Gelöste Aufgaben/Kw60

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Aufgabenstellung

Der Euler-Bernoulli-Balken ABC (Länge ℓ0, Biegesteifigkeikeit EI, Querschnittsflläche A) ist am rechten Rand fest eingespannt und wird durch das Gewicht

  • aufgrund seiner eigenen Masse m0 sowie
  • aufgrund von zwei Personen der Massen mA bzw. mB

belastet.

Lageplan

Gesucht ist eine Näherungslösung mit der Methode der Finiten Elemente und zwei Elementen. Dabei sollen die Verläufe der Biegelinie und die Schnittlasten mit der analytischen Lösung verlglichen werden.

Es ist ℓB =  ℓ0 /3, mA =  m0 /2 und mB =  m0 /2.

Lösung mit Maxima

Header

Das Modell erstellen wir mit der FEM-Formulierung für den Euler-Bernoulli-Balken mit zwei Elementen.


/*******************************************************/
/* MAXIMA script                                       */
/* version: wxMaxima 15.08.2                           */
/* author: Andreas Baumgart                            */
/* last updated: 2019-09-01                            */
/* ref: TMC                                            */
/* description: simple EBB with two section            */
/*              solved as FE Problem                   */
/*******************************************************/




Declarations

Zum späteren Plotten verwenden wir Referenzgrößen, die wir der analytischen Standard-Lösung eines Kragbalkens entnehmen.

Dies sind

Wref=q0⋅ℓ048⋅I0⋅E,Φref=q0⋅ℓ036⋅I0⋅E,Mref=m0⋅ℓ0⋅g2,Qref=m0⋅g,q0=m0⋅gℓ0.

Wir verwenden dimensionslose Größen als Abkürzungen:

ℓ1=λ1ℓ0,ℓB=λ2ℓ0,λ1=1−λ2,mA=θAm0,mB=θBm0.

/************************************************************/
declare( "ℓ", alphabetic);
declare( "λ", alphabetic);
declare( "ϕ", alphabetic);

/* system parameters                                        */
params: [q[0] = A[0]*rho*g];
params: append(params,
               solve(A[0]*ℓ[0]*rho=m[0], rho));

dimless: [ℓ[1]=λ[1]*ℓ[0],ℓ[2]=λ[2]*ℓ[0],λ[1]=1-λ[2], m[A]=theta[A]*m[0], m[B]=theta[B]*m[0]];

geometry: [λ[2] = 1/3, theta[A]=1/2, theta[B]=1/2];

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




Analytic Solution

Die analytische Lösung erzeugen wir aus Superpositionen der eingeprägten Lösungen zu den drei Gewichten auf die Struktur.

Dazu müssen wir ein bisschen umdenken: in den Standard-Lösungen ist der Balken jeweils links fest eingespannt - hier rechts.

Wir nehmen das komplementäre Koordinatensystem

ξ¯=1−ξ

und lesen die Lösung ab:

EIw(ξ¯)=q0ℓ04⋅(6⋅ξ¯2−4⋅ξ¯3+ξ¯4)24+mAgℓ03⋅(3⋅ξ¯2−ξ¯3)6+{mBgℓ03⋅(3⋅λ2⋅ξ¯2−ξ¯3)6 für ξ¯≤λ2mBgℓ03⋅(3⋅λ2⋅ξ¯2−ξ¯3+(ξ¯−λ2)3)6 sonst.

/**************************************************************************/
/* analytic solution                                                      */
/* ... from superposition of analytical solutions for cantileverd beam    */
analySol : [q[0]*ℓ[0]^4/(24*E*I[0])*(6*xi^2-4*xi^3+xi^4),
            [m[B]*g*ℓ[0]^3/(6*E*I[0])*(3*xi^2*λ[2]-xi^3 +     0),
             m[B]*g*ℓ[0]^3/(6*E*I[0])*(3*xi^2*λ[2]-xi^3 + (xi-λ[2])^3)],
            m[A]*g*ℓ[0]^3/(6*E*I[0])*(3*xi^2* 1 -xi^3)];
/* obs: zwo solutions for load case 2 (weight in "B")                     */




FE Formulation

Die System-Matrix setzen wir aus den Element-Steifigkeitsmatrizen aus FEM: Trial-Functions für kubische Ansatz-Polynome zusammen und arbeiten die geometrischen Randbedingungen ein, indem wir die Zeilen und Spalten bzgl der Verschiebung und Verdrehung in C (W2, Φ2) streichen.

