Gelöste Aufgaben/UEBL: Unterschied zwischen den Versionen

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==Aufgabenstellung==
==Aufgabenstellung==
SOME TEXT
Die Problemstellung ist identisch zu [[Gelöste Aufgaben/UEBI|UEBI]] (und [[Gelöste Aufgaben/UEBJ|UEBJ]], [[Gelöste Aufgaben/UEBK|UEBK]]):


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Der [[Sources/Lexikon/Euler-Bernoulli-Balken|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''.<onlyinclude>
[[Datei:UEBF-01.png|250px|left|mini|Lageplan]]
[[Datei:UEBF-01.png|250px|left|mini|Lageplan]]
Gesucht ist "SOME EXPLANATION"
Gesucht ist eine Näherungslösung mit der Methode der Finiten Elementen, die nur Elemente mit stückweise konstanten Querschnitts-Eigenschaften zulassen.
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Gegeben sind für den Balken:
* Länge ''ℓ'', Breite ''b,''
* E-Modul ''E'', Dichte ''ρ'' und
* die Höhe ''h''<sub>0</sub>''=b'' und ''h<sub>1</sub>'' jeweils in ''A'' und ''B''; dazwischen ist die Höhe linear veränderlich.


== Lösung mit Maxima ==
== Lösung mit Maxima ==
Lorem Ipsum ....
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Unsere [[Randwertprobleme/Methoden zur Lösung von Randwertproblemen/FEM: Trial-Functions für kubische Ansatz-Polynome|FEM-Formulierung mit kubischen Ansatz-Polynomen]] für [[Sources/Lexikon/Euler-Bernoulli-Balken|Euler-Bernoulli-Balken]] ist auf Stäbe mit elementweise konstantem Querschnitt beschränkt: ''E'' und ''I'' müssen je Element konstant sein.
 
Für dieses Problem können wir die Formulierung also - nominell - nicht anwenden. Wir müssten im Abschnitt [[Sources/Lexikon/Virtuelle Formänderungsenergie|Virtuelle Formänderungsenergie]] die Integration für linear-veränderliche Querschnittsflächen ansetzen und durchführen.
 
Das machen wir hier nicht.[[Datei:UEBL-11.png|mini|FE-Modell]]Wir schauen uns an, wie die Lösung für das Ersatz-Modell aussieht, bei dem wir uns den Originalstab durch einen stufenweise abgesetzten Stab ersetzt denken - hier für zwei Elemente.
 
Die Querschnittseigenschaften je Element seien die des Original-Stabes im Element-Mittelpunkt.<!-------------------------------------------------------------------------------->


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Wir benutzen die Parameter-Deklarationen aus UEBI und laden außerdem die analytische Lösung von dort.
 
Einziger Unterschied: um die Element-Länge ''ℓ<sub>i</sub>'' in Element "i" eindeutig von der Gesamt-Länge des Stabes zu unterscheiden, wählen wir für die Gesamt-Länge den Parameter ''ℓ<sub>0</sub>'' statt ''ℓ.''<!-------------------------------------------------------------------------------->
 
 
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Wir verwenden aus Abschnitt FEM-Formulierung für den Euler-Bernoulli-Balken
 
* die Standard Element-Steifigkeitsmatrix
<math>\displaystyle \underline{\underline{K}}_i = \frac{E I_i}{\ell_i^3} \;
\begin{pmatrix}12 & 6\cdot {{\ell}_{i}} & -12 & 6\cdot {{\ell}_{i}}\\ 6\cdot {{\ell}_{i}} & 4\cdot {{\ell}_{i}^{2}} & -6\cdot {{\ell}_{i}} & 2\cdot {{\ell}_{i}^{2}}\\ -12 & -6\cdot {{\ell}_{i}} & 12 & -6\cdot {{\ell}_{i}}\\ 6\cdot {{\ell}_{i}} & 2\cdot {{\ell}_{i}^{2}} & -6\cdot {{\ell}_{i}} & 4\cdot {{\ell}_{i}^{2}}\end{pmatrix}</math>
* und die Element-"Rechte Seite "
<math>\underline{P}_i = \rho\,A_i\,g\, \ell_i \cdot
\begin{pmatrix}\displaystyle\frac{1}{2}\\ \displaystyle \frac{{{\ell}_{i}}}{12}\\ \displaystyle \frac{1}{2}\\ -\displaystyle \frac{{{\ell}_{i}}}{12}\end{pmatrix}</math>.
 
