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“.
</onlyinclude>
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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 „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 ==
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===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===
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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 [[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
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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)
</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}\\
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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}}_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
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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.


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

δW=!0=δΠδWa

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

Mit den Konventionen für die Knoten-Verschiebungen aus Stab ist

δWa=δW4,0F.

Für δΠ gilt

δΠ=i=04δΠi

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

UI,k,WI,k,ΦI,k und UJ,k,WJ,k,ΦJ,k.

Damit haben wir

δΠk=(δWI,k,δΦI,k,δΦJ,k,δWJ,k)EIi3(126i126i6i4i26i2i2126i126i6i2i26i4i2)(WI,kΦI,kWJ,kΦJ,k)+(δUI,k,δUJ,k)EAi(1111)(UI,kUJ,k)

Für den Stab k definieren wir

Q_k,k=(UI,kWI,kΦI,kUJ,kWJ,kΦJ,k) sowie δQ_k,k=(δUI,kδWI,kδΦI,kδUJ,kδWJ,kδΦJ,k)

und finden damit

δΠk=δQ_k,kTK__k,kQ_k,k

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

K__k,k=EIi3(0000000126i0126i06i4i206i2i20000000126i0126i06i2i206i4i2)+EAi(100100000000000000100100000000000000)

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

(UI,0WI,0ΦI,0)=D__R(α)(UI,kWI,kΦI,k)

mit der Transformationsmatrix

D__R(α)=(cos(α)sin(α)0sin(α)cos(α)0001)

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

D__T(α)=(D__RT(α)0__0__D__RT(α))

Mit diesen Transformationsmatrizen ist

δΠ=k=14δQ_k,0TD__TT(αk)K__k,kD__T(αk):=K__k,0Q_k,0

Wir sammeln alle Koordianten der Knoten im 0-System in Q_0 und schreiben die Gleichgewichtsbedingungen in der Form

δQ_0T(K__0Q_0P_)=0

an. Die Randbedingungen arbeiten wir hier durch das Streichen der passenden Zeilen für δU1,0,δW1,0,δU2,0,δW2,0 sowie der passenden Spalten für U1,0,W1,0,U2,0,W2,0 ein.

Das resultierende Gleichungssystem ist dies:

(2A2Eη3000(2A2Eη02)A2Eη3000002A2Eη30(3A2Eη402)(A2Eη402)A2Eη600(A2Eη202)A2Eη600(3A2Eη402)3A2Eη+02AE203+2AE00(3A2Eη202)(3A2Eη+02AE403)3A2Eη302AE403(3A2Eη402)(2A2Eη02)(A2Eη402)0A2Eη+302AE203+8A2Eη03(2A2Eη02)3A2Eη302AE403(A2Eη+302AE403)A2Eη402A2Eη30A2Eη60(3A2Eη202)(2A2Eη02)4A2Eη303A2Eη402(A2Eη402)A2Eη6000(3A2Eη+02AE403)3A2Eη302AE4033A2Eη4023A2Eη+02AE403+AE0(3A2Eη302AE403)3A2Eη4020(A2Eη202)3A2Eη302AE403(A2Eη+302AE403)(A2Eη402)(3A2Eη302AE403)A2Eη+302AE403+A2Eη03(3A2Eη402)0A2Eη60(3A2Eη402)A2Eη402A2Eη603A2Eη402(3A2Eη402)2A2Eη30)(W1,0U1,0Φ1,0W2,0U2,0Φ2,0W3,0U3,0Φ3,0W4,0U4,0Φ4,0)=(00000F00)

Hier kommt jetzt irgendein Text.

SomeText

Title

Text




Element-Steigigkeitsmatrizen mit globalen Koordinaten
Element #1

k1=(8A2Eη0302A2Eη02(8A2Eη03)02A2Eη0202AE000(2AE0)02A2Eη0202A2Eη30(2A2Eη02)0A2Eη30(8A2Eη03)0(2A2Eη02)8A2Eη030(2A2Eη02)0(2AE0)002AE002A2Eη020A2Eη30(2A2Eη02)02A2Eη30)

Element #2

k2=(A2Eη+302AE4033A2Eη302AE403A2Eη402(A2Eη+302AE403)(3A2Eη302AE403)A2Eη4023A2Eη302AE4033A2Eη+02AE4033A2Eη402(3A2Eη302AE403)(3A2Eη+02AE403)3A2Eη402A2Eη4023A2Eη402A2Eη30(A2Eη402)(3A2Eη402)A2Eη60(A2Eη+302AE403)(3A2Eη302AE403)(A2Eη402)A2Eη+302AE4033A2Eη302AE403(A2Eη402)(3A2Eη302AE403)(3A2Eη+02AE403)(3A2Eη402)3A2Eη302AE4033A2Eη+02AE403(3A2Eη402)A2Eη4023A2Eη402A2Eη60(A2Eη402)(3A2Eη402)A2Eη30)

Element #3

k3=(A2Eη+302AE403(3A2Eη302AE403)A2Eη402(A2Eη+302AE403)3A2Eη302AE403A2Eη402(3A2Eη302AE403)3A2Eη+02AE403(3A2Eη402)3A2Eη302AE403(3A2Eη+02AE403)(3A2Eη402)A2Eη402(3A2Eη402)A2Eη30(A2Eη402)3A2Eη402A2Eη60(A2Eη+302AE403)3A2Eη302AE403(A2Eη402)A2Eη+302AE403(3A2Eη302AE403)(A2Eη402)3A2Eη302AE403(3A2Eη+02AE403)3A2Eη402(3A2Eη302AE403)3A2Eη+02AE4033A2Eη402A2Eη402(3A2Eη402)A2Eη60(A2Eη402)3A2Eη402A2Eη30)

Element #4

k4=(A2Eη030A2Eη202(A2Eη03)0A2Eη2020AE000(AE0)0A2Eη2020A2Eη30(A2Eη202)0A2Eη60(A2Eη03)0(A2Eη202)A2Eη030(A2Eη202)0(AE0)00AE00A2Eη2020A2Eη60(A2Eη202)0A2Eη30)


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