plik


ÿþ Instytut Mechaniki i In|ynierii Obliczeniowej WydziaB Mechaniczny Technologiczny Politechnika Zlska www.imio.polsl.pl LABORATORIUM  WYTRZYMAAOZCI MATERIAAÓW  Zastosowanie  metody elementów skoDczonych  do rozwizywania ukBadów prtowych   ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 2  1. CEL WICZENIA  f& Zapoznanie si z metod elementów skoDczonych w aspekcie zastosowania do rozwizy- wania ukBadów prtowych. f& Zapoznanie si z pakietem metody elementów skoDczonych (PROZC, KRATA, BELKA, RAMA2D, PRO-MES, ABC, PATRAN lub podobne) i jego obsBug w przypadku zagad- nieD prtowych. f& Wyznaczenie rozkBadu przemieszczeD i napr|eD w ramach i kratownicach statycznie wy- znaczalnych i niewyznaczalnych. 2. WPROWADZENIE  Metoda elementów skoDczonych (MES) jest jedn z najcz[ciej stosowanych metod kom- puterowych (numerycznych) sBu|cych do rozwizywania tzw. zagadnieD brzegowych me- chaniki. Istota metody sprowadza si do zastpienia modelu cigBego ukBadu mechanicznego modelem dyskretnym. Model dyskretny przyjmuje w rezultacie posta ukBadu równaD alge- braicznych. W niniejszym rozdziale przedstawiono zastosowanie MES do rozwizywania ukBadów prtowych, w tym prtów rozciganych ([ciskanych), belek, kratownic i ram. Podstawy teoretyczne metody elementów skoDczonych dla ukBadów prtowych przedsta- wiono w literaturze zamieszczonej na koDcu rozdziaBu. W niniejszym rozdziale przedstawiono metod elementów skoDczonych wykorzystujc koncepcj caBki wa|onej oraz tzw. sformuBo- wanie sBabe, które szczegóBowo przedstawiono w [2]. Inne, alternatywne sformuBowanie, rów- nowa|ne niniejszemu, mo|na wyprowadzi z warunku minimalizacji energii potencjalnej. 3. PODSTAWY TEORETYCZNE  3.1 Metoda elementów skoDczonych dla prtów rozciganych ([ciskanych) i kratownic Rozwa|any jest prt prosty o zmiennym przekroju A(x) i dBugo[ci L, wykonany z materiaBu o module Younga E, obci|ony obci|eniem cigBym q(x) rozBo|onym wzdBu| dBugo[ci prta i siB Q0 na koDcu (rys. 1a, b). Pole przemieszczeD osiowych speBnia nastpujce równanie ró|niczkowe d du(x) ›#ž# a(x) + q(x) = 0 dla 0 < x < L , (1) œ#Ÿ# dx dx # # które nale|y uzupeBni warunkami brzegowymi w postaci: du ›# ž# u(0) = u0, œ#a Ÿ# = Q0 , (2) #  # dx x= L gdzie: a = a(x)=A(x)E  sztywno[ na rozciganie. Aby rozwiza równanie (1), tzn. znalez pole przemieszczeD u(x) przy warunkach brze- gowych (2), dzieli si obszar prta ©(x) na N odcinków o dBugo[ci he , e = 1,2,...,N, które nazywa si elementami skoDczonymi (rys. 1c). Rozwa|my typowy element skoDczony ©e = (xA, xB) = (xe, xe+1), którego koDce maj wspóB- rzdne x = xA i x = xB (rys. 2a).  