Gelöste Aufgaben/StaF: Unterschied zwischen den Versionen
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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“. | ||
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Wir stellen das Modell des Stabwerks mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen auf und vergleichen, wie sich diese von der Herangehensweise aus | 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 == | ||
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===Declarations=== | ===Declarations=== | ||
Wir übernehmen alle Vereinbarungen und Parameter aus der Problemformulierung | 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=== | ||
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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 | Mit den Konventionen für die Knoten-Verschiebungen aus [https://numpedia.rzbt.haw-hamburg.de/index.php?title=Gel%C3%B6ste_Aufgaben/Stab Stab] ist | ||
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\delta W^a = -\delta W_{4,0} \cdot F | \delta W^a = -\delta W_{4,0} \cdot F | ||
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\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) | ||
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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}\\ | ||
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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}\\ | ||
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und finden damit | und finden damit | ||
::<math> | ::<math> | ||
\delta \Pi_k = \delta \underline{Q}^T \cdot \underline{\underline{K}} | \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 | ||
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\underline{\underline{K}} | \underline{\underline{K}}_{k,k} = | ||
\frac{EI}{\ell_i^3} | \frac{EI}{\ell_i^3} | ||
\cdot | \cdot | ||
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</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.

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
Element-Steigigkeitsmatrizen mit globalen Koordinaten |
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Literature
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