Sources/Anleitungen/FEM-Formulierung für den Euler-Bernoulli-Balken: Unterschied zwischen den Versionen

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<tr><th>''ϕ<sub>2</sub>''</th><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{1}{105}\;\ell_i^3</math></td><td><math>\displaystyle \frac{13}{420}\;\ell_i^2 </math></td><td><math>\displaystyle -\frac{1}{140}\;\ell_i^4</math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>2</sub>''</th><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{1}{105}\;\ell_i^3</math></td><td><math>\displaystyle \frac{13}{420}\;\ell_i^2 </math></td><td><math>\displaystyle -\frac{1}{140}\;\ell_i^4</math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>3</sub>''</th><td>            </td><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{13}{35}\;\ell_i </math></td><td><math>\displaystyle \frac{11}{210}\;\ell_i^2 </math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>3</sub>''</th><td>            </td><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{13}{35}\;\ell_i </math></td><td><math>\displaystyle \frac{11}{210}\;\ell_i^2 </math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>4</sub>''</th><td>symmetrisch</td><td>            </td><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{1}{105}\;\ell_i^3</math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>4</sub>''</th><td>symm.</td><td>            </td><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{1}{105}\;\ell_i^3</math></td></tr>
</table>
</table>


.. für die symmetrische Steifigkeitsmatrix. Tabelliert sind die Werte der Integrale
.. für die symmetrische Steifigkeitsmatrix. Tabelliert sind die Werte der Integrale
::<math>\displaystyle \frac{k_{ij}}{EI} = \int_0^\ell \phi_i'' \cdot \phi_j'' \; dx</math>
<table class="wikitable" style="background-color:white; margin-right:14px;">
<tr><th>                </th><th>''ϕ<sub>1</sub>''</th><th>''ϕ<sub>2</sub>''</th><th>''ϕ<sub>3</sub>''</th><th>''ϕ<sub>4</sub>''</th></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>1</sub>''</th><td><math></math></td><td><math></math></td><td><math></math></td><td><math></math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>2</sub>''</th><td>            </td><td><math></math></td><td><math></math></td><td><math></math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>3</sub>''</th><td>            </td><td>            </td><td><math></math></td><td><math></math></td></tr>
<tr><th>''ϕ<sub>4</sub>''</th><td>symm.        </td><td>            </td><td>            </td><td><math></math></td></tr>
</table>
<hr/>
<table class="wikitable" style="background-color:white; margin-right:14px;">
<tr><th>                </th><th><math>\Phi_1</math></th><th><math>\Phi_2</math></th><th><math>\Phi_3</math></th><th><math>\Phi_4</math></th></tr>
<tr><th><math>\Phi_1</math></th><td><math>\displaystyle \frac{13}{35}\;\ell_i </math></td><td><math>\displaystyle \frac{11}{210}\;\ell_i^2</math></td><td><math>\displaystyle \frac{9}{70}\;\ell_i</math></td><td><math>\displaystyle -\frac{13}{420}\;\ell_i^2 </math></td></tr>
<tr><th><math>\Phi_2</math></th><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{1}{105}\;\ell_i^3</math></td><td><math>\displaystyle \frac{13}{420}\;\ell_i^2 </math></td><td><math>\displaystyle -\frac{1}{140}\;\ell_i^4</math></td></tr>
<tr><th><math>\Phi_3</math></th><td>            </td><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{13}{35}\;\ell_i </math></td><td><math>\displaystyle \frac{11}{210}\;\ell_i^2 </math></td></tr>
<tr><th><math>\Phi_4</math></th><td>symm.</td><td>            </td><td>            </td><td><math>\displaystyle \frac{1}{105}\;\ell_i^3</math></td></tr>
</table>
.. für die symmetrische Steifigkeitsmatrix. Tabelliert sind die Werte der Integrale
::<math>\displaystyle \frac{k_{ij}}{EI} = \int_0^\ell \phi_i'' \cdot \phi_j'' \; dx</math>
<table class="wikitable" style="background-color:white; margin-right:14px;">
<tr><th>                </th><th><math>\Phi''_1</math></th><th><math>\Phi''_2</math></th><th><math>\Phi''_3</math></th><th><math>\Phi''_4</math></th></tr>
<tr><th><math>\Phi''_1</math></th><td><math></math></td><td><math></math></td><td><math></math></td><td><math></math></td></tr>
<tr><th><math>\Phi''_2</math></th><td>            </td><td><math></math></td><td><math></math></td><td><math></math></td></tr>
<tr><th><math>\Phi''_3</math></th><td>            </td><td>            </td><td><math></math></td><td><math></math></td></tr>
<tr><th><math>\Phi''_4</math></th><td>symm.        </td><td>            </td><td>            </td><td><math></math></td></tr>
</table>





Version vom 19. April 2021, 13:12 Uhr


Diese Seite fasst die wichtigsten Ergebnisse für die FEM-Formulierung zum Euler-Bernoulli-Balken zusammen.

