České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební. Projekt: Využití pokročilého modelování konstrukcí v magisterském studiu

Podobné dokumenty
Náhradní ohybová tuhost nosníku

Libor Kasl 1, Alois Materna 2

Tvorba výpočtového modelu MKP

Mechanika s Inventorem

ZÁKLADNÍ PRINCIPY NAVRHOVÁNÍ ŽELEZOBETONOVÝCH KONSTRUKCÍ A JEJICH KRITICKÝCH OBLASTÍ

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Lineární stabilita a teorie II. řádu

Základní výměry a kvantifikace

Ing. Ondřej Kika, Ph.D. Ing. Radim Matela. Analýza zemětřesení metodou ELF

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Aplikace metody konečných prvků

Generování sítě konečných prvků

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

Teorie tkaní. Modely vazného bodu. M. Bílek

Pružnost a plasticita II CD03

Programové systémy MKP a jejich aplikace

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Zjednodušená deformační metoda (2):

133YBKC Navrhování betonových konstrukcí na počítači C

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

5 Analýza konstrukce a navrhování pomocí zkoušek

METODIKA VÝPOČTU NÁHRADNÍ TUHOSTI NOSNÍKU.

Nelineární problémy a MKP

VYZTUŽOVÁNÍ PORUCHOVÝCH OBLASTÍ ŽELEZOBETONOVÉ KONSTRUKCE: NÁVRH VYZTUŽENÍ ŽELEZOBETONOVÉHO VAZNÍKU S VELKÝM OTVOREM

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

MECHANIKAPODZEMNÍCH KONSTRUKCÍ KLASIFIKACE VÝPOČETNÍCH METOD STABILITY A ZATÍŽENÍ OSTĚNÍ

Téma 12, modely podloží

Řešení kontaktní úlohy v MKP s ohledem na efektivitu výpočtu

Globální matice konstrukce

Mechanika s Inventorem

Program předmětu YMVB. 1. Modelování konstrukcí ( ) 2. Lokální modelování ( )

Aktuální trendy v oblasti modelování

TÉMATA PROJEKTŮ KME/PRJ3 VYPSANÁ PRO ZIMNÍ SEMESTR AK. R. 2016/17. Katedra mechaniky

Návod k použití programu pro výpočet dynamické odezvy spojitého nosníku

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška A9. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

OTÁZKY KE STÁTNÍ ZÁVĚREČNÉ ZKOUŠCE (NAVAZUJÍCÍ STUDIUM) OBOR 3901T APLIKOVANÁ MECHANIKA. Teorie pružnosti

Tutoriál programu ADINA

Ing. Jakub Kršík Ing. Tomáš Pail. Navrhování betonových konstrukcí 1D

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Zatíženía spolehlivost (K132ZASP)

IDEA StatiCa novinky. verze 5.4

ZATÍŽENÍ STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍ

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

Úvod do předmětu, úvod do problematiky CAE a MKP (přehled nástrojů a obecné postupy CAD/CAE, vazby součástí CAE)

Posouzení stability svahu

Nauka o materiálu. Přednáška č.5 Základy lomové mechaniky

PRUŽNOST A PLASTICITA I

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Klasifikace rámů a složitějších patrových konstrukcí

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Michal Vaverka: Přehled řešených projektů

Okruhy problémů k teoretické části zkoušky Téma 1: Základní pojmy Stavební statiky a soustavy sil

1 Přesnost metody konečných prvků

Vzpěr, mezní stav stability, pevnostní podmínky pro tlak, nepružný a pružný vzpěr Ing. Jaroslav Svoboda

Mezi jednotlivými rozhraními resp. na nosníkových prvcích lze definovat kontakty

1 Stabilita prutových konstrukcí

PŮDORYSNĚ ZAKŘIVENÁ KONSTRUKCE PODEPŘENÁ OBLOUKEM

Problematika navrhování železobetonových prvků a ocelových styčníků a jejich posuzování ČKAIT semináře 2017

Základy tvorby výpočtového modelu

DIPLOMOVÁ PRÁCE Nelineární řízení magnetického ložiska

Projevy dotvarování na konstrukcích (na úrovni průřezových modelů)

1/7. Úkol č. 9 - Pružnost a pevnost A, zimní semestr 2011/2012

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Ztráta stability tenkých přímých prutů - vzpěr

Vypracovat přehled paralelních kinematických struktur. Vytvořit model a provést analýzu zvolené PKS

