Gelöste Aufgaben/UEBI: Unterschied zwischen den Versionen

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... für ''w(ξ)'':
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[[Datei:UEBI-31.png|mini|Auslenkung ''w(x)''|alternativtext=|ohne]]... für ''ϕ(ξ)'':
[[Datei:UEBI-31.png|mini|Auslenkung ''w(x)''|alternativtext=|ohne]]{{MyDataBlock|title=Datenpunkte zum Plotten|data=1
2
3|text=table for Q(x)/(m g) ->}}
... für ''ϕ(ξ)'':
[[Datei:UEBI-32.png|mini|Querschnitts-Kippung ''w'(x)''|alternativtext=|ohne]]... für ''M(ξ)'':
[[Datei:UEBI-32.png|mini|Querschnitts-Kippung ''w'(x)''|alternativtext=|ohne]]... für ''M(ξ)'':
[[Datei:UEBI-33.png|mini|Momentenverlauf ''M(x)''|alternativtext=|ohne]]... für ''Q(ξ)'':
[[Datei:UEBI-33.png|mini|Momentenverlauf ''M(x)''|alternativtext=|ohne]]... für ''Q(ξ)'':

Version vom 16. April 2021, 13:00 Uhr


Aufgabenstellung

Der Euler-Bernoulli-Balken AB wird durch seine Gewichtskraft belastet. Er ist in A fest eingespannt und hat eine konstante Breite b sowie eine zwischen A und B linear veränderliche Höhe h.

In UEBF haben wir eine Näherungslösung für dieses Problem berechnet.


Lageplan

Gesucht ist die analytische Lösung des Problems.

Gegeben sind für den Balken:

  • Länge , Breite b,
  • E-Modul E, Dichte ρ und
  • die Höhe h0=b und h1 jeweils in A und B; dazwischen ist die Höhe linear veränderlich.

Lösung mit Maxima

Um zur analytischen Lösung zukommen, müssen wir berücksichtigen, dass

EI(x)d2dx2w(x)=M(x).

Wir müssen also hier die Abhängigkeit der Querschnittseigenschaften von "x" in der Differentialbeziehung berücksichtigen. Das macht die Sache deutlich komplizierter als vorher.

tmp

Wir haben die Differential-Beziehungen

Q=qM=+QEIϕ=Mw=+ϕ

für die Querkraft Q, das Moment M, die Verkippung der Querschnitte ϕ und die Auslenkung w. Dabei ist die ortsabhängige Streckenlast

q(x)=A(x)ρg mit A(x)=bh(x).

Die Höhe des Balkens ist linear veränderlich, nämlich

h(x)=h0(1ξ)+h1ξ mit ξ=x.


Header

Text


1+1




tmp

Diese Abkürzungen führen wir ein:

m=ρh0+h12bg,

h1=αh0.

Für die Ergebnisse setzten wir dann exemplarisch

α=12

an - sonst werden die Ausdrücke zu umfangreich.


Declarations

Text


1+1




tmp

Beim Aufintegrieren der Differentialgleichungen stören die vielen dimensionsbehafteten Parameter. Viel einfacher werden die Gleichungen, wenn wir sie in dimensionsloser Form - mit dimensionsloser Auslenkung, Kippwinkel, Biegemoment und Querkraft anschreiben, also

w=Wrefw~ϕ=Φrefϕ~M=MrefM~Q=QrefQ~.

Wir wählen dazu als Referenzlösung den Kragbalken mit konstantem Querschnitt unter konstanter Streckenlast, mit der maximalen Auslenkung

Wref=qref48EIref.

Als Referenz-Werte für die Streckenlast wählen wir hier die Werte unseres Balkens in x=ℓ/2, demnach

qref=Arefρg mit Aref=bh(2)Iref=bh(2)312.

Die Differentialgleichungen werden dadurch und mit der dimensionslosen Ortskoordinate

ξ=x

viel einfacher, nämlich

ξQ~=42ξ3ξM~=+Q~ξϕ~=8I(ξ)IrefM~ mit I(ξ)Iref=(α+1)38((α1)ξ+1)3ξw~=+ϕ~.

Damit es übersichtlicher wird, lassen wir die Tilden über den gesuchten dimensionslosen Funktionen gleich wieder weg.


Dimensionless Form of Differential Equations

Text


1+1




tmp

Die Differentialbeziehungen lösen wir nun sukzessive zu

Q(ξ)=ξ24ξ+3C33,

M(ξ)=ξ36ξ2+9C3ξ+9C29.

Bis hier ist alles wie gehabt - aber jetzt steht das ortsveränderliche Flächenmoment I(ξ) im Nenner. Maxima liefert

ϕ(ξ))=6ξ3+(2C124)ξ2+(54C38C1+96)ξ+54C327C2+8C1962ξ28ξ+8

und im nächsten Schritt schließlich

w(ξ)=3ξ3+(2C16)ξ2+((7254C3)ln(ξ22)4C1+2C0)ξ+(108C3144)ln(ξ22)+54C3+27C24C0482ξ4.

Darin enthalten sind die unbekannten - also gesuchten - Integrationskonstanten

C0,C1,C2,C3.

Integration Of Differential Equation

Text


1+1




tmp

Diese Unbekannten bestimmen wir aus den Randbedingungen, nämlich

w(0)=0ϕ(0)=0M(1)=0Q(1)=0

und damit

0=C310=9C3+9C250=54C327C2+8C1960=54C327C2+4C0+48.


Boundary Conditions

Text


1+1




tmp

Zum Lösen bringen wir die Gleichungen in die Form

(00030099082754402754)(C0C1C2C3)=(359648),

die wir lösen zu

C0=32,C1=+154,C2=49,C3=+1.


Solving

Text


1+1




tmp

Die Ergebnisse schauen wir uns in dimensionsloser Form an, wobei wir die Standard-Lösungen für den Balken unter konstanter Streckenlast ansetzen.

Für

Wref=qref48EIref,Φref=Wref,Mref=mg,Qref=mg,qref=mg/,EIref=Eb((H0+H1)/2)312

finden wir


... für w(ξ):

Auslenkung w(x)

Datenpunkte zum Plotten

table for Q(x)/(m g) ->

data
toggle: data listing →

1

2

3

... für ϕ(ξ):

Querschnitts-Kippung w'(x)

... für M(ξ):

Momentenverlauf M(x)

... für Q(ξ):

Querkraftverlauf Q(x)

===Post-Processing===

Text


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