Gelöste Aufgaben/Kw99: Unterschied zwischen den Versionen

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Diese Aufgabe mit der [[Randwertprobleme/Methoden zur Lösung von Randwertproblemen/Finite Elemente Methode|Methode der Finiten Elemente]] in [[Gelöste Aufgaben/Kw96|KW96]] gelöst.
Diese Aufgabe mit der [[Randwertprobleme/Methoden zur Lösung von Randwertproblemen/Finite Elemente Methode|Methode der Finiten Elemente]] in [[Gelöste Aufgaben/Kw96|KW96]] gelöst. Und im Vergleich zu [[Gelöste Aufgaben/Kw98|KW98]] wird hier die analytische Lösung mit dimensionslosen Koordinaten angeschreiben.
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/* author: Andreas Baumgart                            */
/* author: Andreas Baumgart                            */
/* last updated: 2017-09-06                            */
/* last updated: 2017-09-06                            */
/* ref: TM-C, Labor 1                                 */
/* ref: TM-C, Labor 1 - dimensionslos                  */
/* description                                         */
/* description: die Auslenkung w und die unabhängige  */
/*                                                     */
/*             Ortskoordinate werden dim'los gemacht  */
/*******************************************************/
/*******************************************************/
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{{MyCodeBlock|title=Declarations
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Wir definieren die Parameter
Wir definieren die Formfunktionen für die Streckenlast
 
::<math>\begin{array}{l}{{\phi}_{0}}\left( \xi\right) :=1-\xi\\{{\phi}_{1}}\left( \xi\right) :=\xi\end{array} \text{ mit } \xi = \displaystyle\frac{x_1}{\ell_1}</math>.
::<math>\begin{array}{l}q_{A}=\frac{3\cdot kN}{m},\\l_{1}=\frac{7\cdot m}{10}, \\EI_{1}=33600\; N\; {{m}^{2}},\\{{l}_{2}}=\frac{21\; m}{40},\\EI_{2}=16800\; N\;{{m}^{2}},\\{{K}_{A}}=96\;kN\; m,\\{{k}_{C}}=\frac{22\;kN}{m},\\{{k}_{B}}=\frac{98\;kN}{m},\\{{q}_{B}}=\frac{12\; N}{mm},\\{{M}_{B}}=1470\; Nm\end{array}</math>.
 
und die Formfunktionen für die Streckenlast
 
::<math>\begin{array}{l}{{\phi}_{0}}\left( \xi\right) :=1-\xi\\{{\phi}_{1}}\left( \xi\right) :=\xi\end{array}</math>.
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<syntaxhighlight lang="lisp" line start=1>
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/* system parameter */
/* system parameter */
units  : [mm = m/1000, cm = m/100];
params: [EI[2]=EI[1]/2,
params : [q[A]=3*N/mm, l[1]=700*mm, EI[1] = 2.1*10^11*N/m^2 * 3*cm*(4*cm)^3/12];
        K[A]=EI[1]/l[1],
simple : [l[2] = 3/4*l[1], EI[2] = EI[1]/2,
        k[B]=0,
          K[A]=2*EI[1]/l[1], k[C] = 512/229*EI[1]/l[1]^3, k[B] = EI[1]/l[1]^3,  
        k[C] = EI[1]/l[1]^3,
          q[B] = 4*q[A], M[B] = q[A]*l[1]^2];
        q[B]=4*q[A],
 
        l[2]=l[1]/2,
params : append(params,makelist(lhs(simple[i])=subst(params,rhs(simple[i])),i,1,length(simple)));
        M[B] = 5*q[A]*l[1]^2];
params : subst(units,params);


/* form - functions  */
/* form - functions  */
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}}
}}


<!-------------------------------------------------------------------------------->
{{MyCodeBlock|title=Formfunctions
|text=
In Bereich I und II gilt dieselbe Bewegungs-Differentialgleichung


::<math>E\; I_i w_i^{IV}(x_i) = q(x_i) ,\;\; i=\{1,2\} \text{ mit } q(x_i) = q_0\cdot\phi_0(\xi) + q_1\cdot\phi_1(\xi)</math>,


die wir durch Integration lösen und dann bereichsweise anpassen.
/* system parameter */
params: [EI[2]=EI[1]/2,
        K[A]=EI[1]/l[1],
        k[B]=0,
        k[C] = EI[1]/l[1]^3,
        q[B]=4*q[A],
        l[2]=l[1]/2,
        M[B] = 5*q[A]*l[1]^2];


