,4842

-

5,6829

-

0

19,4842

6,6301

0

5,6829

-

26,5202

-

0

5,6829

0

0

0

0

0

0

5,6829

0

19,4842

5,6829

0

19,4842

-

4

GLOB

G

K

background image

Agregację macierzy sztywności geometrycznej wykonałem zgodnie z tabelą alokacji (powiązań).

Macierz sztywności geometrycznej po agregacji:

=

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

2013

,

33

2527

,

1

6829

,

5

0

0

0

0

6703

,

1

2527

,

1

0

0

0

0

0

0

0

2527

,

1

7581

,

3

0

0

0

0

0

2527

,

1

7581

,

3

0

0

0

0

0

0

0

6829

,

5

0

4842

,

19

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

6703

,

1

2527

,

1

0

0

0

0

0

6811

,

6

2527

,

1

0

0

0

0

0

0

0

2527

,

1

7581

,

3

0

0

0

0

0

2527

,

1

7635

,

5

7547

,

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

7547

,

1

5354

,

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

G

K

background image

Po wykonaniu agregacji macierzy możemy uwzględnić warunki podparcia, a następnie
wykreślić z macierzy sztywności i sztywności geometrycznej wiersze i kolumny
odpowiadające powyższym przemieszczeniom. Ostatecznie uzyskamy macierze o wymiarach
7 × 7:

=

2013

,

33

2527

,

1

6829

,

5

6703

,

1

2527

,

1

0

0

2527

,

1

7581

,

3

0

2527

,

1

7581

,

3

0

0

6829

,

5

0

4842

,

19

0

0

0

0

6703

,

1

2527

,

1

0

6811

,

6

2527

,

1

0

0

2527

,

1

7581

,

3

0

2527

,

1

7635

,

5

7547

,

1

0

0

0

0

0

7547

,

1

5354

,

1

0

0

0

0

0

0

0

0

G

K

Mając wyznaczone macierze: sztywności i sztywności geometrycznej możemy korzystając z
programu upw obliczyć wartości oraz wektory własne:

Podstawiając globalną macierz sztywności

[ ]

K

i sztywności geometrycznej

[ ]

G

K

do równania

[ ]

[ ]

(

)

[ ] [ ]

0

=

+

q

K

K

G

λ

otrzymałem:

1

7

2

6

3

5

4

4

5

3

14

2

10

1

10

103613

,

0

10

324712

,

0

10

806652

,

0

10

94709

,

0

10

990344

,

0

10

595940

,

0

10

0

,

0

=

=

=

=

=

=

=

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ


O wartości obciążenia krytycznego decyduje najmniejszy współczynnik λ, zatem
musimy znaleźć możliwie największą wartość λ. W tym przypadku będzie to:

1

7

10

103613

,

0

=

λ

dla której mnożnik obciążenia krytycznego λ osiągnie najmniejszą wartość:

5129858

,

96

0103613

,

0

1

1

=

=

=

kr

kr

kr

λ

λ

λ

λ

Odpowiadający 7 wartości własnej, wektor własny:

background image

1

[ ]

=

00

+

0,125001E

02

-

0,187705E

00

+

0,884626E

00

+

0,141223E

-

01

+

0,100000E

00

+

,882138E

0

00

+

0,882138E

07

q


Postać utraty stateczności:

W celu narysowania postaci utraty stateczności układu posłużyłem się funkcjami kształtu
(zamieszczone na karcie tematycznej projektu).
Do opisu przemieszczeń na długości pręta posłużyłem się następującymi funkcjami
przemieszczeń:

( )

( )

( )

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

6

6

5

5

3

3

2

2

4

4

1

1

x

N

q

x

N

q

x

N

q

x

N

q

x

v

x

N

q

x

N

q

x

u

+

+

+

=

+

=

Przemieszczenia w lokalnym układzie współrzędnych dla wybranych punktów są
następujące:

-

pręt nr 1:

0.882138

0.

0.882138

0.3502296

0.882138

0.6629019

0.882138

0.9004593

0.882138

1.0253444

0.882138

1.

-

pręt nr 2:

0.

0.

0.0010744

0.0746742

0.0021488

0.2773615

0.0032231

0.5760584

0.0042975

0.9387619

0.0053719

1.3334686







background image

2

-

pręt nr 3:

0.882138

1.

0.8826356

0.8078889

0.8831332

0.5193159

0.8836308

0.2269861

0.8841284

0.0236048

0.884626

0.0018770

-

pręt nr 4:

0.0018770

- 0.884626

0.0015016

- 0.7366244

0.0011262

- 0.5102371

0.0007508

- 0.2693880

0.0003754

- 0.0780010

0.

0.






Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
proj151
proj156 id 397568 Nieznany
proj155
proj150
proj158 id 397570 Nieznany
proj157 id 397569 Nieznany
proj154 id 397567 Nieznany
proj153
proj152
proj151
proj153

więcej podobnych podstron