Gelöste Aufgaben/Kw56

Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung ist identisch mit Aufgabe Kw55, hier ist die Lösung mit dem Verfahren von Rayleigh-Ritz gefragt.

Lageplan

Gesucht ist eine Näherungslösung mit dem Verfahren von Rayleigh-Ritz für ein Euler-Bernoulli-Modell der Struktur.

Verwenden Sie zwei freie Trial-Funtions.

Lösung mit Maxima

Header

Die Herausforderung der Aufgabe liegt wieder in der kinematischen Zwangsbedingung, die der starre Stab abc dem Euler-Bernoulli-Balken auferlegt. Diese Zwangsbedingung lautet

$w_B=\frac{1}{2}{w}_C$,

mit den Abkürzungen

• w_B = w( ℓ),
• 'w_C= w(2ℓ).'

Die geometrischen Randbedingungen in A erfüllen wir, indem wir Polynome ab dem Grad 2 verwenden.

Für die Lösung nach Rayleigh-Ritz können wir

• zwei freie Trial-Functions wählen, die die Zwangsbedingung selbst schon erfüllen
• mit Lagrange-Multiplikator die Zwangsbedingung einbauen.

Der zweite Weg ist bei Computer-Anwendungen meist viel einfacher - den gehen wir hier.

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/*******************************************************/
/* MAXIMA script                                       */
/* version: wxMaxima 15.08.2                           */
/* author: Andreas Baumgart                            */
/* last updated: 2019-09-01                            */
/* ref: TMC                                            */
/* description: Rayley-Ritz-Solution for EBB           */
/*              with kinemtic constraints              */
/*******************************************************/

Declarations

Wir brauchen

$q_0=\frac{mg}{\ell }$

und nutzen eine Referenzlösung (wie in Kw55)

$\begin{array}{ccc}\hat{w}& =& \frac{q_0(2\ell {)}^4}{8EI}\\ \hat{\varphi }& =& \frac{q_0(2\ell {)}^3}{6EI}\end{array}$.

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/************************************************************/
/* declare variational variables - see 6.3 Identifiers      */
declare( "ℓ", alphabetic);
declare( "ϕ", alphabetic);
declare( "λ", alphabetic);

/* system parameters                                        */
params:  [q[0] = m*g/ℓ];
dimless: [ x   = xi*ℓ];

/* make equations of motion dim'less with load case #1 from Gross e.a., same as UEBI */
reference : [W[ref] = q[0]*(2*ℓ)^4/(8*EI), ϕ[ref] = q[0]*(2*ℓ)^3/(6*EI), M[ref] = m*g*ℓ, Q[ref] = 2*m*g];

Formfunctions

Um zwei freie Trial-Functions zu bekommen, müssen wir drei ansetzen: ein Freiheitsgrad wird von der kinematischen Zwangsbedingung aufgehoben.

Also wählen wir

$w(\xi )=\hat{w}\cdot \sum _{i=2}^4{W}_i\cdot {\xi }^i$

mit

$x=\xi \cdot \ell$

und ergänzen dies um die Zwangsbedingung

$2\cdot w(1)=w(2)$.

Achtung: Der Balken ist "2"-lang.

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/************************************************************/
/* Rayleigh-Ritz                                            */
/* trial function */
trial: w(xi) = W[ref]*sum(W[j]*xi^(j),j,2,4);

/* kinemtic constraints                                     */
nodes : [W[B]=subst([xi=1], subst(trial,w(xi))), W[C]=subst([xi=2], subst(trial,w(xi)))];
BC: ratsimp(subst(nodes,[2*W[B]=W[C]])/W[ref])[1];

Equilibrium Conditions

Für die Gleichgewichtsbedingungen brauchen wir die potentielle Energie (hier die Lagrange-Funktion)

$\begin{array}{lcl}\mathrm{\Lambda }=& & \frac{1}{2\cdot {\ell }^3}EI\underset{0}{\overset{2}{\int }}{(\frac{d^2}{d{\xi }^2}\cdot w(\xi ))}^{2}d\xi \\ & -& (2mg+\frac{1}{2}mg)\cdot w(1)+\left(\frac{1}{2}mg\right)\cdot w(2)\\ & +& \lambda \cdot \frac{m^2{g}^2{\ell }^3}{EI}\cdot (2w(1)-w(2))\end{array}$

wobei der konstante Faktor bei dem Lagrange-Multiplikator λ nur der Ästhetik dient ....

Die gesuchten Größen sind nun

$\underset{\_}{Q}=\left(\begin{array}{c}{W}_2\\ W_3\\ W_4\\ \lambda \end{array}\right)$,

und die Gleichgewichtsbedingungen kommen aus

$\frac{d\mathrm{\Lambda }}{d{Q}_i}\stackrel{!}{=}0$

zu

$\begin{array}{cc}-2\lambda +256W_4+96W_3+32W_2-1& =0,\\ -2\lambda +384W_4+128W_3+32W_2+1& =0,\\ 70\lambda -18432W_4-5760W_3-1280W_2-55& =0,\\ -7W_4-3W_3-W_2& =0\end{array}$.

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/* Lagrange formulation */
Lambda : + 1/2*ℓ*'integrate(EI*diff(w(xi),xi,2)^2/ℓ^4,xi,0,2)
         - (2*m*g+m*g/2)*subst(nodes, W[B])+(m*g/2)*subst(nodes,W[C])
         + λ*m*g*(lhs(BC)-rhs(BC));
Lambda : subst(trial,Lambda);
Lambda : ev(Lambda, nouns);

X : append(makelist(W[j],j,2,4),[λ]);

fact: g^2*m^2*ℓ^3/EI; 
eom : ratsimp(subst(params,subst(reference,
       makelist(diff(Lambda/fact,X[i])=0,i,1,length(X))
      )));

Solving

Dieses lineare Gleichungssystem hat die Lösung

$W_2=\frac{23}{56},W_3=-\frac{27}{112},W_4=\frac{5}{112},\lambda =\frac{3}{14}$

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/* solve! */
sol: solve(eom,X)[1];

Post-Processing

Verläufe der gesuchten Größen

Einsetzen in die Trial-Functions liefert die (dimensionslosen) Funktionsverläufe für w, ϕ, M und Q:

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/************************************************************/
/* post - processing                                        */

/* cross-sectional bending moment */

toPlot : [
           w[xi] = ratsimp(subst(trial,w(xi))/W[ref]),
           ϕ[xi] = ratsimp(subst(params,subst(reference,    diff(subst(trial,w(xi)),xi,1)/ℓ^1/ϕ[ref]))),
           M[xi] = ratsimp(subst(params,subst(reference,-EI*diff(subst(trial,w(xi)),xi,2)/ℓ^2/M[ref]))),
           Q[xi] = ratsimp(subst(params,subst(reference,-EI*diff(subst(trial,w(xi)),xi,3)/ℓ^3/Q[ref])))
          ];

plot2d(subst(sol,subst(toPlot,[w[xi],ϕ[xi],M[xi],Q[xi]])),[xi,0,1],
       [gnuplot_preamble, "set yrange [] reverse"],
       [legend, "w", "ϕ", "M", "Q"],
       [xlabel, "x/ℓ->"], [ylabel, "<-w/w_ref, ϕ/ϕ_ref, M/M_ref, Q/Q_ref"],
       [style, [lines,2]]);

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Links

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Literature

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