So gilt für Bereich II: ''q<sub>0</sub> = 0'' und ''q<sub>1</sub> = 0''.
/* form - functions  */
phi[0](xi) := 1 - xi;
phi[1](xi) :=     xi;


Die allgemeine Lösung ist mit


::<math>\displaystyle \phi_i(x) = \frac{dw(x)}{dx}</math>
<!-------------------------------------------------------------------------------->
 
{{MyCodeBlock|title=Formfunctions
... für Bereich I:
|text=
 
Y
::<math>\begin{array}{l} {{w}_{1}}\left( x\right) :=\frac{120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,0}}+120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,1}}\cdot x+60\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,2}}\cdot {{x}^{2}}+20\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,3}}\cdot {{x}^{3}}+5\cdot {{l}_{1}}\cdot {{x}^{4}}\cdot {{q}_{A}}+{{x}^{5}}\cdot \left( {{q}_{B}}-{{q}_{A}}\right) }{120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{\mathit{EI}}_{1}}}\\ {{\phi}_{1}}\left( x\right) :=\frac{120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,1}}+120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,2}}\cdot x+60\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,3}}\cdot {{x}^{2}}+20\cdot {{l}_{1}}\cdot {{x}^{3}}\cdot {{q}_{A}}+5\cdot {{x}^{4}}\cdot \left( {{q}_{B}}-{{q}_{A}}\right) }{120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{\mathit{EI}}_{1}}}\\ {{M}_{1}}\left( x\right) :=-\frac{120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,2}}+120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,3}}\cdot x+60\cdot {{l}_{1}}\cdot {{x}^{2}}\cdot {{q}_{A}}+20\cdot {{x}^{3}}\cdot \left( {{q}_{B}}-{{q}_{A}}\right) }{120\cdot {{l}_{1}}}\\ {{Q}_{1}}\left( x\right) :=-\frac{120\cdot {{l}_{1}}\cdot {{C}_{1,3}}+120\cdot {{l}_{1}}\cdot x\cdot {{q}_{A}}+60\cdot {{x}^{2}}\cdot \left( {{q}_{B}}-{{q}_{A}}\right) }{120\cdot {{l}_{1}}} \end{array}</math>
 
... für Bereich II:
 
::<math>\begin{array}{l} {{w}_{2}}\left( x\right) :=\frac{120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,0}}+120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,1}}\cdot x+60\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,2}}\cdot {{x}^{2}}+20\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,3}}\cdot {{x}^{3}}}{120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{\mathit{EI}}_{2}}}\\ {{\phi}_{2}}\left( x\right) :=\frac{120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,1}}+120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,2}}\cdot x+60\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,3}}\cdot {{x}^{2}}}{120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{\mathit{EI}}_{2}}}\\ {{M}_{2}}\left( x\right) :=-\frac{120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,2}}+120\cdot {{l}_{2}}\cdot {{C}_{2,3}}\cdot x}{120\cdot {{l}_{2}}}\\ {{Q}_{2}}\left( x\right) :=-{{C}_{2,3}} \end{array}</math>.
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<syntaxhighlight lang="lisp" line start=1>
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/* solve ....*/
Y</syntaxhighlight>
dgl : EI[i]*diff(w(x),x,4) = q[0]*phi[0](x/l[i]) + q[1]*phi[1](x/l[i]);
}}
/* generic solution */
displ : solve(integrate(integrate(integrate(integrate(dgl,x),x),x),x),w(x));
sections: [[i=1, %c4=C[1,0], %c3=C[1,1], %c2=C[1,2], %c1=C[1,3], q[0]=q[A], q[1]=q[B]],
          [i=2, %c4=C[2,0], %c3=C[2,1], %c2=C[2,2], %c1=C[2,3], q[0]= 0  , q[1]= 0  ]];
 
/* section I */
define(  w[1](x),  subst(sections[1],subst(displ,w(x))));
define(Phi[1](x),  diff(w[1](x),x  ));
define(  M[1](x), -EI[1]*diff(w[1](x),x,2));
define(  Q[1](x), -EI[1]*diff(w[1](x),x,3));


