Gelöste Aufgaben/StaF: Unterschied zwischen den Versionen

Aus numpedia
Zur Navigation springen Zur Suche springen
Keine Bearbeitungszusammenfassung
Keine Bearbeitungszusammenfassung
Zeile 20: Zeile 20:
Gesucht ist ein Vergleich zwischen der klassischen Stabwerkstheorie und einer Herangehensweise, bei der wir eine feste Verbindung der Stäbe in den Knoten ansetzten. Grundlage des Modells ist die FEM-Lösung der Felddifferentialgleichung im Vergleich zur Lösung in Problemstellung „Stab“.
Gesucht ist ein Vergleich zwischen der klassischen Stabwerkstheorie und einer Herangehensweise, bei der wir eine feste Verbindung der Stäbe in den Knoten ansetzten. Grundlage des Modells ist die FEM-Lösung der Felddifferentialgleichung im Vergleich zur Lösung in Problemstellung „Stab“.
</onlyinclude>
</onlyinclude>
Wir stellen das Modell des Stabwerks mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen auf und vergleichen, wie sich diese von der Herangehensweise aus „Stab“ mit der analytischen Lösung unterscheidet.  
Wir stellen das Modell des Stabwerks mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen auf und vergleichen, wie sich diese von der Herangehensweise aus „[https://numpedia.rzbt.haw-hamburg.de/index.php?title=Gel%C3%B6ste_Aufgaben/Stab Stab]“ mit der analytischen Lösung unterscheidet.  


== Lösung mit Maxima ==
== Lösung mit Maxima ==
Zeile 26: Zeile 26:


===Declarations===
===Declarations===
Wir übernehmen alle Vereinbarungen und Parameter aus der Problemformulierung „Stab“.
Wir übernehmen alle Vereinbarungen und Parameter aus der Problemformulierung „[https://numpedia.rzbt.haw-hamburg.de/index.php?title=Gel%C3%B6ste_Aufgaben/Stab Stab]“.


===Gleichgewichtsbedingungen===
===Gleichgewichtsbedingungen===
Zeile 38: Zeile 38:
benötigen wir die virtuelle Formänderungsenergie <math>\delta \Pi</math> und die virtuelle Arbeit der äußeren Kraft <math>\delta W^a</math> der äußeren Kräfte und Momente.
benötigen wir die virtuelle Formänderungsenergie <math>\delta \Pi</math> und die virtuelle Arbeit der äußeren Kraft <math>\delta W^a</math> der äußeren Kräfte und Momente.


Mit den Konventionen für die Knoten-Verschiebungen aus [[https://numpedia.rzbt.haw-hamburg.de/index.php?title=Gel%C3%B6ste_Aufgaben/Stab Stab]] ist  
Mit den Konventionen für die Knoten-Verschiebungen aus [https://numpedia.rzbt.haw-hamburg.de/index.php?title=Gel%C3%B6ste_Aufgaben/Stab Stab] ist  
::<math>
::<math>
\delta W^a = -\delta W_{4,0} \cdot F
\delta W^a = -\delta W_{4,0} \cdot F
Zeile 70: Zeile 70:
\left(\begin{array}{c}U_{I,k}\\U_{J,k}\end{array}\right)
\left(\begin{array}{c}U_{I,k}\\U_{J,k}\end{array}\right)
</math>
</math>


Für den Stab ''k'' definieren wir
Für den Stab ''k'' definieren wir
::<math>\underline{Q} = \left(\begin{array}{c}
::<math>\underline{Q}_{k,k} = \left(\begin{array}{c}
U_{I,k}\\
U_{I,k}\\
W_{I,k}\\
W_{I,k}\\
Zeile 81: Zeile 79:
W_{J,k}\\
W_{J,k}\\
\Phi_{J,k}\\
\Phi_{J,k}\\
\end{array}\right)</math> sowie <math>\delta\underline{Q} = \left(\begin{array}{c}
\end{array}\right)</math> sowie <math>\delta\underline{Q}_{k,k} = \left(\begin{array}{c}
\delta U_{I,k}\\
\delta U_{I,k}\\
\delta W_{I,k}\\
\delta W_{I,k}\\
Zeile 93: Zeile 91:
und finden damit
und finden damit
::<math>
::<math>
\delta \Pi_k = \delta \underline{Q}^T \cdot \underline{\underline{K}}_k \cdot \underline{Q}
\delta \Pi_k = \delta \underline{Q}_{k,k}^T \cdot \underline{\underline{K}}_{k,k} \cdot \underline{Q}_{k,k}
</math>
</math>


mit der Element-Steifigkeitsmatrix
mit der Element-Steifigkeitsmatrix des Elements ''k'' im ''k''-Koordinatensystem
::<math>
::<math>
\underline{\underline{K}}_k =  
\underline{\underline{K}}_{k,k} =  
\frac{EI}{\ell_i^3}
\frac{EI}{\ell_i^3}
\cdot
\cdot
Zeile 120: Zeile 118:
</math>
</math>


===Transformation der Koordinaten in das globale System===
In den Ausdrücken der virtuellen Formänderungsenergie stehen die Koordinaten des lokalen Koordinatensystems von ''k''. Die müssen wir, wie in [https://numpedia.rzbt.haw-hamburg.de/index.php?title=Gel%C3%B6ste_Aufgaben/Stab Stab] mit der Euler-Drehmatrix ineinander überführen.


