Gelöste Aufgaben/TC13

Aus numpedia
Zur Navigation springen Zur Suche springen


Aufgabenstellung

Das System ist eine Variante von Aufgabe TC12. Hier ist eine Näherungslösung mit der Methode der Finiten Elemente gefragt. Das Sytem besteht aus zwei Sektionen mit den Längen ℓ1 bzw. ℓ2 sowie den Flächenmomenten I1 bzw. I2. Sektion AB ist durch eine konstante Streckenlast q0 belastet, in B wirkt das Moment MB0. Der Stab ist in A durch ein gelenkiges Festlager gelagert. In C ist das Stabende fest mit dem Umfang einer Rolle vom Radius r verbunden, die in D frei drehbar gelagert ist. In B sind die beiden Sektionen fest miteinander verbunden. Die Feder in B ist eine Translationsfeder mit der Steifigkeit  kB.


Lageplan

Gesucht ist die FEM-Lösung mit zwei Elementen für den Euler-Bernoulli-Balken.

Die Systemparameter sind die gleichen wie in TC12, das dort gesuchte Flächenmoment I1 übernehmen wir zu

I1=54000 mm4.

Lösung mit Maxima

tmp

Wir suchen eine Lösung mit den Standard-Trial-Functions (Hermitesche-Polynome) für einen Euler-Bernoulli-Balken. Aufpassen müssen wir am Rand "C". Hier sind Verschiebung und Verdrehung durch die Rolle gekoppelt. Die Element-Steifigkeitsmatrix müssen wir passend umschreiben.


Header

Text


1+1




tmp

Wir übernehmen die Systemparameter aus TC12 zu

ℓ1=1000⋅mm,ℓ2=ℓ12,r=ℓ14,E=210000.0⋅Nmm2,I1=54000⋅mm4,I2=2⋅I1,kB=3⋅I1⋅Eℓ13,q0=10⋅Nmm,MB=q0⋅ℓ12,

und wählen als Referenzgröße wref für die Auslenkung des Balkens die maximale Verschiebung eines Kragbalkens unter konstanter Streckenlast:

wref=qoℓ148EI1

Declarations

Text


1+1




tmp

Die Trial-Functions je Element "i" zur Komposition der Form-Funktion kopieren wir aus Finite Elemente Methode zu

ϕ1=2⋅ξ3−3⋅ξ2+1,ϕ2=ℓi⋅(ξ3−2⋅ξ2+ξ),ϕ3=3⋅ξ2−2⋅ξ3,ϕ4=ℓi⋅(ξ3−ξ2),

die Koordinaten der Verschiebung sind

Qi=(Wi−1Φi−1WiΦi).

Damit ist

wi(xi)=Wi−1⋅(2⋅ξ3−3⋅ξ2+1)+Φi−1⋅ℓi⋅(ξ3−2⋅ξ2+ξ)+Wi⋅(3⋅ξ2−2⋅ξ3)+Φi⋅ℓi⋅(ξ3−ξ2).

Formfunctions

Text


1+1




tmp

Die Gleichgewichtsbedingungen kommen aus dem Prinzip der virtuellen Verrückungen zu

δW=!0=δWa−δΠ.

Wir sortieren die Elemente der virtuellen Arbeit nach den virtuellen Koordinaten und den Koordinaten des System und konstruieren daraus das gewöhnliche Gleichungssystem

K__⋅Q_=P_.

Die Anteile an der gesamten virtuellen Arbeit kommen aus der virtuellen Formänderungsenergie δΠ und der virtuellen Arbeit der äußeren Lasten δWa.

Dabei ist für unsere zwei Elemente δΠ = δΠ1 + δΠ2' mit

δΠi=δQ_iT⋅k__0⋅Qi_

und der Element-Steifigkeitsmatrix

k__0=EIℓi3⋅(126⋅ℓi−126⋅ℓi6⋅ℓi4⋅ℓi2−6⋅ℓi2⋅ℓi2−12−6⋅ℓi12−6⋅ℓi6⋅ℓi2⋅ℓi2−6⋅ℓi4⋅ℓi2).

Für Element 1 können wir diese Matrix direkt übernehmen, das heißt k1 = k0 für i=1.

Element 2 birgt eine Tücke: Hier sind Verschiebung W2 und Verdrehung Φ2 gekoppelt über die Kinematik der Rolle:

W2=−r⋅Φ2

Damit ist auch die Variation in diesen Koordinaten gekoppelt, also

δW2=−r⋅δΦ2.

Mit dieser Beziehung eliminieren wir demnach W2 aus der Formulierung der Gleichgewichtsbedingungen. Das Einsetzen der kinematischen Beziehungen in δΠ liefert nun als Element-Steifigkeitsmatrix

k__2=EI2l23⋅(126⋅ℓ2012⋅r+6⋅ℓ26⋅ℓ24⋅ℓ2206⋅ℓ2⋅r+2⋅ℓ22000012⋅r+6⋅ℓ26⋅ℓ2⋅r+2⋅ℓ22012⋅r2+12⋅ℓ2⋅r+4⋅ℓ22),

bei der die Elemente der dritten Zeile (zu δWi) und der dritten Spalte (zu Wi) verschwinden.