Hier dürfen also der (mittlere) Querschnittsflächeninhalt ''A<sub>i</sub>'', das (mittlere) Flächenmoment ''I<sub>i</sub>'' und die Länge ''ℓ<sub>i</sub>'' je Element unterschiedliche Werte annehmen.
 
Ab hier haben wir einige Freiheiten und die füllen wir folgendermaßen:
 
* Die Anzahl der Finiten Element ist 3.
* Die Element-Längen wählen wir so, dass sie sich in Stab-Längsrichtung verdoppeln, also
<math>\ell_{i+1} = 2 \cdot \ell_i</math>
 
Dann sind mit
 
<math>\lambda_i := \ell_i/\ell_0</math>
 
die relativen Element-Längen
 
<math>\displaystyle {{\lambda}_{1}}=\frac{1}{7},{{\lambda}_{2}}=\frac{2}{7},{{\lambda}_{3}}=\frac{4}{7}</math>.
 
Für diese drei Element bestimmen wir die "mid-point"-Querschnittseigenschaften zu
 
<math>\displaystyle
\tilde{A}_1 = \frac{\left( \frac{13\cdot {{h}_{0}}}{7}+\frac{{{h}_{1}}}{7}\right) \cdot b}{2},
\tilde{A}_2 = \frac{\left( \frac{10\cdot {{h}_{0}}}{7}+\frac{4\cdot {{h}_{1}}}{7}\right) \cdot b}{2},
\tilde{A}_3 =  \frac{\left( \frac{4\cdot {{h}_{0}}}{7}+\frac{10\cdot {{h}_{1}}}{7}\right) \cdot b}{2}</math>
 
und
 
<math>\displaystyle
\tilde{I}_1 = \frac{{{\left( \frac{13\cdot {{h}_{0}}}{7}+\frac{{{h}_{1}}}{7}\right) }^{3}}\cdot b}{96},
\tilde{I}_2 = \frac{{{\left( \frac{10\cdot {{h}_{0}}}{7}+\frac{4\cdot {{h}_{1}}}{7}\right) }^{3}}\cdot b}{96},
\tilde{I}_3 = \frac{{{\left( \frac{4\cdot {{h}_{0}}}{7}+\frac{10\cdot {{h}_{1}}}{7}\right) }^{3}}\cdot b}{96}</math>
 
Einsetzen und komponieren der Gesamt-Systemmatrix - mit Einarbeiten der geometrischen Randbedingungen - liefert
 
<math>\frac{{{b}^{4}}\cdot E}{{{\ell}_{0}^{3}}}\cdot
\begin{pmatrix}\frac{21411}{64} & -\frac{16227\cdot {{\ell}_{0}}}{896} & -27 & \frac{27\cdot {{\ell}_{0}}}{7} & 0 & 0\\ -\frac{16227\cdot {{\ell}_{0}}}{896} & \frac{8865\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{3136} & -\frac{27\cdot {{\ell}_{0}}}{7} & \frac{18\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{49} & 0 & 0\\ -27 & -\frac{27\cdot {{\ell}_{0}}}{7} & \frac{14553}{512} & -\frac{6183\cdot {{\ell}_{0}}}{1792} & -\frac{729}{512} & \frac{729\cdot {{\ell}_{0}}}{1792}\\ \frac{27\cdot {{\ell}_{0}}}{7} & \frac{18\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{49} & -\frac{6183\cdot {{\ell}_{0}}}{1792} & \frac{1395\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{1568} & -\frac{729\cdot {{\ell}_{0}}}{1792} & \frac{243\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{3136}\\ 0 & 0 & -\frac{729}{512} & -\frac{729\cdot {{\ell}_{0}}}{1792} & \frac{729}{512} & -\frac{729\cdot {{\ell}_{0}}}{1792}\\ 0 & 0 & \frac{729\cdot {{\ell}_{0}}}{1792} & \frac{243\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{3136} & -\frac{729\cdot {{\ell}_{0}}}{1792} & \frac{243\cdot {{\ell}_{0}^{2}}}{1568}\end{pmatrix}
\cdot \underline{Q} =
m\,g\cdot \begin{pmatrix}\frac{25}{98}\\ \frac{23\cdot {{\ell}_{0}}}{4116}\\ \frac{20}{49}\\ \frac{16\cdot {{\ell}_{0}}}{1029}\\ \frac{12}{49}\\ -\frac{8\cdot {{\ell}_{0}}}{343}\end{pmatrix}</math>.<!-------------------------------------------------------------------------------->
 