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 3  Oznaczmy przemieszczenia wzBowe uie i siBy normalne Qie , i = 1,2, zdefiniowane na rys. 2b. Poszukiwane pole przemieszczeD na elemencie ©e aproksymowa bdziemy za pomoc n e e pewnego wielomianu potgowego u(x) H" U = N (x) , gdzie ue s nieznanymi warto[- "uj j j j=1 e ciami wzBowymi przemieszczeD, natomiast N (x) s funkcjami interpolacyjnymi zwanymi j tak|e funkcjami ksztaBtu. Wówczas równanie ró|niczkowe (1) speBnione jest na elemencie ©e tylko w sposób przy- bli|ony. W celu obliczenia nieznanych warto[ci przemieszczeD wzBowych ue |damy, aby j e równanie ró|niczkowe (1) speBnione byBo przez przybli|enie U w sensie tzw. caBki wa|onej, która okre[lona jest nastpujco: xB d du ¡# w(x) a + q¤# dx = 0 , (3) +" ¢#dx dx ¥# £#¦# xA gdzie w(x)  tzw. funkcja wa|ona. a) du ›# ž# Q0 = a œ# Ÿ# dx #  # x=L x L b) q(x) u = u0 a" 0 du a a" Q0 dx x q(x) c) h1 h2 he hN 2 e e+1 N+1 ... ... 1 2 e N Numer elementu Numer wzBa Rys. 1. a) Prt rozcigany; b) idealizacja matematyczna; c) dyskretyzacja elementami skoDczonymi  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 4  CaBkujc równanie (3) przez cz[ci otrzymuje si: xB dw du ›# 0 = a - wqž#dx - w(xA)QA - w(xB)QB , (4) œ#Ÿ# +" dx dx # # xA gdzie: du du ›#a ž# ›# ž# -QA = , - QB = a (5) œ# Ÿ# œ# Ÿ# dx dx #  # #  # xA xB s siBami normalnymi w wzBach elementu. Równanie (4) nazywa si sformuBowaniem sBabym zagadnienia brzegowego opisanego równaniem ró|niczkowym (1) z warunkami brzegowymi (2). Termin  sformuBowanie sBabe pochodzi od tego, |e w równaniu (4)  sBabsze s wymagania dotyczce ró|niczkowalno[ci pola przemieszczeD u(x). xB a) xA he x = x - xA A B x x x = 0 x = he b) e e u(xA) = u1 u(xB ) = u2 du du ›# ž# ›# ž# e e Q1 =- a Q2 = a œ# Ÿ# œ# Ÿ# 1 2 dx dx #  # #  # x=xA x=xB Rys. 2. a) Typowy element skoDczony; b) definicja przemieszczeD i siB wzBowych W równaniu ró|niczkowym (1) u(x) musi by funkcj dwukrotnie ró|niczkowaln, nato- miast w sformuBowaniu sBabym (4) wymaganie ró|niczkowalno[ci obni|one jest o jeden rzd e i funkcja U , aproksymujca pole przemieszczeD u(x) na elemencie skoDczonym ©e, mo|e by funkcj liniow i przyjmuje posta: 2 ee e e ee U (x) = N1 (x)u1 + N2 (x)u2 = (x)ue , (6) "N j j j=1 gdzie funkcje ksztaBtu (funkcje interpolacyjne) wyra|aj si wzorami: xB - x x - xA e e N1 (x) = , N2 (x) = (7) xB - xA xB - xA W metodzie elementów skoDczonych podstawowe równania metody wyprowadzi mo|na korzystajc ze sformuBowania sBabego (4) przyjmujc, |e pole przemieszczeD aproksymowane jest przybli|eniem (6), a funkcja wagowa wyra|ona jest przez funkcj ksztaBtu, tzn. ee w(x) = N1 (x) i w(x) = N2 (x) . Otrzymuje si wówczas dwa równania, które w postaci macie- rzowej przyjmuj posta:  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 5  e e ¡# ¤# ue = f + Qe ; (8) { } { } { } £#K ¦# gdzie: e e ¡# ¤# ¡# ¤# =  kwadratowa macierz sztywno[ci elementu zdefiniowana nastpujco: £#K ¦# £#Kij ¦# xe+1 ›# dN dN dNie e ž# he ›# dNie e ž# e jj Kij = ae ae dx (9) œ#Ÿ#dx = œ#Ÿ# +"+" 0 dx dx dx dx xe # # # # e f = fie  macierz kolumnowa siB okre[lona zale|no[ci: { } { } xe+1 he fie = qeNiedx = qeNiedx (10) +"+" xe 0 oraz: 2 e (xie)Qe = Qie , (11) "N j j j=1 przy czym he = xB - xA = xe+1 - xe jest dBugo[ci e-tego elementu skoDczonego. e e ¡# ¤# Macierze i f dla liniowych funkcji ksztaBtu (7) maj posta: { } £#K ¦# 1 ¤# e ¡# ¤#ae ¡# -1 = ¥# £#K ¦#he ¢# 1, (12) £#-1 ¦# §# «# e { }qehe 1 (13) f = ¨#1¬# 2 ©# ­# Macierz sztywno[ci elementu (12) jest macierz symetryczn. W równaniach (9), (10), (12) i (13) przyjto, |e ae i qe przyjmuj staBe warto[ci na ©e. W przypadku kratownicy (ukBadu prtowego wykonanego z prtów poBczonych przegu- bowo i przenoszcych tylko rozciganie bdz [ciskanie) przemieszczenia wzBowe i siBy w- zBowe wygodnie jest przedstawi w ka|dym wzle za pomoc dwóch skBadowych w ukBadzie lokalnym (rys. 3a) jak i globalnym (rys. 3b). e y e u4 u3 x y u4 e e Q3 2 e u3 e 2 Q3 e e Q4 Q4 e y e u2 u2 u1e ©e ± ± e e Q1 u1 he 1 e 1 Q2 e e Q2 Q1 x x 0 0 a) b) Rys. 3. Element skoDczony kratownicy: a) w ukBadzie lokalnym; b) w ukBadzie globalnym Zale|no[ midzy przemieszczeniami wzBowymi i siBami wzBowymi w ukBadzie lokal- nym (rys. 3a) ma posta: e e ¡# ¤# u = Qe (14) { } { } £#K ¦#  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 6  e ¡# ¤# Macierz sztywno[ci elementu kratownicy w ukBadzie lokalnym jest wyra|ona nast- £#K ¦# pujco: 1 0 -1 0 ¡# ¤# e ¢# ¥# ¡# ¤#EeAe ¢# 0 0 0¥# , (15) = £#K ¦# he ¢# sym. 1 0¥# ¢# 0¥# £# ¦# gdzie: EeAe  sztywno[ na rozciganie ([ciskanie) e-tego elementu kratownicy; he  dBugo[ e-tego elementu kratownicy. W ukBadzie globalnym (rys. 3b) macierzowe równanie dla e-tego elementu ma posta: e ¡# ¤# ue = Qe , (16) { } { } £#K ¦# gdzie macierz sztywno[ci elementu: T e e e e ¡# ¤# ¡# ¤# ¡# ¤# ¡# ¤# (17) = £#K ¦# £#T ¦# £#K ¦# £#T ¦# e ¡# ¤# Macierz transformacji ma posta: £#T ¦# cos± sin± 0 0 ¡#¤# ¢#¥# e ¡# ¤#¢#-sin± cos± 0 0 ¥# (18) = £#T ¦#¢# 0 0 cos± sin± ¥# ¢#¥# 0 0 -sin± cos± £#¦# SzczegóBowy opis metody elementów skoDczonych dla prta rozciganego ([ciskanego) i pBaskiej kratownicy mo|na znalez w pracy [2]. Edukacyjne programy MES do obydwu za- gadnieD (odpowiednio PROZC i KRATA) znajduj si na stronach internetowych: http://dydaktyka.polsl.pl/mes. 3.2 Metoda elementów skoDczonych dla prtów zginanych i ram Rozwa|any jest prt prosty (belka) o zmiennej sztywno[ci b(x)=EI(x) (E  moduB Younga, I  moment bezwBadno[ci) i dBugo[ci L, obci|ony obci|eniem cigBym o intensywno[ci q(x) oraz siB F0 i momentem