Das Gleichungssystem lautet dann

EIℓ03⋅(−12λ23−3⋅λ22+3⋅λ2−16⋅ℓ0λ22−2⋅λ2+112λ23−3⋅λ22+3⋅λ2−16⋅ℓ0λ22−2⋅λ2+16⋅ℓ0λ22−2⋅λ2+1−4⋅ℓ02λ2−1−6⋅ℓ0λ22−2⋅λ2+1−2⋅ℓ02λ2−112λ23−3⋅λ22+3⋅λ2−1−6⋅ℓ0λ22−2⋅λ2+1−12−36⋅λ2+36⋅λ22λ26−3⋅λ25+3⋅λ24−λ23−12⋅ℓ0⋅λ2−6⋅ℓ0λ24−2⋅λ23+λ226⋅ℓ0λ22−2⋅λ2+1−2⋅ℓ02λ2−1−12⋅ℓ0⋅λ2−6⋅ℓ0λ24−2⋅λ23+λ22−4⋅ℓ02λ22−λ2)⋅Q_=m0g⋅(1−λ2+2⋅θA2ℓ0−2⋅ℓ0⋅λ2+ℓ0⋅λ22121+2⋅θB22⋅ℓ0⋅λ2−ℓ012)

mit

Q_=(W0Φ0W1Φ1).

/**************************************************************************/
/* FE Formulation                                                         */
/* element matrices */
K[i] : (E*I[0]/ℓ[i]^3)*matrix([12,6*ℓ[i],-12,6*ℓ[i]],
                              [6*ℓ[i],4*ℓ[i]^2,-6*ℓ[i],2*ℓ[i]^2],
                              [-12,-6*ℓ[i],12,-6*ℓ[i]],
                              [6*ℓ[i],2*ℓ[i]^2,-6*ℓ[i],4*ℓ[i]^2]);

P[i] : rho*A[0]*g*ℓ[i]*matrix([   1/2  ],
                              [ ℓ[i]/12],
                              [   1/2  ],
                              [-ℓ[i]/12]);

/* use one element per section                                             */
NOE : 2;     /* number of elements */
NON : NOE+1; /* number of nodes    */

xCoord: subst(geometry,[0,1-λ[2],1]);

/* define both element matrices  */
for e:1 thru NOE do (
  K[e] : ratsimp(subst(dimless,subst([ℓ[e]=ℓ[0]*λ[e]], subst([i=e], K[i])))),
  P[e] : ratsimp(subst(dimless,subst([ℓ[e]=ℓ[0]*λ[e]], subst([i=e], P[i])))));

/* compose system matrix */
K[0] : zeromatrix(2*NON,2*NON);
P[0] : zeromatrix(2*NON,1);

for ele:1 thru NOE do (
   for row:1 thru 4 do (
      P[0][2*(ele-1)+row,1] : P[0][2*(ele-1)+row,1] + P[ele][row,1],
      for col:1 thru 4 do (
         K[0][2*(ele-1)+row,2*(ele-1)+col] : K[0][2*(ele-1)+row,2*(ele-1)+col] + K[ele][row,col])));

P[0] : ratsimp(subst(params,P[0]));

/* add discrete loads an points A and B */
P[0][1,1] : P[0][1,1]+m[A]*g;
P[0][3,1] : P[0][3,1]+m[B]*g;


/* incorporate bounday conditions */
AA : submatrix(5,6,K[0],5,6);
bb : submatrix(5,6,P[0]);




