Gelöste Aufgaben/Kw52

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Aufgabenstellung

Eine Brücke ABC der Masse mB und homogener Biegesteifigkeit EI ist in C gelenkig gelagert und in A sowie B mit einem Seil verbunden. Das undehnbare Seil wird dabei über eine kleine Rolle (Radius r ≪ ℓ) in D haftungsfrei geführt. In Punkt C ist die Brücke über eine Drehfeder der Steifigkeit KC mit dem Lager verbunden. In A steht eine Person der Masse mA.


Lageplan (wie Kw50)

Geben Sie die Lösung für ein Euler-Bernoulli-Modell der Brücke mit dem Ansatz der Finiten Elemente an.

Dies ist eine Näherungslösung zu Kw50. Ermitteln Sie die genäherten Verläufe der Schnittgrößen und Verschiebungen im Balken für diese Parameter:

KC=5EI0mA=mB5

Lösung mit Maxima

Für die Lösung nutzen wir direkt die Elemente aus der FEM-Formulierung für den Euler-Bernoulli-Balken.

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Header

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Wir arbeiten mit den selben Parametern und Bezugslängen, wie in Kw50.

Declarations

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Wir nutzen zwei Finite Elemente für die Brücke und setzen dafür die klassischen Hermite-Polynome, i.e. Polynome dritten Grades, an.

An den drei Knotenpunkten A, B und C haben wir also zusammen die Koordinaten

Q_=(WAΦAWBΦBWCΦC).

Formfunctions

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Für die Gleichgewichtsbedingung

δW=δWaδΠ=!0

konstruieren wir - ohne Berücksichtung der geometrischen Zwangsbedingungen -

δΠ=δQ_TK__0Q_+KCΦCδΦC

mit

K__0=EI(121361212136120061241612210012136121223+121313236226121222122362261221622612122242+4112622220012236221223622006222262242)

und

δWa=δQ_TP_0+mAgWAδWA

mit

P_0=q012(2mAg+q01q01162+11221261212261).

Equilibrium Conditions

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Die Bewegung unserer Brücke in durch zwei geometrische Zwangs-Bedingungen behindert:

  1. durch das Lager in C:

WC=0 bzw. δWC=0 sowie

  1. durch das Seil über die Umlenkrolle in D:

WA=3WB bzw. δWA=3δWB.

Diese Bedingungen arbeiten wir in die virtuellen Arbeiten des Systems ein und erhalten dann mit den verbleibenden gesuchten Größen

Q~_=(ΦAWBΦBΦC)

das Gleichungssystem

EI(60372+27202300372+27202392+486033728120254023037281202180600540260170)(ΦAWBΦBΦC)=mBg(02753161030360108).

Geometric Constraints

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Das Lösen des Gleichungssystems liefert dann

(WAΦAWBΦBWCΦC)=mBg033EI(+0.00291+0.01169100.001680.0070410+0+0.00619810).


Solving

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Und die Ergebnisse können wir uns anschauen ...

... für w(x):
Auslenkung w(x)
... für Φ(x):
... für M(x):
... für Q(x):

Post-Processing

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Kippung der Querschnitte Φ(x)
Moment M(x)
Querkraft Q(x)



Links

  • Aufgabe Kw50 (analytische Lösung dieser Aufgabe)
  • Aufgabe Kw52 (Lösung dieser Aufgabe mit dem Ansatz von Rayleigh-Ritz und Lagrange-Multiplikator)
  • Aufgabe Kw53 (Lösung dieser Aufgabe mit dem Ansatz von Rayleigh-Ritz)

Literature

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