M0 na koDcu (rys. 4a). Pole przemieszczeD poprzecznych (ugi) v = v(x) speBnia równanie ró|niczkowe: 22 ›#ž# dd v(x) = q(x) dla 0<x<L (19) dx2 œ#b(x) dx2 Ÿ# # #  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 7  Równanie (19) nale|y uzupeBni warunkami brzegowym: dv «# v(0) = v0, Ñ = = Ñ0 ª# x=0 dx ª# (20) ¬# 23 ª# d v d v -b = M0, - b = F0 ª# dx2 x=L dx3 x=L ­# Midzy momentami gncymi M, siBami poprzecznymi T i obci|eniami cigBymi q(x) za- chodz nastpujce relacje (rys. 11.4b): 2 d v dM dT M = -b , T = , = -q (21) dx2 dx dx a) q(x) F0 M0 x y b) M M+dM x dx T T+dT Rys. 4. a) Belka zginana; b) siBy wewntrzne w belce Aby rozwiza równanie (19), tzn. znalez pole ugi v(x) przy warunkach brzegowych (20), dzielimy obszar prta ©(0, L) na N elementów skoDczonych (rys. 5a). Rozwa|my typowy element skoDczony ©e(xe, xe+1) ze zdefiniowanymi na rys. 5b prze- mieszczeniami uogólnionymi (v,˜ ) i siBami uogólnionymi (T, M ). Dla przyjtych zwrotów przemieszczeD i siB uogólnionych wprowadzono nastpujc no- tacj: dv Ñ = - (22) dx oraz 22 ¡#¤# ›# ž# ›# ž# d d v d v ee Q1 a" , Q2 a" ¢#dx dx2 ¥# œ#b Ÿ# œ#b dx2 Ÿ# xe +1 xe #  # #  # £#¦# (23) 22 ¡#¤# ›# ž# ›# ž# d d v d v ee Q3 a" ¢#dx dx2 ¥# œ#b dx2 Ÿ# œ#b Ÿ#, Q4 a" xe +1 xe #  # #  # £#¦# gdzie:  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 8  e e Q1 ,Q3  siBy poprzeczne; e e Q2 ,Q4  momenty gnce. a) N N+1 1 2 h1 h2 he hN b) e e Ñ1 = u2 Ñ2 = u4 e e v1 = u1 v2 = u3 e e Q2 Q4 x 2 1 e e dx Q1 Q3 xc x Rys. 5 a) PodziaB belki na elementy skoDczone; b) definicja przemieszczeD i siB uogólnionych Ugicie v(x) bdzie aproksymowane na elemencie ©e za pomoc pewnego wielomianu Ve(x). Wówczas równanie ró|niczkowe (19) speBnione jest na elemencie ©e w sposób przy- bli|ony. {damy, aby równanie (19) speBnione byBo przez Ve w sensie caBki wa|onej: xe +1 2 2 ¡# ¤# ›# ž# d d v 0 = w(x) (24) ¢#dx dx2 - q¥# dx œ#b Ÿ# +" 2 #  # xe £# ¦# gdzie: w(x)  funkcja wa|ona. CaBkujc (24) przez cz[ci otrzymujemy nastpujce sformuBowanie sBabe dla belki: xe +1 2 2 ›#ž# dw dw d v d w ›# ž# ›# ž# ee e e 0 = Q4 (25) œ#b dx2 dx2 - wqŸ#dx - w(xe)Q1 - œ# Ÿ#Q2 - w(xe+1)Q3 - œ# Ÿ# +" xe xe+1 dx dx #  # #  # # # xe Warto zwróci uwag, |e rzd ró|niczkowalno[ci funkcji ugicia v(x) zostaB obni|ony z rzdu czwartego do rzdu drugiego. Poniewa| caBkowita liczba warunków dotyczcych przemieszczeD uogólnionych dla elementu belkowego wynosi cztery (po dwa w ka|dym wzle), wic wygodnie jest przyj czteroparametrowy wielomian aproksymujcy dla v(x): 4 e e e e e e e e e e e v(x) H" V (x) = u1 N1 + u2N2 + u3N3 + u4N4 = N , (26) "uj j j=1  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 9  e gdzie funkcje ksztaBtu N maj posta: j 23 2 ›# - xe x ž# ›# - xe ž# x