Solving

Lösen des linearen Gleichungssystems liefert

W0Wref=−−3−8⋅θA+(4⋅λ23−12⋅λ22)⋅θB3Φ0Wref=−4+12⋅θA+12⋅λ22⋅θB3⋅ℓ0W1Wref=6⋅λ22−4⋅λ23+λ24+(12⋅λ22−4⋅λ23)⋅θA+8⋅λ23⋅θB3Φ1Wref=−12⋅λ2−12⋅λ22+4⋅λ23+(24⋅λ2−12⋅λ22)⋅θA+12⋅λ22⋅θB3⋅ℓ0W2Wref=0Φ2Wref=0.

/***************************************************************************/
/* solve                                                                   */
sol: ratsimp(subst(dimless,linsolve_by_lu(AA,bb)))[1];

nodalSol: ratsimp(subst(dimless,subst(reference,flatten(append(
       makelist(
         [ W [i-1] = sol[2*i-1][1],
          Phi[i-1] = sol[2*i  ][1]],i,1,NOE),
         [ W [  2] =  0 ,
          Phi[  2] =  0 ])))));




Post-Processing

Und die Ergebnisse der analytischen und FE-Rechnungen plotten wir ...

... für w(x):

Biegelinie w(x)

... für Φ(x):

Kippung w'(x)

... für M(x):

Biegemoment M(x)

... für Q(x):

Querkraft Q(x)

/***************************************************************************/
/* plot results                                                            */

/* Trial-Fucntions                                                         */
phi : [       (xi-1)^2*(2*xi+1),
         ℓ[i]* xi     *(  xi-1)^2,
        -      xi^2   *(2*xi-3),
         ℓ[i]* xi^2   *(  xi-1)];

textlabels : ["<- w(x)/w[ref]", "<- w'(x)/ϕ[ref]", "M(x)/(m*g*ℓ/2) ->", "Q(x)/(m g) ->"];

for D:0 thru 3 do (
    /* pick a reference value to plot dimensionless */
    Ref : [W[ref], ϕ[ref], M[ref], Q[ref]][D+1],
    Fac : [   1  ,    1  ,-E*I[0],-E*I[0]][D+1],
    toPlotFEM : makelist([parametric,
                      xCoord[e]*(1-t)+xCoord[e+1]*t,
                      expand(subst([xi=t],subst(geometry,subst(reference,subst(nodalSol,subst(dimless, subst([i=e],
                              Fac*diff(sum( [W[i-1],Phi[i-1],W[i],Phi[i]][j]*phi[j],j,1,4),xi,D)/ℓ[i]^D/Ref
                        ))))))),
                      [t,0,1]],e,1,NOE),
    toPlotAly : subst(geometry,subst([xi=t],
             [[parametric, 1-xi,(-1)^D*ratsimp(Fac*diff(subst(geometry,subst(reference,subst(dimless,(analySol[1]+analySol[2][1]+analySol[3])/Ref))),xi,D)/ℓ[0]^D), [t,0,λ[2]]],
              [parametric, 1-xi,(-1)^D*ratsimp(Fac*diff(subst(geometry,subst(reference,subst(dimless,(analySol[1]+analySol[2][2]+analySol[3])/Ref))),xi,D)/ℓ[0]^D), [t,λ[2],1]]])),
    toPlot: append(toPlotAly,toPlotFEM),
    preamble: if D<=1 then "set yrange [] reverse" else "set yrange []",
    plot2d(toPlot, [legend, "analytic", "analytic", "FEM", "FEM"],
               [gnuplot_preamble, preamble],
               [style, [lines, 2],[lines, 2],[lines, 1],[lines, 1]],
               [xlabel, "x/ℓ ->"],
               [ylabel, textlabels[D+1]]));




✔ Achtung: Koordinatentransformation:
Wegen der Koordinaten-Transformation zwischen ξ und ihrer komplementären Koordinate in der analytischen Lösung müssen wir den Richtungssinn für ϕ und Q umdrehen!

Links

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Literature

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