Maxima-Code

Hier finden Sie den Sourcecode für die Herleitung der Elelemt-Matrizen.


/*Maxima Quellcode für die Erzeugung Inhalte dieser Seite */
/* Maxima version 16.04.2*/

declare( "ℓ", alphabetic);

/*Trial-Fucntions*/
phi : [       (xi-1)^2*(2*xi+1),
         ℓ[i]* xi     *(  xi-1)^2,
        -      xi^2   *(2*xi-3), 
         ℓ[i]* xi^2   *(  xi-1)];

/* depict independant and dependant coordinates */
preamble: "set yrange [] reverse";
plot2d(subst([ℓ[i]=1],[0.9,1/2,0.1,1/3].phi),[xi,0,1],
    [x,0,1], [legend, "w(x)"],
    [xlabel, "ξ →"], [ylabel, "← w"],
    [gnuplot_preamble, preamble]);

/* plot trial-functions parameters */
scale: [1,1/ℓ[i],1,1/ℓ[i]];
colours: [blue, red, green, magenta];
legends: ["ϕ1","ϕ2/ℓ[i]","ϕ3","ϕ4/ℓ[i]"];
for j:1 thru 4 do
     (plot2d(scale[j]*phi[j],[xi,0,1], [xlabel,"ξ →"],[ylabel,"ϕ →"], [legend,legends[j]],[color,colours[j]], [style, [lines,3]], same_xy,
              [gnuplot_preamble, "set xtics 1;set ytics 1;set tics font \",11\""]))$	

/* Element-Mass Matrix */
M[i] : funmake('matrix,makelist(makelist(rho*A*integrate(phi[j]*phi[k],xi,0,1)*ℓ[i],j,1,4),k,1,4));
/*       (rho*A*ℓ[i])*matrix([13/35,(11*ℓ[i])/210,9/70,-(13*ℓ[i])/420],
                             [(11*ℓ[i])/210,ℓ[i]^2/105,(13*ℓ[i])/420,-ℓ[i]^2/140],
                             [9/70,(13*ℓ[i])/420,13/35,-(11*ℓ[i])/210],
                             [-(13*ℓ[i])/420,-ℓ[i]^2/140,-(11*ℓ[i])/210,ℓ[i]^2/105])  */
/* Element-Striffness Matrix */
K[i] : funmake('matrix,makelist(makelist(EI*integrate(diff(phi[j],xi,2)/ℓ[i]^2*diff(phi[k],xi,2)/ℓ[i]^2,xi,0,1)*ℓ[i],j,1,4),k,1,4));
/*       (EI/ℓ[i]^3)*matrix([12,6*ℓ[i],-12,6*ℓ[i]],
                            [6*ℓ[i],4*ℓ[i]^2,-6*ℓ[i],2*ℓ[i]^2],
                            [-12,-6*ℓ[i],12,-6*ℓ[i]],
                            [6*ℓ[i],2*ℓ[i]^2,-6*ℓ[i],4*ℓ[i]^2])   */




Trial-Functions

Die Koordinaten eines Finiten Elements sind

.

Der Ansatz für die Näherung der Auslenkung w(x,t) ist

Die Drehwinkel sind hier so gewählt, dass 

.
Nodal and independent Coordinates

Trialfunctions

Die einzelnen Trial-Functions sind:

linker Rand (Knoten "i-1")rechter Rand (Knoten "i")
Trial-Function for Wi-1
Trial-Function for Wi
Trial-Function für Φi-1
Trial-Function für Φi

Faltungsintegrale

... für die symmetrische Massenmatrix. Tabelliert sind die Werte der Integrale

ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4
ϕ1
ϕ2
ϕ3
ϕ4symm.

.. für die symmetrische Steifigkeitsmatrix. Tabelliert sind die Werte der Integrale

ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4
ϕ1
ϕ2
ϕ3
ϕ4symm.






symm.

.. für die symmetrische Steifigkeitsmatrix. Tabelliert sind die Werte der Integrale

symm.





Links

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Literature

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