ee N1 = 1- 3œ# Ÿ# + 2œ# Ÿ# , N2 = -( - xe œ#1- Ÿ# x )›# x - xe ž# he he he  # #  # #  # # (27) 23 ¡#›# x - xe ž#2 x - xe ¤# ›# - xe x ž# ›# - xe ž# x ee N3 = 3œ# Ÿ# - 2œ# Ÿ# , N4 = -( - xe ¢#œ# Ÿ# - ¥# x ) he he #  # #  # ¢# £## he  # he ¥# ¦# W metodzie elementów skoDczonych podstawowe równania metody wyprowadzamy ze sformuBowania sBabego (25) przyjmujc przybli|enie (26) oraz zakBadajc, |e funkcja wa|ona e e e e w(x) wyra|ona jest przez funkcje ksztaBtu, tzn. w = N1 , w = N2 , w = N3 i w = N4 . Otrzymujemy wówczas cztery równania, które w postaci macierzowej maj posta : e e e e e ¡# ¤# K11 K12 K13 K14 §#u1 «# §#F1e «# ª# ª# ª# ª# ¢# ¥# e e e e e e ª#u ª# ª#F ª# 2 2 ¢#K21 K22 K23 K24 ¥# a" , (28) ¨# ¬# ¨# ¬# e e e e e e ¢#K31 K32 K33 K34 ¥# ª#u3 ª# ª#F3 ª# ¢# ¥# e e e e e K42 K43 K44 ¦# ª#u4 ª# ª#F4e ª# £#K41 ©# ­# ©# ­# gdzie: e ¡# ¤#  macierz sztywno[ci elementu belkowego, której elementy okre[lone s nas- £#K ¦# tpujco: xe+1 2 d N d Nie 2 e e j Kij = dx (29) +" dx2 dx2 xe e F  macierz kolumnowa siB: { } xe+1 Fie = Nieqdx - Qie (30) +" xe e e WspóBczynniki Kij s symetryczne, tzn. Kij = Ke . ji Przy przyjtej aproksymacji ugi v(x) za pomoc (26) macierze sztywno[ci i siB przyjmuj posta: 6 ¡# -3h -3 -3h ¤# ¢#¥# 2b e ¢#-3h 2h2 3h h2 ¥#, (b = EI = const.) ¡# ¤# = £#K ¦#h3 ¢# -6 3h 6 3h ¥# ¢#¥# £#-3h h2 3h 2h2 ¦# (31) 6 Q1 §# «# §# «# ª# ª# ª#Q ª# qh ª#-hª# ª# ª#, e 2 F =+ (q = const.) { }12 6 ¨# ¬# ¨# ¬# ª# ª# ª#Q3 ª# ª# ª# ª#Q4 ª# h ©# ­# ©# ­# Znajc macierze sztywno[ci i siB dla elementu belkowego mo|na okre[li macierz sztyw- no[ci i siB dla caBej belki uwzgldniajc warunki zgodno[ci uogólnionych przemieszczeD i wa- runki równowagi dla siB uogólnionych.  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 10  Rozwa|my pBask ram, któr dzielimy na elementy skoDczone ©e, e = 1,2,...,N. Element skoDczony dla ramy jest zBo|eniem elementu prtowego o sztywno[ci EeAe i obci|eniu cigBym qR i elementu belkowego o sztywno[ci EeIe i obci|eniu cigBym qZ. W ka|dym wzle mamy po trzy uogólnione przemieszczenia wzBowe i odpowiadajce im uogólnione siBy wz- Bowe. Uogólnione przemieszczenia i siBy wzBowe dla elementu skoDczonego ramy mog by przedstawione w ukBadzie lokalnym i globalnym (rys. 6). e y y e e u5 e e u5 u6 u4 x u6 e Q4 e Q4 2 e 2 u4 e y e e e e e Q6 Q5 u3 u1e ©e ± Q6 Q5 u2 u3 e ± e u2 e Q1 e e Q1 1 e he u1 e Q3 e Q2 e Q2 Q3 x x 0 0 a) b) Rys. 6. Element skoDczony ramy: a) w ukBadzie lokalnym; b) w ukBadzie globalnym W ukBadzie lokalnym element skoDczony dla ramy jest opisany równaniem: e e e ¡# ¤# u = F (32) { } { } £#K ¦# W równaniu tym macierze kolumnowe uogólnionych przemieszczeD i siB wzBowych s rów- ne: e u1 §# «#§# «# §# «# 6qe he Q1 §# «# u1eR ª#u