Gelöste Aufgaben/Kitb

Aufgabenstellung

Diese Aufgabe ist eine Variante der Aufgabe „Kita“, bei der die analytische Lösung gesucht ist.

Lageplan

Das skizzierte System ist ein Mast unter einer linear veränderlichen Windlast, der durch drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Stäbe abgestützt wird.

Gesucht ist die Näherungslösung für ein FE-Modell des Masts (Euler-Bernoulli-Balken) und der drei Dehnstäbe.

Sicht auf den Mast

Der Mast steht senkrecht dabei auf einer ebenen Unterlage mit dem festen Gelenklager „O“ und ist durch drei Stäbe abgestützt. Alle Stäbe sind in Punkt „H“ mit dem Mast verbunden und in den Punkten „A“, „B“ und „C“ gelenkig gelagert. Die Lager A, B und C sind gleichmäßig in einem Radius von R um O herum auf der Unterlage verteilt. Die Windlast hat den Maximalwert q_T und wirkt in der Ebene, die durch die Punkte A, O und H aufgespannt werden. Für die Geometrie des Masts gilt h₁ = 2 h₂, h₂ = √2 R, außerdem sei die Dehnsteifigkeiten der Stäbe E A₂=2 E A₁,E A₃=E A₁.

Der Mast hat ein zylindrisches Profil mit Innen- und Außendurchmesser d_i, d_a.

Mastprofil

Ein Knicken der drei Stäbe sei ausgeschlossen.

Lösung mit Maxima

Mit Maxima berechnen wir die Lösung des Problems mit der Methode der Finiten Elemente. Da wir in Aufgabe „Kita“ bereits die Knoten-Variablen als Hilfsgrößen eingeführt haben, können wir die Nomenklatur, Parameter und abgeleitete Größen direkt übernehmen - und die Ergebnisse auch vergleichen.

Header

Kern der Lösung ist die Komposition der Element-Steifigkeitsmatrix sowie der "rechten Seite" des Gleichungssystems.

/*******************************************************/
/* MAXIMA script                                       */
/* version: wxMaxima 21.05.2                           */
/* author: Andreas Baumgart                            */
/* last updated: 2022-08-19                            */
/* ref: NMM, Labor 2                                   */
/* Mast unter linear-veränderlicher Windlast           */
/* - Lösung mit der Methode der FE                     */
/*******************************************************/

Declarations

Die Parameter können wir direkt aus Kita übernehmen. Hinzu kommt die Definition der Trial-Functions aus XXXX – die wir anstelle der allgemeinen Lösung der Differentialbeziehung für w(x), v(x) ansetzen.

/*******************************************************/
/* declarations                                        */
/* *****************************************************/

/* parameter selection */
params: [[EA[2]=2*EA[1],EA[3]=EA[1], EA[1] = α*EI/R^2], [h[1] = 2*h[2], h[2]=sqrt(2)*R]];
assume(R>0);

/* trial-functions     */
φ : [ 2*ξ^3-3*ξ^2+1,
       (ξ^3-2*ξ^2+ξ)*ℓ[i],
        3*ξ^2-2*ξ^3,
       (ξ^3-ξ^2)*ℓ[i]];

/* non-sclar variables */
declare(r,nonscalar,
        e,nonscalar);

/* geometry           **********************************/
/* points */
geo: [r[H] = matrix([ h[1], 0, 0]),
      r[A] = matrix([   0 , R*sin(    0   ),-R*cos(    0   )]),
      r[B] = matrix([   0 , R*sin(-2*%pi/3),-R*cos(-2*%pi/3)]),
      r[C] = matrix([   0 , R*sin(+2*%pi/3),-R*cos(+2*%pi/3)])];
geo: append(geo, subst(geo, [r[1] = r[A]-r[H],
                             r[2] = r[B]-r[H],
                             r[3] = r[C]-r[H]]));
geo: append(geo, [L = sqrt(subst(geo,r[1]).subst(geo,r[1]))]);
/* unit-vecotor coefficients */
geo: append(geo, makelist(e[i]=subst(geo,r[i]/L),i,1,3));

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