 
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Das lineare Gleichungssystem lösen wir mit der Referenz-Auslenkung
 
<math>\displaystyle \hat{W} = \frac{q_{ref}\,\ell_0^4}{8\,E\,I_{ref}}</math>
 
und
 
<math>\displaystyle q_{ref} = \frac{m\,g}{\ell_0}, E\,I_{ref}=E\,b\,\frac{\left(\displaystyle \frac{h_0+h_1}{2}\right)^3}{12}</math>
 
zu
 
<math>\begin{array}{ccl}
\displaystyle \frac{  W_0}{\hat{W}} &=& 0,\\
\displaystyle \frac{\Phi_0}{\hat{W}} &=& 0,\\
\displaystyle \frac{  W_1}{\hat{W}} &=& 0.016,\\
\displaystyle \frac{\Phi_1}{\hat{W}} &=& \displaystyle \frac{0.2093}{\ell_0},\\
\displaystyle \frac{  W_2}{\hat{W}} &=& 0.1317,\\
\displaystyle \frac{\Phi_2}{\hat{W}} &=& \displaystyle \frac{0.5545}{\ell_0},\\
\displaystyle \frac{  W_3}{\hat{W}} &=& 0.5937,\\
\displaystyle \frac{\Phi_3}{\hat{W}} &=& \displaystyle \frac{0.8932}{\ell_0}
\end{array}</math>
 
mit den Bezeichnungen nach Abschnitt [[Randwertprobleme/Methoden zur Lösung von Randwertproblemen/FEM: Trial-Functions für kubische Ansatz-Polynome|FEM: Trial-Functions für kubische Ansatz-Polynome]].<!-------------------------------------------------------------------------------->
 
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Die Ergebnisse schauen wir uns als dimensionsloser Darstellung an, wobei wir wie in UEBI die Standard-Lösungen für den Balken unter konstanter Streckenlast als Referenz-Lösung ansetzen.
 
Wir finden
 
* ... für die Auslenkung ''w'':[[Datei:UEBL-31.png|mini|Biegelinie w(x)]]
* ... für den Kippwinkel ''ϕ'':[[Datei:UEBL-32.png|mini|Kippwinkel ''ϕ(x)'']]
* ... für das Biegemoment ''M'':[[Datei:UEBL-33.png|mini|Biegemomentenverlauf ''M(x)'']]
* ... für die Querkraft ''Q'':[[Datei:UEBL-34.png|mini|Querkraftverlauf ''Q(x)'']]<!-------------------------------------------------------------------------------->
 
 
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'''Literature'''
'''Literature'''
* ...
* ...
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[[Datei:UEBL-32.png|mini|Kippwinkel ''ϕ(x)'']]
[[Datei:UEBL-31.png|mini|Biegelinie w(x)]]
[[Datei:UEBL-11.png|mini|FE-Modell]]

Version vom 19. April 2021, 05:31 Uhr


Aufgabenstellung

Die Problemstellung ist identisch zu UEBI (und UEBJ, UEBK):

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.

Lageplan

Gesucht ist eine Näherungslösung mit der Methode der Finiten Elementen, die nur Elemente mit stückweise konstanten Querschnitts-Eigenschaften zulassen.

Gegeben sind für den Balken:

  • Länge ℓ, 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

tmp

Unsere FEM-Formulierung mit kubischen Ansatz-Polynomen für Euler-Bernoulli-Balken ist auf Stäbe mit elementweise konstantem Querschnitt beschränkt: E und I müssen je Element konstant sein.

Für dieses Problem können wir die Formulierung also - nominell - nicht anwenden. Wir müssten im Abschnitt Virtuelle Formänderungsenergie die Integration für linear-veränderliche Querschnittsflächen ansetzen und durchführen.

Das machen wir hier nicht.

FE-Modell

Wir schauen uns an, wie die Lösung für das Ersatz-Modell aussieht, bei dem wir uns den Originalstab durch einen stufenweise abgesetzten Stab ersetzt denken - hier für zwei Elemente.

