Gelöste Aufgaben/W8Zv

Aus numpedia
Zur Navigation springen Zur Suche springen


Aufgabenstellung

Zu den tabellierten Standardlösungen für den Euler-Bernoulli-Blaken berechnen wir eine Näherungslösung für einen beidseitig gelenkig gelagerten Euler-Bernoulli-Balken:

Lageplan

Hier soll mit dem Ansatz mit der Methode der Finiten Elemente gearbeitet werden. Gesucht ist das Verschiebungsfeld w(x) im Vergleich von FEM und analytischer Lösung.

Diese Aufgabe ist eng verwandt mit W8Zt und W8Zu.


Lösung mit Maxima

Mit dem Föppl-Symbol "<>", sowie

α=a/, β=1α und ξ=x/

ist die analytische Lösung:

EIw(x)=F36[βξ(1β2ξ2)+<ξα>3].

Bei dieser Lösung hat die unabhängige Koordinate x ihren Ursprung in A - wir verwenden unten einen anderen Ursprung!

Mit den passenden Ansatzfunktionen berechnen wir eine Näherungslösung des Problems nach dem Prinzip der virtuellen Verrückungen.

Header

Bei der Methode der Finiten Elemente setzen wir die virtuelle Formänderungsenergie des Systems additiv aus den Anteilen je Element zusammen. Hier arbeiten wir mit zwei Elementen, die am Kraft-Angriffspunkt aneinander stoßen.

Also ist

δΠ=δΠ1+δΠ2 ,

die virtuelle Arbeit der äußeren Kraft F ist

δWa=FδwF .

/*******************************************************/
/* MAXIMA script                                       */
/* version: wxMaxima 15.08.2                           */
/* author: Andreas Baumgart                            */
/* last updated: 2017-11-21                            */
/* ref: TM-C, Labor 3 - aus Gross, Augf. TM 2,Biegestab*/
/* description: finds the approx. solution employing   */
/*              the FEM-approach                       */
/*******************************************************/




Virtual Strain-Energy per Element

Aus der Finite Elemente Methode kennen wir die virtuelle Formänderungsenergie eines Balkenelements

δΠi=(δWi1,δΦi1,δWi,δΦi)K__i(Wi1Φi1WiΦi)

für das klassische x-z-Koordinatensystem des Euler-Bernoulli-Balkens und mit der Element-Steifigkeitsmatrix

K__i=EIE3(126E126E6E4E26E2E2126E126E6E2E26E4E2).

/* virtual strain engergy */
K[e] : EI/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]);




Equilibrium Conditions

Das Gesamt-Gleichungssystem für die Koordinaten

Q_=(W0Φ0W1Φ1W2Φ2)

ist

K__0Q_=P_

mit der 6x6 Matrix K0. In diese Matrix müssen wir jetzt die Element-Steifigkeitsmatrizen für das Element 1 und das Element 2 hineinaddieren, also

K__0=EI(121361212136120061241612210012136121223+121362261212236226122162261242+41622220012236221223622006222262242)

Weil die Auslenkung des Kraft-Angriffspunktes

δwF=δW1

ist

P_=(00F000).

Hier fehlen noch die ...


/* coordinates */
Q: [ W[0],Phi[0], W[1],Phi[1], W[2], Phi[2]];

/* initiate matrices */
K[0] : zeromatrix(6,6);
P    : zeromatrix(6,1);

/* virtual work of F */
P[3][1] : F;

/* compose system matrix */
for E:1 thru 2 do
  (for j:1 thru 4 do
     (for k:1 thru 4 do
         (row : 2*(E-1)+j,
          col : 2*(E-1)+k,
          K[0][row][col] : K[0][row][col]+subst([i=E],K[e][j][k]))));




Boundary Conditions

Einarbeiten der Randbedingungen in die Systemmatrix

Im Gesamt-Gleichungssystem müssen wir noch die Randbedingungen einarbeiten, nämlich

W0=0(δW0=0)W2=0(δW2=0)

Das machen wir durch Streichen der zugehörigen Zeilen und Spalten (1 und 5) im Gleichungssystem.


/* eliminate rows and columns of constrained coordinates */
K[0] : submatrix(1,5,K[0],1,5);
P    : submatrix(1,5,P);
Q    : [Q[2],Q[3],Q[4],Q[6]];

print(EI,expand(K[0]/EI),transpose(Q),"=",P)$




Solve

Die Lösung des verbleibenden Gleichungssystems mit

α=a0,0=a+b

ist

Φ0EI02F=2α3α2+α36W1EI03F=α22α3+α43Φ1EI02F=α3α2+2α33Φ2EI02F=α3α6

Und die Ergebnisse können wir mit der analytischen Lösung vergleichen:


/* solve */
sol[1] : ratsimp(linsolve_by_lu(K[0],P));
sol[1] : ratsimp(subst([l[1]=alpha*l[0],l[2]=(1-alpha)*l[0]],sol[1][1]));

/* dim'less results */
scale : EI/(l[0]^3*F)*[l[0],1,l[0],l[0]];
sol[2] : ratsimp(scale*sol[1]);

/* print results */
print(transpose(scale*Q),"=",sol[2])$




Post-Process: Results

Die Auslenkung des Kraft-Angriffspunktes w(a) tragen wir hier auf:

Absenkung w(a) des Kraftangriffspunktes

Der Vergleich der tabellierten Lösungen mit unseren Lösungen:

Ortanalytische LösungFEM-LösungVergleich
AEIw'A=F26(ββ3) EIΦ0=F022α3α2+α36 Erfüllt, weil w'A = Φ0 und

ββ3=α33α2+2α

BEIw'B=F26(αα3) EIΦ2=F2α3α6 Erfüllt, weil w'B = Φ2
KraftangriffspunktEIwmax=F348 für α=β=1/2 EIW1=F3α22α3+α43 Erfüllt, weil wmax = W1 für α = 1/2
Ist das jetzt die analytische Lösung?:
Sind die FEM-Ergebnisse nicht exakt die der analytischen Lösung? Stimmt das? Und wenn ja:  wie kommt das?

/* displacement of beam at force F */
plot2d(sol[2][2],[alpha,0,1],[xlabel, "α→"],[ylabel, "W1/(F l^3/EI)→"]);





Links

Literature

  • ...