e ª#ª# ª# ª#Qe ª# ª#Å ª# Z 6qe he 1 22 ª# ª#ª# ª# ª# ª# ª# ª# eZ 2 e ª# 1 -qe he ª# ª#Q3 ª# ª# ª# ª#u3 ª#ª# ee u = a" + (33) { }ª#Ñ1 ª# ª# { }12 ª# ª# ª# ª# ¨# ¬# ¨# ¬#, F = ¨# ¬# ¨# ¬# eR 6qe he e 44 ª#u2 ª# ª#u ª# ª# ª# ª#Q ª# Z e ª#Å2 ª# ª#u5e ª# ª#-6qe he ª# ª#Q5 ª# ª# ª# ª# ª# ª# ª# ª# ª# eZ 2 qe he e ª#Ñ2 ª#©# ­# ª#u6 ª#ª# ª# ª#Q6 ª# ©# ­# ©# ­# ©# ­# Macierz sztywno[ci elementu skoDczonego w ukBadzie lokalnym ma posta: c 0 0 -c 0 0 ¡# ¤# ¢# 0 6 -3he 0 -6 -3he ¥# ¢# ¥# 22 2EeIe ¢# 0 -3he 2he 0 3he he ¥# e [K ] = , (34) ¥# 3 he ¢# 0 0 c 0 0 ¢#-c ¥# ¢# -6 3he 0 6 3he ¥# 0 ¢# ¥# 22 0 ¢# -3he he 0 3he 2he ¦# ¥# £# gdzie: 2 Ahe e c = 2Ie  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 11  Równanie macierzowe dla elementu skoDczonego ramy w ukBadzie globalnym ma posta: e e ¡# ¤# ue = F (35) { } { } £#K ¦# e ¡# ¤# Macierz sztywno[ci elementu skoDczonego ramy w powy|szej zale|no[ci ma posta: £#K ¦# T e e e e ¡# ¤# ¡# ¤# ¡# ¤# ¡# ¤# , (36) = £#K ¦# £#H ¦# £#K ¦# £#H ¦# e ¡# ¤# gdzie  macierz transformacji w postaci: £#H ¦# cos± sin± 0 0 0 0 ¡#¤# ¢# ¢#-sin± cos± 0 0 0 0¥# ¥# ¢# 0 0 1 0 0 0¥# e ¡# ¤# = (37) ¢# £#H ¦# 0 0 0 cos± sin± 0¥# ¢#¥# ¢#¥# 0 0 0 -sin± cos± 0 ¢#¥# 0 0 0 0 0 1¦# ¢#¥# £# SzczegóBowy opis metody elementów skoDczonych dla belki i ramy mo|na znalez w pra- cy [2]. Edukacyjne programy MES do obydwu zagadnieD (odpowiednio BELKA i RAMA2D) znajduj si na stronach internetowych: http://dydaktyka.polsl.pl/mes. 3.3 Przygotowanie zadania do rozwizania metod elementów skoDczonych W celu rozwizania konkretnego zadania brzegowego nale|y utworzy model numeryczny rozpatrywanego ukBadu. W rzeczywistym ukBadzie mechanicznym wyodrbnia si cz[ci skBadowe, które modeluje si jako prty (belki) lub elementy pBaskie dwuwymiarowe (pByto- we, tarczowe, powBokowe). Niektóre fragmenty konstrukcji mog by modelowane elementa- mi przestrzennymi (trójwymiarowymi). W niniejszych rozwizaniach ograniczono si do ele- mentów jednowymiarowych - prtowych i belkowych. Prty (belki) modelowane s jako dwa wzBy poBczone za sob odcinkiem. WzBy repre- zentuj pocztek i koniec elementu prtowego, odcinek - dane geometryczne i wBasno[ci ma- teriaBowe. W wzBach mo|na przykBada siBy skupione, momenty skupione lub przemieszcze- nia (liniowe lub ktowe). Wielko[ci te mog by równie| wyznaczane w wzBach. PodziaB na wzBy i elementy musi uwzgldnia rzeczywiste wBasno[ci ukBadu. SiBy skupio- ne i momenty skupione mog by przykBadane tylko wzBach. W przypadku zastosowania ele- mentów prtowych poBczenia w wzBach nie przenosz momentów. W przypadku stosowa- nia elementów belkowych poBczenia w wzBach przenosz siBy podBu|ne, siBy poprzeczne oraz momenty gnce, a dla ukBadów przestrzennych równie| momenty skrcajce. Elementy prtowe stosowane s do modelowania kratownic, za[ elementy belkowe do modelowania ram. Podczas tworzenia modelu numerycznego nale|y przestrzega nastpujcych zasad: 1. Elementy mog Bczy si tylko w wzBach. 