Gelöste Aufgaben/W8Zt: Unterschied zwischen den Versionen

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Version vom 19. April 2021, 09:52 Uhr


Aufgabenstellung

Zu den tabellierten Standardlösungen für den Euler-Bernoulli-Blaken berechnen wir eine Näherungslösung für einen beidseitig gelenkig gelagerten Euler-Bernoulli-Balken:


Caption

Gesucht ist eine Lösung in Anlehnung an das Verfahren von Ritz - bei dem wir mit Formfunktionen arbeiten, die sich über die gesamte Balkenlänge erstrecken, wir aber im dann mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen arbeiten.

Üblich ist bei Verfahren von Rayleigh-Ritz nämlich sonst das Prinzip vom Minimum der Potentiellen Energie.

Lösung mit Maxima

Mit dem Föppl-Symbol "<>",

α=a/, β=1α und ξ=x/

ist die analytische Lösung:

EIw(x)=F36[βξ(1β2ξ2)+<ξα>3].

Bei dieser Lösung hat die unabhängige Koordinate x ihren Ursprung in A - wir verwenden unten einen anderen Ursprung!

Mit den passenden Ansatzfunktionen nach Ritz berechnen Sie eine Näherungslösung des Problems.

tmp

Hier arbeiten wir mit Maxima.

Header

Text


1+1




tmp

Wir definieren zunächst die Symbole für die virtuellen Arbeiten und die virtuellen Verrückungen - die in Maxima nicht standardmäßig verfügbar sind.

Die Annahme ℓ>0 brauchen wir, damit Maxima Wurzel-Ausdrücke mit diesem Parameter richtig vereinfachen kann.


Declarations

Text


1+1




tmp

Als unabhängige Koordinaten des Balkens wählen wir "x" entlang der Neutralen Faser mit Ursprung in der Mitte zwischen A und B.

Wir entscheiden uns zunächst für zwei abhängige Koordinaten des Systems und deren Variationen (δ)

Q_=(VΨ),δQ_=(δVδΨ),

und wählen V und ψ  als die Verschiebung und Verdrehung (=Neigung) des Querschnitts im Punkt x=0 des Balkens.

Jetzt brauchen wir zwei Ansatzfunktionen, die unseren Koordinaten V und ψ entsprechen. Wir wollen diese beiden anschaulich denken können - wir wählen einfache Polynome: eine achsensymmetrische und eine punktsymmetrische Funktion mit den noch unbestimmten Konstanten cij:

  • v1(x):=c1,2x2+c1,0
  • v2(x):=c2,3x3+c2,1x

Diese beiden Funktionen müssen

  1. Geometrische Randbedingungen erfüllen und
  2. jeweils mit den Koordinaten V und ψ  verknüpft werden.

Die zugehörigen Gleichungen (= die Randbedingungen) sind

  • c1,0=V,c1,224+c1,0=0 und
  • c2,1=Ψ,c2,338+c2,12=0

mit der Lösung

c1,0=V,c1,2=4V2,c2,1=Ψ,c2,3=4Ψ2
Trial-Functions

Anstatt der exakten, bekannten Lösung, verwenden wir in diesem Näherungsansatz also nun die Funktion

w(x)=4x2V2+V4Ψx32+Ψx,

die beiden Koordinaten V und ψ müssen wir noch bestimmen. Die Funktionen, die zu V und ψ gehören, sind rechts aufgetragen:

Klar ist: die exakte Lösung dieses Lastfalls ist eine Funktion, die im Querkraftverlauf am Kraftangriffspunkt (x=a - ℓ/2) einen Sprung hat. Dagegen ist der Querkraftverlauf unserer Näherungslösung stetig differenzierbar und obendrauf noch konstant!


Formfunctions

Text


1+1




tmp

Mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen ist die Gleichgewichtsbedingung immer

δW=δAδΠ

Mit den Beiträgen

δA=Fδw(xF),δΠ=22(d2dx2w(x))(d2dx2δw(x))dxEI

und dem Einsetzen der Ansatzfunktionen und deren Variation finden wir

δW=(64EIV+(α21)3F)3δV+2(α(α21)2F+96ΨEI)23δΨ

Achtung: hier bezeichnet nun α=-1 den Punkt A, α=+1 den Punkt B.

Diese virtuelle Arbeit des Gesamtsystems spalten wir jetzt nach den virtuellen Verrückungen auf und erhalten zwei unabhängige Gleichungen in V und ψ:

(α21)3F+64EIV3=096ΨEI+(α3α)2F2=0

Und die können wir leicht lösen:


Equilibrium Conditions

Text


1+1




tmp

In Matrix-Schreibweise stellen wir diesen Ausdruck gewöhnliches lineares Gleichungssystem dar:

A__x_=b_

mit

A__=EI(6430048),b_=F(α21)(1α2)

sieht das Gleichungssystem wieder handlich aus, die Lösung ist:

V=(α21)364EIF,Ψ=(α3α)296EIF

Und wissen Sie auch ....:
... warum A hier eine Diagonalmatrix ist? Schauen Sie sich die Koeffizienten bzgl. von α an - was erkennen Sie?


Solve

Text


1+1




tmp

Die Lösung normieren wir noch für das Post-Processing mit der analytischen maximalen Auslenkung im symmetrischen Belastungsfall (wenn F in der Mitte zwischen A und B angreift):

s=348EIF

Wir tragen sie für verschiedene Kraft-Angriffspunkte (α=-1,...α=+1) auf:

Parameterstudie: Auslenkung w(a) des Kraft-Einleitungspunktes

Post-Process

Text


1+1




Post-Process - Vergleich mit analytischer Lösung

Und wir schauen uns für α=1/2 die Verschiebung der Ritz- und analytischen-Lösung im Vergleich an:

Vergleich der Biegelinie für analytische / numerische Lösung

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<Links

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Koordinaten
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