Dafür haben wir
::<math>
\left(\begin{array}{c}U_{I,0}\\W_{I,0}\\\Phi_{I,0}\end{array}\right) =
\underline{\underline{D}}_R(\alpha)\cdot
\left(\begin{array}{c}U_{I,k}\\W_{I,k}\\\Phi_{I,k}\end{array}\right)
</math>
mit der Transformationsmatrix
::<math>
\underline{\underline{D}}_R(\alpha) =
\left(\begin{array}{c} \cos(\alpha)& \sin(\alpha)& 0\\
                      -\sin(\alpha)& \cos(\alpha)& 0\\
                            0    &        0  & 1\end{array}\right)
</math>
Damit wir für die Elementsteifigkeitsmatrix - mit beiden Anfangs- und Endknoten des Elements - vom "0"-System ins "k"-System transformieren, brauchen wir die neue Matrix
::<math>
\underline{\underline{D}}_T(\alpha) =
\left(\begin{array}{c} \underline{\underline{D}}^T_R(\alpha)& \underline{\underline{0}}\\
                      \underline{\underline{0}}            & \underline{\underline{D}}^T_R(\alpha)
\end{array}\right)
</math>
Mit diesen Transformationsmatrizen ist
::<math>
\delta\Pi = \sum_{k=1}^4 \delta \underline{Q}_{k,0}^T\cdot
                        \underbrace{
                        \underline{\underline{D}}_T^T(\alpha_k)\cdot
                        \underline{\underline{K}}_{k,k}\cdot
                        \underline{\underline{D}}_T(\alpha_k)}_{:=
                        \underline{\underline{K}}_{k,0} }\cdot
                        \underline{Q}_{k,0}
</math>
Wir sammeln alle Koordianten der Knoten im ''0''-System in
<math>\underline{Q}_{0}</math> und schreiben die Gleichgewichtsbedingungen in der Form
::<math>
\delta\underline{Q}_{0}^T\cdot\left(\underline{\underline{K}}_{0}\cdot\underline{Q}_{0}
- \underline{P}\right) = 0
</math>


an. Die Randbedingungen arbeiten wir hier durch das Streichen der passenden Zeilen für <math>\delta U_{1,0},\delta W_{1,0},\delta U_{2,0},\delta W_{2,0}</math> sowie der passenden Spalten für <math>U_{1,0},W_{1,0},U_{2,0},W_{2,0}</math> ein.


 
Das resultierende Gleichungssystem ist dies:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
::<math>
::<math>
\begin{pmatrix}
\begin{pmatrix}

Version vom 22. Oktober 2024, 09:38 Uhr


Aufgabenstellung

Wir untersuchen die Belastung eines ebenen Stabwerks. Die Stäbe haben wie skizziert die Länge ℓ bzw. ℓ/2. Die Struktur wird mit der Kraft F belastet.


Caption

Gesucht ist ein Vergleich zwischen der klassischen Stabwerkstheorie und einer Herangehensweise, bei der wir eine feste Verbindung der Stäbe in den Knoten ansetzten. Grundlage des Modells ist die FEM-Lösung der Felddifferentialgleichung im Vergleich zur Lösung in Problemstellung „Stab“.

Wir stellen das Modell des Stabwerks mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen auf und vergleichen, wie sich diese von der Herangehensweise aus „Stab“ mit der analytischen Lösung unterscheidet.

Lösung mit Maxima

Wir nutzen das Computer-Algebra-System Maxima zur Lösung. Das macht hier Sinn, weil wir die Herangehensweise mit der aus Stab vergleichen wollen – für die wir ebenfalls Maxima eingesetzt haben.

Declarations

Wir übernehmen alle Vereinbarungen und Parameter aus der Problemformulierung „Stab“.

Gleichgewichtsbedingungen

Für die Gleichgewichtsbedingung nach dem Prinzip der virtuellen Verrückungen

benötigen wir die virtuelle Formänderungsenergie und die virtuelle Arbeit der äußeren Kraft der äußeren Kräfte und Momente.

Mit den Konventionen für die Knoten-Verschiebungen aus Stab ist

.

Für gilt

mit den virtuellen Formänderungsarbeiten der vier Stäbe.

Dabei haben wir Anteile der Arbeit aus der [Biegung] und der Längs-Dehnung des Stabes.

Für den Stab k mit den Knoten I und J haben wir als Koodinaten der Knoten

und .

Damit haben wir

Für den Stab k definieren wir

sowie

und finden damit

mit der Element-Steifigkeitsmatrix des Elements k im k-Koordinatensystem

Transformation der Koordinaten in das globale System

In den Ausdrücken der virtuellen Formänderungsenergie stehen die Koordinaten des lokalen Koordinatensystems von k. Die müssen wir, wie in Stab mit der Euler-Drehmatrix ineinander überführen.

Dafür haben wir

mit der Transformationsmatrix

Damit wir für die Elementsteifigkeitsmatrix - mit beiden Anfangs- und Endknoten des Elements - vom "0"-System ins "k"-System transformieren, brauchen wir die neue Matrix

Mit diesen Transformationsmatrizen ist

Wir sammeln alle Koordianten der Knoten im 0-System in und schreiben die Gleichgewichtsbedingungen in der Form

an. Die Randbedingungen arbeiten wir hier durch das Streichen der passenden Zeilen für sowie der passenden Spalten für ein.

Das resultierende Gleichungssystem ist dies:

Hier kommt jetzt irgendein Text.

Title

Text


1+1




Element-Steigigkeitsmatrizen mit globalen Koordinaten
Element #1

Element #2

Element #3

Element #4


Links

  • ...

Literature

  • ...