Gelöste Aufgaben/Kw99

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Aufgabenstellung

Ein Stab ABC ist durch eine lineare veränderliche Streckenlast q mit den Eckwerten qA in A und qB in B sowie dem Moment MB in B belastet. Der Stab (E-Modul: E) besteht aus zwei Sektionen mit den Längen l1 bzw. l2 sowie den Flächenmomenten I1 bzw. I2. Der Stab ist in A durch ein gelenkiges Festlager, in C durch eine Schiebehülse gelagert, in B sind die beiden Sektionen fest miteinander verbunden. Die Feder in A ist eine Drehfester mit Steifigkeit KA, die Federn in B und C sind Translationsfedern mit den Steifigkeiten kB, kC.


Lageplan

Gesucht ist die analytische Lösung für den Euler-Bernoulli-Balken. Im Vergleich zu Kw98 wird hier eine Lösung mit normierten Koordinaten verfolgt.

Systemparameter

Ermitteln Sie für ein Euler-Bernoulli-Modell die analytischen Verläufe der Schnittgrößen und Verschiebungen im Balken für diese Parameter:

Lösung mit Maxima

Die Aufgabe ist ein klassisches Randwertproblem:

  1. zwei Gebiete, in denen ein Euler-Bernoulli-Balken in AB und BC durch eine Streckenlast q belastet ist (in Bereich II ist die Streckenlast allerdings Null) und somit durch die Differentialbeziehung

    berschrieben wird.
  2. Rand- und Übergangsbedingungen in den Punkten A, B, C

Wir verwenden xi und ξi als Koordinaten je Bereich, in der Übersicht sieht das Randwertproblem so aus:

Rand
A
Bereich IÜbergang
B
Bereich IIRand
C


Header

Diese Aufgabe wird mit der Methode der Finiten Elemente in KW96 gelöst. Und im Vergleich zu KW98 wird hier die analytische Lösung mit dimensionslosen Koordinaten angeschreiben.


/*******************************************************/
/* MAXIMA script                                       */
/* version: wxMaxima 15.08.2                           */
/* author: Andreas Baumgart                            */
/* last updated: 2017-09-06                            */
/* ref: TM-C, Labor 1 - dimensionslos                  */
/* description: die Auslenkung w und die unabhängige   */
/*              Ortskoordinate werden dim'los gemacht  */
/*******************************************************/




Declarations

Wir definieren die Formfunktionen für die Streckenlast

.

/* system parameter */
params: [EI[2]=EI[1]/2,
         K[A]=EI[1]/l[1],
         k[B]=0,
         k[C] = EI[1]/l[1]^3,
         q[B]=4*q[A],
         l[2]=l[1]/2,
         M[B] = 5*q[A]*l[1]^2];

/* form - functions  */
phi[0](xi) := 1 - xi;
phi[1](xi) :=     xi;




Integration of Differential Equation to Formfunction

In Bereich I und II gilt dieselbe Bewegungs-Differentialgleichung

,

die wir durch Integration lösen und dann bereichsweise an Rand- und Übergangsbedingungen anpassen. Diese Aufgabe wird etwas übersichtlicher, wenn wir die Auslenkung w und die Ortskoordinate x dimensionslos machen. So wählen wir:

und setzten für die Bezugslänge die Auslenkung eines Kragbalkens unter konstanter Streckenlast (hier qA) an. Diese Auslenkung findet man in Standard-Lösungen unter "Kragbalken mit Streckenlast" zu:

Zusätzlich wählen wir zwei unabhängige, dimensionslose Ortskoordinaten für die Bereich I und II, die ihren Ursprung jeweils in den Punkten A und B haben.

Mit

ist die allgemeine Lösung für

... für Bereich I:

... für Bereich II:

.

/* solve ....*/
dimless : l[Bez] = q[A]*l[1]^4/(8*EI[1]);
dgl : EI[i]*l[Bez]*diff(w(xi),xi,4)/l[i]^4 = q[0]*phi[0](xi) + q[1]*phi[1](xi);
dgl: subst(dimless,dgl);

/* generic solution */
displ : solve(integrate(integrate(integrate(integrate(dgl,xi),xi),xi),xi),w(xi));
sections: [[i=1, %c4=C[1,0], %c3=C[1,1], %c2=C[1,2], %c1=C[1,3], q[0]=q[A], q[1]=q[B]],
           [i=2, %c4=C[2,0], %c3=C[2,1], %c2=C[2,2], %c1=C[2,3], q[0]= 0  , q[1]= 0  ]];

/* section I */
define(  w[1](xi),  ratsimp(subst(sections[1],subst(displ,l[Bez]*w(xi)))));
define(Phi[1](xi),        diff(w[1](xi),xi  )/l[1]^1);
define(  M[1](xi), -EI[1]*diff(w[1](xi),xi,2)/l[1]^2);
define(  Q[1](xi), -EI[1]*diff(w[1](xi),xi,3)/l[1]^3);

/* section II */
define(  w[2](xi),  ratsimp(subst(sections[2],subst(displ,l[Bez]*w(xi)))));
define(Phi[2](xi),        diff(w[2](xi),xi  )/l[2]^1);
define(  M[2](xi), -EI[2]*diff(w[2](xi),xi,2)/l[2]^2);
define(  Q[2](xi), -EI[2]*diff(w[2](xi),xi,3)/l[2]^3);




Boundary Conditions

Für die 2*4 = 8 Integrationskonstanten

suchen wir jetzt die passenden Gleichungen aus Rand- und Übergangsbedingungen.