Die Querschnittseigenschaften je Element seien die des Original-Stabes im Element-Mittelpunkt.


Header

Text


1+1




tmp

Wir benutzen die Parameter-Deklarationen aus UEBI und laden außerdem die analytische Lösung von dort.

Einziger Unterschied: um die Element-Länge ℓi in Element "i" eindeutig von der Gesamt-Länge des Stabes zu unterscheiden, wählen wir für die Gesamt-Länge den Parameter ℓ0 statt ℓ.


Declarations

Text


1+1




tmp

Wir verwenden aus Abschnitt FEM-Formulierung für den Euler-Bernoulli-Balken

  • die Standard Element-Steifigkeitsmatrix

K__i=EIiℓi3(126⋅ℓi−126⋅ℓi6⋅ℓi4⋅ℓi2−6⋅ℓi2⋅ℓi2−12−6⋅ℓi12−6⋅ℓi6⋅ℓi2⋅ℓi2−6⋅ℓi4⋅ℓi2)

  • und die Element-"Rechte Seite "

P_i=ρAigℓi⋅(12ℓi1212−ℓi12).

Hier dürfen also der (mittlere) Querschnittsflächeninhalt Ai, das (mittlere) Flächenmoment Ii und die Länge ℓi je Element unterschiedliche Werte annehmen.

Ab hier haben wir einige Freiheiten und die füllen wir folgendermaßen:

  • Die Anzahl der Finiten Element ist 3.
  • Die Element-Längen wählen wir so, dass sie sich in Stab-Längsrichtung verdoppeln, also

ℓi+1=2⋅ℓi

Dann sind mit

λi:=ℓi/ℓ0

die relativen Element-Längen

λ1=17,λ2=27,λ3=47.

Für diese drei Element bestimmen wir die "mid-point"-Querschnittseigenschaften zu

A~1=(13⋅h07+h17)⋅b2,A~2=(10⋅h07+4⋅h17)⋅b2,A~3=(4⋅h07+10⋅h17)⋅b2

und

I~1=(13⋅h07+h17)3⋅b96,I~2=(10⋅h07+4⋅h17)3⋅b96,I~3=(4⋅h07+10⋅h17)3⋅b96

Einsetzen und komponieren der Gesamt-Systemmatrix - mit Einarbeiten der geometrischen Randbedingungen - liefert

b4⋅Eℓ03⋅(2141164−16227⋅ℓ0896−2727⋅ℓ0700−16227⋅ℓ08968865⋅ℓ023136−27⋅ℓ0718⋅ℓ024900−27−27⋅ℓ0714553512−6183⋅ℓ01792−729512729⋅ℓ0179227⋅ℓ0718⋅ℓ0249−6183⋅ℓ017921395⋅ℓ021568−729⋅ℓ01792243⋅ℓ02313600−729512−729⋅ℓ01792729512−729⋅ℓ0179200729⋅ℓ01792243⋅ℓ023136−729⋅ℓ01792243⋅ℓ021568)⋅Q_=mg⋅(259823⋅ℓ04116204916⋅ℓ010291249−8⋅ℓ0343).


FEM-Formulation

Text


1+1




tmp

Das lineare Gleichungssystem lösen wir mit der Referenz-Auslenkung

W^=qrefℓ048EIref

und

qref=mgℓ0,EIref=Eb(h0+h12)312

zu

W0W^=0,Φ0W^=0,W1W^=0.016,Φ1W^=0.2093ℓ0,W2W^=0.1317,Φ2W^=0.5545ℓ0,W3W^=0.5937,Φ3W^=0.8932ℓ0

mit den Bezeichnungen nach Abschnitt FEM: Trial-Functions für kubische Ansatz-Polynome.

Solving

Text


1+1




tmp

Die Ergebnisse schauen wir uns als dimensionsloser Darstellung an, wobei wir wie in UEBI die Standard-Lösungen für den Balken unter konstanter Streckenlast als Referenz-Lösung ansetzen.

Wir finden

  • ... für die Auslenkung w:
    Biegelinie w(x)
  • ... für den Kippwinkel ϕ:
    Kippwinkel ϕ(x)
  • ... für das Biegemoment M:
    Biegemomentenverlauf M(x)
  • ... für die Querkraft Q:
    Querkraftverlauf Q(x)


Post-Processing

Text


1+1






Links

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Literature

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