MES materialy dla studentow

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH (MES)

ELEMENT KRATOWY

Funkcja aproksymująca przemieszczenie osiowe:

Z warunków brzegowych:

otrzymamy:

Definiujemy następujące wektory:

gdzie: - funkcje kształtu

- wektor przemieszczeń węzłowych (stopnie swobody)

- wektor sił węzłowych

Funkcjonał Lagrange’a dla ogólnego zadania 3D

sprowadza się dla naszego zadania do postaci (1 wykład):

Stosując twierdzenie o minimum całkowitej energii potencjalnej (wariacja ma się zerować) otrzymamy:

co w zapisie macierzowym zapiszemy:

gdzie przyjęto następujące oznaczenia:

.

Dzieląc powyższe równanie przez otrzymamy:

Dalej definiując:

- macierz sztywności

- wektor obciążeń węzłowych pochodzących od obciążeń rozłożonych otrzymamy: równanie macierzowe MES dla pojedynczego elementu skończonego:

W równaniu tym, obliczając:

otrzymamy:

.

Stąd ostateczna postać równania macierzowego MES dla pojedynczego elementu skończonego:

.

W równaniu tym przyjęto:

Globalne równanie macierzowe MES (dla całej konstrukcji) ma postać:

Gdzie:

.

Przykład

Macierze sztywności dla poszczególnych elementów skończonych:

Globalna macierz sztywności

Obciążenia węzłowe pochodzące od obciążeń rozłożonych

Dla poszczególnych elementów skończonych

Dla całej konstrukcji

Obciążenia węzłowe (skupione)

Równanie MES dla przykładu ma postać:

Uwzględniając warunki brzegowe oraz, że otrzymamy poszukiwane przemieszczenia węzłowe:

Układ globalny

Zależność pomiędzy przemieszczeniami w układzie lokalnym (x,y) i globalny (X,Y) dla pojedynczego węzła:

.

Przyjmując oznaczenia zależność pomiędzy przemieszczeniami w obu układach dla elementu skończonego zapiszemy w postaci macierzowej:

lub w formie zwartej:

[T] – macierz transformacji.

Analogiczną zależność otrzymamy pomiędzy siłami w układzie lokalnym i globalnym:

Dla elementu prętowego oczywiście w układzie lokalnym: i .

W celu zapewnienia zgodności wymiarów macierzy – rozszerzymy równanie macierzowe MES dla elementu prętowego do następującej postaci:

lub w formie zwartej

Podstawiając do tego wzoru odpowiednie równania na transformację przemieszczeń i sił, kolejno otrzymamy:

ponieważ to:

.

Przyjmując oznaczenie na globalną macierz sztywności: otrzymamy równanie macierzowe MES (w globalnym układzie współrzędnych)

Przykład

Macierz sztywności dla elementów skończonych w lokalnym układzie współrzędnych:

forma rozszerzona:

Macierz transformacji jest określona wzorem:

gdzie: dla elementu 1 i stąd:

dla elementu 2 i stąd:

Globalne macierze sztywności dla elementów skończonych obliczymy ze wzorów:

Lokalna macierz sztywności dla pręta 3

Globalną macierz sztywności dla i-tego pręta można obliczać bezpośrednio ze wzoru

Dla pręta 3 :

Równanie macierzowe MES dla całego układu:

Skąd możemy wyznaczyć poszukiwane przemieszczenia

Podstawiając wyznaczone przemieszczenia do równania macierzowego MES możemy wyznaczyć reakcje w węzłach podpór:

Dalej obliczamy siły węzłowe ze wzoru:

Przemieszczenia dla całej konstrukcji w układzie globalnym wynoszą:

Obliczymy przykładowo siły węzłowe w pręcie 3.

Przemieszczenia w układzie globalnym dla tego pręta wynoszą:

Przemieszczenia w układzie lokalnym:

Siły węzłowe:

// Zastosowanie Scilab do obliczenia kratownicy z wykładu

// Programik piszemy w Scilab text editor (lewa pierwsza ikonka)

//uruchamiamy w menu Execute

//Definicja stałych

E=1;

A=1;

L=1;

//Lokalna macierz sztywności dla elementów 1 i 2

// (taka sama dla obydwu elementów)

K1=E*A/L*[1 -1;-1 1]

K2=K1

//Globalne macierze sztywności dla elementów

//Element 1

alfa=%pi/4 //kąty podajemy w radianach

c=cos(alfa)

s=sin(alfa)

K1g=E*A/L*[c^2 c*s -c^2 -c*s; c*s s^2 -c*s -s^2;

-c^2 -c*s c^2 c*s; -c*s -s^2 c*s s^2]

//Element 2

alfa=3*%pi/4

c=cos(alfa)

s=sin(alfa)

K2g=E*A/L*[c^2 c*s -c^2 -c*s; c*s s^2 -c*s -s^2;

-c^2 -c*s c^2 c*s; -c*s -s^2 c*s s^2]

//Element 3

//Lokalna macierz sztywnosci

E=2;

A=2;

L=sqrt(2);

K3=E*A/L*[1 -1;-1 1]