Zur besseren Übersicht nennen wir die Schnitt-Momente und -Kräfte nach den jeweiligen Knotenpunkten A, B, C und fügen als Index ein + / - hinzu, um die Seite (+: rechts vom Knoten, -: links vom Knoten) zu kennzeichnen.

Aus Rand "A"

Geometrische Randbedingungen

Kraft- und Momenten-Randbedingungen

Aus Übergang "B"

Geometrische Randbedingungen

Kraft- und Momenten-Randbedingungen

Aus Rand "C"

Geometrische Randbedingungen

Kraft- und Momenten-Randbedingungen

Und das liefert das Gleichungssystem aus 8 Gleichungen

für die Integrationskonstanten.


/* boundary conditions */
node[A]: [ w[1](0) = 0,
           K[A]*Phi[1](0)+M[1](0) = 0];
node[B]: [ w[1](1) = w[2](0),
           Phi[1](1) = Phi[2](0),
          -Q[1](1) -k[B]*w[2](0) +Q[2](0) = 0,
          -M[1](1) -M[B]+M[2](0) = 0];
node[C]: [ Phi[2](1) = 0,
          -Q[2](1) - k[C]*w[2](1) = 0];
BCs : expand(subst(dimless,append(node[A],node[B],node[C])));         
scale: [EI[1]/l[1]^4, 1/l[1]^2, EI[1]/l[1]^4, EI[1]/l[1]^3,1/l[1], 1/l[1]^2, EI[2]/l[1]^3, 1/l[1]];
BCs : expand(scale*BCs);





Prepare for Solver

Das Gleichungssystem wollen wir als

schreiben, also - hier nach Einsetzen der System-Parameter


/* integration constants = unknowns */
ICs : [C[1,0],C[1,1],C[1,2],C[1,3],C[2,0],C[2,1],C[2,2],C[2,3]];
ACM: augcoefmatrix(BCs,ICs);
/* system matrix and rhs */
AA :   submatrix(ACM,9);
bb : - col(ACM,9);
/* print OLE */
print(subst(params,AA),"*",x,"=",subst(params,bb));




Solving

Das Lösen des Gleichungssystems liefert


/* solving */
D : ratsimp(determinant(AA))$
[ P, L, U] : ratsimp(get_lu_factors(lu_factor(AA)))$
cc : ratsimp(linsolve_by_lu(AA,bb)[1])$
sol : makelist(ICs[i] = cc[i][1],i,1,8)$




Post-Processing

Und die Ergebnisse können wir uns anschauen ...

... für w(x):

Biegelinie w(x)

... für Φ(x):

Kippung w'(x)

... für M(x):

Biegemoment M(x)

... für Q(x):

Querkraft Q(x)

... für die Lager-Reaktionskräfte:


/* bearing forces and moments */
reactForces: [A[z] = Q[1](0),
              M[A] = K[A]*Phi[1](0),
              B[z] = k[B]*w[2](0),
              C[z] = k[C]*w[2](1),
              M[C] = M[2](1)];

expand(subst(dimless,subst(params,subst(sol, reactForces))));

/* plot displacements */

fcts: [[ w [1](xi), w [2](xi)],
       [Phi[1](xi),Phi[2](xi)],
       [ M [1](xi), M [2](xi)],
       [ Q [1](xi), Q [2](xi)]];
facts: [1/l[Bez], l[1]/l[Bez], 1/(q[A]*l[1]^2), 1/(q[A]*l[1])];

textlabels : ["w(x)/(M[B]*l^2/EI[1])→", "w'(x)/(M[B]*l/EI[1])→", "M(x)/M[B]→", "Q(x)/(M[B]/l[1]→"];
for i: 1 thru 4 do(
  f : expand(subst(dimless,subst(params,facts[i]*[subst(sol, fcts[i][1]),
                                                  subst(sol, fcts[i][2])]))),
  r : subst(params,l[2]/l[1]),                                          
  preamble: if i<=2 then "set yrange [] reverse" else "set yrange []",
  plot2d([[parametric,     t, subst(t,xi,f[1]), [t,0,1]],
          [parametric, 1+r*t, subst(t,xi,f[2]), [t,0,1]]],
                             [legend, "sec. I", "sec. II"],
                             [gnuplot_preamble, preamble],
                             [xlabel, "x/l[1] ->"],
                             [ylabel, textlabels[i]]))$





Links

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Literature

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