/* section II */
define(  w[2](x),  subst(sections[2],subst(displ,w(x))));
define(Phi[2](x),  diff(w[2](x),x  ));
define(  M[2](x), -EI[2]*diff(w[2](x),x,2));
define(  Q[2](x), -EI[2]*diff(w[2](x),x,3));
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}}


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Für die 2*4 = 8 Integrationskonstanten
Für die 2*4 = 8 Integrationskonstanten


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für die Integrationskonstanten.
für die Integrationskonstanten.
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Version vom 31. März 2021, 12:28 Uhr


Aufgabenstellung

Ein Stab ABC ist durch eine lineare veränderliche Streckenlast q mit den Eckwerten qA in A und qB in B sowie dem Moment MB in B belastet. Der Stab (E-Modul: E) besteht aus zwei Sektionen mit den Längen l1 bzw. l2 sowie den Flächenmomenten I1 bzw. I2. Der Stab ist in A durch ein gelenkiges Festlager, in C durch eine Schiebehülse gelagert, in B sind die beiden Sektionen fest miteinander verbunden. Die Feder in A ist eine Drehfester mit Steifigkeit KA, die Federn in B und C sind Translationsfedern mit den Steifigkeiten kB, kC.


Lageplan

Gesucht ist die analytische Lösung für den Euler-Bernoulli-Balken. Im Vergleich zu Kw98 wird hier eine Lösung mit normierten Koordinaten versucht.

Systemparameter

Ermitteln Sie für ein Euler-Bernoulli-Modell die analytischen Verläufe der Schnittgrößen und Verschiebungen im Balken für diese Parameter:

Lösung mit Maxima

Die Aufgabe ist ein klassisches Randwertproblem:

  1. zwei Gebiete, in denen ein Euler-Bernoulli-Balken in AB und BC durch eine Streckenlast q belastet ist (in Bereich II ist die Streckenlast allerdings Null) und somit durch die Differentialbeziehung
    EIiwiIV(xi)=q(xi),i={1,2}
    berschrieben wird.
  2. Rand- und Übergangsbedingungen in den Punkten A, B, C

Wir verwenden xi und ξi als Koordinaten je Bereich, in der Übersicht sieht das Randwertproblem so aus:

Rand
A
Bereich IÜbergang
B
Bereich IIRand
C


Header

Diese Aufgabe mit der Methode der Finiten Elemente in KW96 gelöst. Und im Vergleich zu KW98 wird hier die analytische Lösung mit dimensionslosen Koordinaten angeschreiben.




Declarations

Wir definieren die Formfunktionen für die Streckenlast

ϕ0(ξ):=1ξϕ1(ξ):=ξ mit ξ=x11.





/* system parameter */ params: [EI[2]=EI[1]/2,

        K[A]=EI[1]/l[1],
        k[B]=0,
        k[C] = EI[1]/l[1]^3,
        q[B]=4*q[A],
        l[2]=l[1]/2,
        M[B] = 5*q[A]*l[1]^2];

/* form - functions */ phi[0](xi) := 1 - xi; phi[1](xi) := xi;


Formfunctions

Y




Für die 2*4 = 8 Integrationskonstanten

[C1,0,C1,1,C1,2,C1,3,C2,0,C2,1,C2,2,C2,3]

suchen wir jetzt die passenden Gleichungen aus Rand- und Übergangsbedingungen.

Zur besseren Übersicht nennen wir die Schnitt-Momente und -Kräfte nach den jeweiligen Knotenpunkten A, B, C und fügen als Index ein + / - hinzu, um die Seite (+: rechts vom Knoten, -: links vom Knoten) zu kennzeichnen.