//Globalna macierz sztywności

alfa=%pi/2

c=cos(alfa)

s=sin(alfa)

K3g=E*A/L*[c^2 c*s -c^2 -c*s; c*s s^2 -c*s -s^2;

-c^2 -c*s c^2 c*s; -c*s -s^2 c*s s^2]

//Globalna macierz sztywności dla całego układu

poz1=[1 2 3 4]

poz2=[3 4 5 6]

poz3=[1 2 5 6]

KG=zeros(6,6) //utworzenie pustej macierzy o rozmiarze liczba stopni swobody x liczba stopni swobody

KG(poz1,poz1)=KG(poz1,poz1)+K1g //wprowadzenie macierzy K1g do macierzy KG

KG(poz2,poz2)=KG(poz2,poz2)+K2g //wprowadzenie macierzy K2g do macierzy KG

KG(poz3,poz3)=KG(poz3,poz3)+K3g //wprowadzenie macierzy K3g do macierzy KG

// Utworzenie wektora obciążeń zewnętrznych w globalnym układzie współrzędnych

P1=1;

P2=1;

Q=[0 0 P1 P2 0 0]'

//Uwzględnienie warunków brzegowych

m=[2 3 4]; // wektor zawiera nr wierszy, które pozostają po uwzględnieniu warunków brzegowych

KG_bc=KG(m,m) //macierz sztywności po uwzględnieniu warunków brzegowych

Q_bc=Q(m) //wektor obciążeń zewnętrzynych po uwzględnieniu warunków brzegowych

//Wyznaczamy poszukiwane przemieszczenia (rozwiązujemy układ równań)

u=inv(KG_bc)*Q_bc

//Obliczenie reakcji

poz_r=[1 5 6]

reakcje=KG(poz_r,m)*u

//Siły węzłowe

//Tworzymy globalny wektor przemieszczeń

ug=zeros(6,1)

ug(m)=u

//Przemieszczenia dla pręta 3 w lokalnym układzie

u3g=ug(poz3)

alfa=%pi/2

c=cos(alfa)

s=sin(alfa)

T=[c s 0 0; 0 0 c s]

u3=T*u3g

Q3=K3*u3

ELEMENT BELKOWY

Funkcja aproksymująca ugięcie:

Z warunków brzegowych

zapisanych w postaci macierzowej:

wyznaczymy poszukiwane parametry ci:

i dalej otrzymamy:

Jeśli wyrażenia w nawiasach klamrowych kolejno oznaczymy przez: (funkcje kształtu) – to wzór powyższe przyjmie postać:

.

Wektory przemieszczeń węzłowych (stopnie swobody) i sił węzłowych:

Jeśli przyjmiemy, że oraz to funkcjonał Lagrange’a przyjmie postać:

Twierdzenie o minimum całkowitej energii potencjalnej:

Przyjmiemy oznaczenia:

Stąd wariacja funkcjonału Lagrange’a przyjmie postać:

którą dalej przekształcimy:

.

Przyjmując oznaczenia:

- macierz sztywności

- wektor obciążeń węzłowych pochodzących od obciążeń rozłożonych

otrzymamy równanie macierzowe MES (dla elementu skończonego)

W równaniu tym obliczymy:

- macierz sztywności:

- wektor obciążeń węzłowych pochodzących od obciążeń rozłożonych dla schematu:

Przykład

Macierze sztywności dla elementów skończonych:

Równanie macierzowe MES

Poszukiwane przemieszczenia:

ELEMENT RAMOWY

Równanie macierzowe MES

gdzie:

Układ globalny

Przykład

Wyznaczyć przemieszczenia i siły węzłowe dla ramy

Element 1:

Element 2 i 3:

Lokalna macierz sztywności:

dla elementu 2: i=3 ; j=1

dla elementu 3: i=4; j=2

Macierz transformacji -

Globalna macierz sztywności:

Obciążenia:

Macierzowe równanie MES dla całego układu:

Poszukiwane przemieszczenia:

Siły w węzłach obliczymy ze wzorów:

gdzie:

Dla naszego przykładu będziemy mieli:

Macierz stopni swobody:

Element 1:

Element 2:


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Materiały dla studentów ENDOKRYNOLOGIA
materiały dla studentów 8
Socjalizm utopijny, Materiały dla studentów WSB DG
Test z Monitoringu Biologicznego, Materiały dla studentów, ochrona srodowiska
materialy dla studentow polisac Nieznany
Materiały dla studentów Studiów Podyplomowych, Edukacja wczesnoszkolna, edukacja wczesnoszkolna, na
RYTMY BIOLOGICZNE, MATERIAŁY dla STUDENTÓW, 500 PRAC (pedagogika, psychologia, socjologia, filozofia
Materiały dla studentów 5, PeDaGoGiKaa
c.d. materiałów dla studentów- komunikacja werbalna i asertywność, Pedagogika w zakresie edukacji do
technologia drążenia wyrobisk korytarzowych materiały dla studentów
Hydrologia sciągaaaaaaaaa, Materiały dla studentów, ochrona srodowiska
Metodologia badań-materiały dla studentów, szkoła, MiTBS, metodologia badań

więcej podobnych podstron