Gelöste Aufgaben/FEB1

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Aufgabenstellung

Auch wenn es nicht so aussieht: für das rotierende Rotorblatt suchen wir eine statische Lösung - das Problem heißt "quasistatisch".


Lageplan

Ein Hubschrauber-Rotor dreht mir der konstanten Winknelgeschwindigkeit Ω. Das Rotor-Blatt ist aus Aluminium. Gesucht ist die FEM-Lösung für der Verschiebung der Querschnitte und die Dehnung der Querschnitte.


Lösung mit Maxima

Lorem Ipsum ....

tmp

Zu diesem Problem finden wir einfach eine analytische Lösung - die nutzen wir später, um unsere Ergebnisse dimensionslos zu machen.

Ausgangspunkt ist die Gleichgewichtsbeziehung des Dehnstabes. Die Streckenlast n (hier n(r)) ist die Zentrifugalkraft - oder die D'Alembert'sche Trägheitskraft der Zentripetalbeschleunigung, also

n(x)=−ϱArΩ2 .

Die Bewegungsgleichung lautet dann

EAu″(r)=ϱArΩ2 .

Die allgemeine Lösung ist

AEu(r)=−ϱAΩ2r36+c1r+c0 ,

angepasst an die Randbedingungen

u(0)=0EAddru|r=ℓ0=0

erhalten wir

u(r)=3ℓ02r−r36AE⋅ϱAΩ2 .

Als Bezugslänge gewinnen wir hier

us=u(ℓ0)=ℓ03Ω2ϱ3E===Header=== Text


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tmp

Für die Komposition der Bewegungsgleichungen brauchen wir die Element-Steifigkeitsmatrix und die Element-Lastmatrix.

Wir gehen von gleichlangen Elementen aus, hier von

I=4

Elementen, also

ℓi=ℓ0I.

Wie im Abschnitt "Finite Elemente Methode" verwenden wir die linearen Ansatzfunktionen

ϕ1=1−ξ und ϕ1=ξ,

also

ui(ξi)=Ui−1⋅ϕ1(ξ1)+Ui⋅ϕ2(ξi).

Die Element-Steifigkeitsmatrix ergibt sich für den Dehnstab zu

K__i=EAℓi⋅(1−1−11).

Die Element-Lastmatrix ist etwas schwieriger. Für ein einzelnes Element i ist

δWa=∫ri−1riϱArΩ2⋅δu(r)dr.

Mit

r=ri−1+ℓiξi und ri−1=(i−1)⋅ℓi

schreiben die Beziehung um zu

δWa=ϱAΩ2ℓi2⋅∫01(i+ξ)⋅δu(ξ)dξ,

wir erhalten

P_i=ϱAΩ2ℓi2(3i+163i+26). ===Declarations=== Text


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tmp

Die Gleichgewichtsbeziehungen des Gesamtsystems erhalten wir durch aus der Addition aller virtuellen Arbeiten des Systems, praktisch durch das Hinzuaddieren der Anteile je Element in die System-Matrizen für K und P:

K__=(AEℓi−AEℓi000−AEℓi2AEℓi−AEℓi000−AEℓi2AEℓi−AEℓi000−AEℓi2AEℓi−AEℓi000−AEℓiAEℓi)

und

P_=ϱAℓi2Ω2⋅(16123116)===Equlibrium Conditions=== Text


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tmp

Die geometrische Randbedingung U0 = 0 arbeiten wir ein, indem wir die erste Zeile des Gleichungssystem streichen sowie die erste Spalte der Steifigketsmatrix.===Boundary Conditions=== Text


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tmp

Die Lösung des linearen Gleichungssystems

K__⋅U_=P_

ist

U_=(47l03Ω2ρ384E11l03Ω2ρ48E39l03Ω2ρ128El03Ω2ρ3E).

Oder - in dimensionsloser Form

U_us=(4712811161171281).===Solving=== Text


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tmp

Auslenkung u(x).

Die Ergebnisse der FE-Rechnung und der analytischen Lösung können wir jetzt übereinander auftragen:

Die Dehnungen (und Spannungen) im Bauteil sind

εrr=dudr.

Auch dieses Ergebnis können wir auftragen:

Dehnung ε(x).

===Post-Processing===

✔ Konstante Dehnung je Element:
Was ausschaut wie ein Fehler - nämlich die "Treppenfunktion" für die Dehnung im FE-Modell - ist in Wirklichkeit die Folge unserer linearen Ansatzfunktionen. Diese abgeleitet liefern eine konstante Dehnung je Element.

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