2. SiBy skupione i momenty skupione mog by zadawane tylko w wzBach. 3. Podpory mog by umieszczane tylko w wzBach. 4. Obci|enia cigBe nale|y zada zgodnie z wytycznymi programu komputerowego lub zas- tpi obci|eniami skupionymi. 5. Momenty cigBe rozBo|one nale|y zada zgodnie z wytycznymi programu komputerowe- go lub zastpi momentami skupionymi. 6. Podparcie cigBe nale|y zastpi podporami w wzBach.  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 12  7. OdlegBo[ci pomidzy wzBami (dBugo[ci elementów) powinny by w miar równomierne. 8. Ró|nica pomidzy numerami wzBów w elemencie powinna by jak najmniejsza (pasmo minimalne). 9. UkBad musi mie tak narzucone wizy (punkty podparcia), aby nie tworzyB mechanizmu. 4. PRZEBIEG WICZENIA  Dla wybranych ukBadów prtowych lub belkowych przeprowadzi obliczenia (wyznacze- nie przemieszczeD, napr|eD i reakcji podporowych) przy u|yciu programu metody elemen- tów skoDczonych wskazanego przez prowadzcego. 4.1 PrzykBadowe zadania Zadanie 1 Dla prta stopniowanego podpartego i obci|onego jak na rys. 7 wyznaczy przemiesz- czenia punktów B, C oraz rozkBad napr|eD. Do obliczeD przyj ró|ne warianty obci|eD. PrzykBadowe dane: A1 = 0.01 m2; A2 = 0.005 m2; A3 = 0.008 m2; l1 = l2 = l3 = 0.5 m; P1 = 5 kN; P2 = 2 kN; E = 2·1011 Pa (stal). A1 A2 A3 P1 P2 A B C D l1 l2 l3 Rys. 7. Prt rozcigany  schemat statyczny Zadanie 2 Dla kratownicy pBaskiej podpartej i obci|onej jak na rys. 8 wyznaczy przemieszczenia punktów B, D oraz napr|enia w prtach. Do obliczeD przyj ró|ne warianty obci|eD. PrzykBadowe dane: A1 = A2 = A3 = A4 = A5 = 0.01 m2; l1 = l3 = 1.0 m; l2 = l4 = 0.5 m; P1 = 4 kN; P2 = 1 kN E = 2·1011 Pa (stal).  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 13  P2 P1 B 4 D 1 3 5 A 2 B l2 l3 l4 Rys. 8. Kratownica  schemat statyczny Zadanie 3 Dla belki podpartej i obci|onej jak na rys. 9 wyznaczy poBo|enie osi ugitej oraz rozkBad napr|eD w przekroju poprzecznym wzdBu| osi belki. Wyznaczy analitycznie przemiesz- czenia koDca swobodnego belki dla wskazanego wariantu obci|enia i porówna z wynikami otrzymanymi numerycznie. Do obliczeD przyj ró|ne warianty obci|enia. PrzykBadowe dane: l1 = l2 = 0.5 m; I1 = I2 = 8.33·10-6 m4; W1 = W2 = 1.66·10-4 m3; P1 = 7 kN; P2= 3 kN; M1 = 4 kNm; M2= 2 kNm. E = 2·1011 Pa (stal). M1 M2 P2 P1 A B C l1 l2 Rys. 9. Belka wspornikowa  schemat statyczny Zadanie 4 Dla ramy podpartej i obci|onej jak na rys. 10 wyznaczy poBo|enie osi ugitej oraz roz- kBad napr|eD. Wyznaczy