Aus Rand "A"

Geometrische Randbedingungen
  1. w1(0)=0

Kraft- und Momenten-Randbedingungen

  1. KAϕA+MA,+=0 mit MA,+=EI1w(x)|x=0

Aus Übergang "B"

Geometrische Randbedingungen
  1. w1(1)=w2(1)
  2. ϕ1(1)=ϕ2(1)

Kraft- und Momenten-Randbedingungen

  1. MB,MB+MB,+=0
  2. QB,kBwB+QB,+=0

Aus Rand "C"

Geometrische Randbedingungen
  1. ϕ2(2)=0

Kraft- und Momenten-Randbedingungen

  1. QC,kCwC=0

Und das liefert das Gleichungssystem aus 8 Gleichungen

(C1,0EI1=0C1,1KAEI1C1,2=014qB120EI1+14qA30EI1+13C1,36EI1+12C1,22EI1+1C1,1EI1+C1,0EI1=C2,0EI213qB24EI1+13qA8EI1+12C1,32EI1+1C1,2EI1+C1,1EI1=C2,1EI21qB2C2,0kBEI2+1qA2C2,3+C1,3=0MB+12qB6+12qA3C2,2+1C1,3+C1,2=022C2,32EI2+2C2,2EI2+C2,1EI2=023C2,3kC6EI222C2,2kC2EI22C2,1kCEI2C2,0kCEI2+C2,3=0)

für die Integrationskonstanten.



Boundary Conditions




Prepare for Solver

Das Gleichungssystem wollen wir als

A__x_=b_

schreiben, also

Fehler beim Parsen (Unbekannte Funktion „\begin{pmatrix}“): {\displaystyle \begin{pmatrix}\frac{1}{{{\mathit{EI}}_{1}}} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & \frac{{{K}_{A}}}{{{\mathit{EI}}_{1}}} & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ \frac{1}{{{\mathit{EI}}_{1}}} & \frac{{{\ell}_{{MyCodeBlock|title=Prepare for Solver |text= Das Gleichungssystem wollen wir als  ::<math>\underline{\underline{A}}\cdot\underline{x}= \underline{b}}

schreiben, also

Fehler beim Parsen (Unbekannte Funktion „\begin{pmatrix}“): {\displaystyle \begin{pmatrix}\frac{1}{{{\mathit{EI}}_{1}}} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & \frac{{{K}_{A}}}{{{\mathit{EI}}_{1}}} & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ \frac{1}{{{\mathit{EI}}_{1}}} & \frac{{{\ell}_{{MyCodeBlock|title=Prepare for Solver |text= Das Gleichungssystem wollen wir als  ::<math>\underline{\underline{A}}\cdot\underline{x}= \underline{b}}

schreiben, also

(1EI100000000KAEI11000001EI11EI1122EI1136EI11EI200001EI11EI1122EI101EI2000001kBEI200100110010000001EI22EI2222EI20000kCEI22kCEI222kC2EI223kC6EI26EI2)x_=(0014qB120EI114qA30EI113qB24EI113qA8EI11qB21qA2MB12qB612qA300)

Die Matrix-Elemente sind für die Koeffizientenmatrix

a1,1=1/EI1a2,2=KA/EI1a2,3=1a3,1=1/EI1a3,2=1/EI1a3,3=12/(2EI1)a3,4=13/(6EI1)a3,5=1/EI2a4,2=1/EI1a4,3=1/EI1a4,4=12/(2EI1)a4,6=1/EI2a5,4=1a5,5=kB/EI2a5,8=1a6,3=1a6,4=1a6,7=1a7,6=1/EI2a7,7=2/EI2a7,8=22/(2EI2)a8,5=kC/EI2a8,6=(2kC)/EI2a8,7=(22kC)/(2EI2)a8,8=(23kC6EI2)/(6EI2)

und für die rechte Seite

b1=0b2=0b3=((14qB)/(120EI1))(14qA)/(30EI1)b4=((13qB)/(24EI1))(13qA)/(8EI1)b5=((1qB)/2)(1qA)/2b6=MB(12qB)/6(12qA)/3b7=0b8=0.




Solving

Das Lösen des Gleichungssystems liefert

C1,0=0,C1,1=246.1Nm2,C1,2=703.2Nm,C1,3=2404.3N,C2,0=127.6Nm3,C2,1=224.7Nm2,C2,2=979.8Nm,C2,3=2101.8N.




Post-Processing

Und die Ergebnisse können wir uns anschauen ...

... für w(x):

Biegelinie w(x)

... für Φ(x):

Kippung w'(x)

... für M(x):

Biegemoment M(x)

... für Q(x):

Querkraft Q(x)

... für die Lager-Reaktionskräfte:

Az=2571qA1365,MA=133112qA1170,Bz=0,Cz=63111qA2730,MC=3103712qA16380





Links

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Literature

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