Struktur der Steifigkeitsmatrix.

Wir setzen die Gesamt-Steifigkeitsmatrix K aus den beiden Element-Steifigkeitsmatrizen so zusammen:

Und das ist die anteilige Gesamt-Steifigkeitsmatrix der beiden Balken-Abschnitte:

K__=(12⋅I1⋅Eℓ136⋅I1⋅Eℓ12−12⋅I1⋅Eℓ136⋅I1⋅Eℓ12006⋅I1⋅Eℓ124⋅I1⋅Eℓ1−6⋅I1⋅Eℓ122⋅I1⋅Eℓ100−12⋅I1⋅Eℓ13−6⋅I1⋅Eℓ1212⋅I2⋅Eℓ23+12⋅I1⋅Eℓ136⋅I2⋅Eℓ22−6⋅I1⋅Eℓ12012⋅I2⋅r⋅Eℓ23+6⋅I2⋅Eℓ226⋅I1⋅Eℓ122⋅I1⋅Eℓ16⋅I2⋅Eℓ22−6⋅I1⋅Eℓ124⋅I2⋅Eℓ2+4⋅I1⋅Eℓ106⋅I2⋅r⋅Eℓ22+2⋅I2⋅Eℓ20000000012⋅I2⋅r⋅Eℓ23+6⋅I2⋅Eℓ226⋅I2⋅r⋅Eℓ22+2⋅I2⋅Eℓ2012⋅I2⋅r2⋅Eℓ23+12⋅I2⋅r⋅Eℓ22+4⋅I2⋅Eℓ2)

Auch die Feder ist ein elastisches Element und trägt damit eine virtuelle Formänderungsenergie, zu δΠ hinzu, nämlich

δΠ3=kBW1⋅δW1

Diesen Beitrag müssen wir in Zeile 3, Spalte 3 hinzuaddieren, also mit der Anweisung

K3,3=K3,3+kB.

Auf der rechten Seite des Gleichungssystem bleiben die Beiträge der virtuellen Arbeiten äußerer Lasten stehen. Dies sind

δWa=∫ℓ1q0⋅δw(x)dx+MB⋅δΦ1,

wir erhalten

P_=(q0⋅ℓ12q0⋅ℓ1212q0⋅ℓ12MB−q0⋅ℓ121200).

Jetzt fehlen nur noch die Randbedingungen. Wir setzen

W0=0,

die kinematische Beziehung

W2=−r⋅Φ2

haben wir schon eingearbeit - bleibt also nur noch, die entsprechenden Spalten und Zeilen in den Matrizen K, Q und P zu eliminieren. Es bleibt das Gleichungssystem

(4⋅I1⋅Eℓ1−6⋅I1⋅Eℓ122⋅I1⋅Eℓ10−6⋅I1⋅Eℓ1212⋅I2⋅Eℓ23+12⋅I1⋅Eℓ13+kB6⋅I2⋅Eℓ22−6⋅I1⋅Eℓ1212⋅I2⋅r⋅Eℓ23+6⋅I2⋅Eℓ222⋅I1⋅Eℓ16⋅I2⋅Eℓ22−6⋅I1⋅Eℓ124⋅I2⋅Eℓ2+4⋅I1⋅Eℓ16⋅I2⋅r⋅Eℓ22+2⋅I2⋅Eℓ2012⋅I2⋅r⋅Eℓ23+6⋅I2⋅Eℓ226⋅I2⋅r⋅Eℓ22+2⋅I2⋅Eℓ212⋅I2⋅r2⋅Eℓ23+12⋅I2⋅r⋅Eℓ22+4⋅I2⋅Eℓ2)⋅(Φ0W1Φ1Φ2)=(q0⋅ℓ1212q0⋅ℓ12MB−q0⋅ℓ12120).


Equilibrium Conditions

Text


1+1




tmp

Auflösen nach Q liefert

Φ0=−0.0157,W1=−4.86⋅10−18m,Φ1=+0.0682,Φ2=−0.0262,

zusammen mit den Randbedingungen also

W0=0,Φ0=−0.0157,W1=−4.86⋅10−18m,Φ1=+0.0682,W2=+0.00656 m,Φ2=−0.0262.


Solving

Text


1+1




tmp

Biegelinie w(x)

Die Auslenkung w(x) der Querschnitte tragen wir jetzt auf. Für die dimensionslose Darstellung wählen wir aus der analytischen Lösung für den Kragbalken unter konstanter Streckenlast

wref=q0⋅ℓ148⋅EI1=0.11 m

und tragen w(x)/wref auf:

Die maximale Auslenkung des Systems ist dann

wmax≈0.1⋅0.11 m≈11 mm,

und das entspricht der Vorgabe aus Aufgabe TC12.


Post-Processing

Text


1+1





Links

  • ...

Literature

  • ...