analitycznie przemieszczenia koDca swobodnego D ramy dla wskazanego wariantu obci|enia i porówna z wynikami otrzymanymi numerycznie. Do obli- czeD przyj ró|ne warianty obci|enia. PrzykBadowe dane: l1 = l2 = 1.0 m; l3 = 0.5 m I1 = I2 = I3 = 42.19·10-6 m4; W1 = W2 = W3 = 5.63·10-4 m3; 1 l  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 14  P1 = 8 kN; P2= 4 kN; M1 = 5 kNm; M2= 3 kNm. E = 2·1011 Pa (stal). M1 P2 P1 C B l2 M2 D A Rys. 10. Belka statycznie niewyznaczalna  schemat statyczny 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW I WYTYCZNE DO SPRAWOZDANIA  Sprawozdanie powinno zawiera: I. Cel wiczenia II. Krótkie omówienie podstaw MES-u i zasad modelowania w MES-ie III. Opis rozwizywanego zagadnienia i modelu numerycznego (z rysunkami) IV. Wyniki obliczeD w formie wydruków sporzdzonych na drukarce. Wyniki powinny zawiera: 1. Rysunki ugi dla ró|nych wariantów obci|enia 2. Wykresy napr|eD dla wykonanych wariantów V. Analiz wyników VI. Wnioski 6. PRZYKAADOWE PYTANIA KONTROLNE  1. Do czego sBu|y metoda elementów skoDczonych? 2. Jakie s istotne cechy metody elementów skoDczonych? 3. Co to jest macierz sztywno[ci i w jakim wzorze wystpuje? 4. Co to s funkcje ksztaBtu? 5. Co to s elementy skoDczone, jakie rodzaje elementów modeluj dany przypadek wytrzy- maBo[ciowy? 6. Jakich zasad nale|y przestrzega w przypadku rozwizywania zagadnienia metod ele- mentów skoDczonych? 3 l 1 l  ZASTOSOWANIE MES DO ROZWIZYWANIA UKAADÓW PRTOWYCH 15  7. LITERATURA  1. Beluch W., BurczyDski T., FedeliDski P., John A., Kokot G., Ku[ W.: Laboratorium z wytrzymaBo[ci materiaBów. Wyd. Politechniki Zlskiej, Skrypt nr 2285, Gliwice, 2002. 2. Bk R., BurczyDski T.: WytrzymaBo[ materiaBów z elementami ujcia komputerowego, WNT, Warszawa 2001. 3. Jaworski A.: Metoda elementów skoDczonych w wytrzymaBo[ci konstrukcji, Wyd. Poli- techniki Warszawskiej, Warszawa 1981. 4. Kruszewski J.: Metoda elementów skoDczonych w dynamice konstrukcji, PWN, Warsza- wa 1981. 5. Pietrzak J., Rakowski G., Wrze[niowski K.: Macierzowa analiza konstrukcji, PWN, War- szawa-PoznaD 1979. 6. Szmelter J.: Metoda elementów skoDczonych w mechanice, PWN, Warszawa 1980. 7. Szmelter J.: Metoda elementów skoDczonych w statyce konstrukcji, Arkady, Warszawa 1979. 8. Szmelter J.: Metody komputerowe w mechanice, PWN, Warszawa 1980. 9. Zienkiewicz O.C.: Metoda elementów skoDczonych, Arkady, Warszawa 1972.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
WM lab MES prety
WM lab3 MES prety
WM lab MES
Lab 8 Kratownica MES
Lab cpp
lab 2
T2 Skrypt do lab OU Rozdział 6 Wiercenie 3
IE RS lab 9 overview
lab pkm 3
lab chemia korozja
lab tsp 3
Wykład14 [MES]
Lab
09 mo mes osymetryczny

więcej podobnych podstron