VYZTUŽOVÁNÍ PORUCHOVÝCH OBLASTÍ ŽELEZOBETONOVÉ KONSTRUKCE: NÁVRH VYZTUŽENÍ ŽELEZOBETONOVÉHO VAZNÍKU S MALÝM OTVOREM

Výpočet sedání kruhového základu sila

Principy navrhování stavebních konstrukcí

Únosnost kompozitních konstrukcí

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

Principy navrhování stavebních konstrukcí

OPTIMALIZACE A MULTIKRITERIÁLNÍ HODNOCENÍ FUNKČNÍ ZPŮSOBILOSTI POZEMNÍCH STAVEB D24FZS

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

- Větší spotřeba předpínací výztuže, komplikovanější vedení

Metoda konečných prvků Úvod (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Posouzení a optimalizace nosného rámu studentské formule

ENÁ ŽELEZOBETONOVÁ DESKA S OTVOREM VE SLOUPOVÉM PRUHU

Principy navrhování stavebních konstrukcí

Specializovaný MKP model lomu trámce

Stavební mechanika 3 132SM3 Přednášky. Deformační metoda: ZDM pro rámy s posuvnými styčníky, využití symetrie, výpočetní programy a kontrola výsledků.

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

P Ř Í K L A D Č. 3 LOKÁLNĚ PODEPŘENÁ ŽELEZOBETONOVÁ DESKA S OTVOREM VE STŘEDNÍM PRUHU

písemky (3 příklady) Výsledná známka je stanovena zkoušejícím na základě celkového počtu bodů ze semestru, ze vstupního testu a z písemky.

Navrhování konstrukcí z korozivzdorných ocelí

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

Téma: Dynamika - Úvod do stavební dynamiky

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

8. Základy lomové mechaniky. Únava a lomová mechanika Pavel Hutař, Luboš Náhlík

MECHANIKA PODZEMNÍCH KONSTRUKCÍ Statické řešení výztuže podzemních děl

KONTROLA PEVNOSTI KOSTRY KAPOTY DIESEL ELEKTRICKÉ LOKOMOTIVY

Přednáška 1 Obecná deformační metoda, podstata DM

Numerické metody. Numerické modelování v aplikované geologii. David Mašín. Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní. Pevnost a životnost Jur II. Pevnost a životnost. Jur II

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Úvod do analytické mechaniky

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební

Transkript:

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební Rozvojové projekty Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR Rozvojové projekty mladých týmů RPMT 2014 Projekt: Využití pokročilého modelování konstrukcí v magisterském studiu Hlavní řešitel: Ing. Michal Jandera, Ph.D. Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí Výstup: Zásady modelování konstrukcí metodou konečných prvků Vypracoval: Jan Zeman (zemanj@cml.fsv.cvut.cz) Katedra mechaniky Praha, 2014

Obsah Obsah......................................... 2 1 Úvod....................................... 3 2 Tvorba modelu................................. 3 2.1 Konečněprvková sít............................... 3 2.2 Výběr vhodných typů prvku.......................... 3 2.3 Vazby...................................... 4 2.4 Co zkontrolovat před výpočtem........................ 4 3 Typy výpočtů.................................. 4 3.1 Analýza vlastních čísel............................. 4 3.2 Nelineární statika................................ 5 3.3 Dynamický výpočet............................... 5 4 Kontrola výpočetního nástroje......................... 5 5 Interpretace výsledků.............................. 6 Reference....................................... 6 2

1 Úvod Cílem tohoto dokumentu je krátce shrnout základní principy tvorby modelu založeného na metodě konečných prvků (MKP), jeho následné analýzy a interpretace získaných výsledků. Důraz je přitom kladen na úlohy stavební mechaniky. Jelikož je toto téma neobyčejně rozsáhlé, soustředíme se pouze na základy nutné k orientaci v problému, další informace lze získat v literatuře uvedené v závěru dokumentu [1, 2, 3, 4]. 2 Tvorba modelu Několik drobných doporučení na začátek: vždy se snažte o to, aby Váš model zahrnoval všechny relevantní části konstrukce, zvažte použití detailnějších modelů konstrukce (například zahrnutím částí, které se Vám nezdají nosné ). MKP poskytuje větší volnost oproti ručnímu výpočtu, snažte se identifikovat oblasti které jsou nejvíce namáhané pomocí hrubé sítě konečných prvků a následně v nich použijte jemnější sít, rozdělte složité konstrukce na jednodušší části a zkuste je analyzovat odděleně; ušetříte tím čas při tvorbě a analýze výsledného modelu. 2.1 Konečněprvková sít Při tvorbě sítě konečných prvků zkontrolujte, zda sít korektně reprezentuje hlavní části konstrukce, změny tloušt ky konstrukce a očekávaný směr namáhání (izočáry napětí), jsou velikosti a tvary prvků akceptovatelné, je sít mezi prvky spojitá, je sít dostatečnou hustá v oblasti koncentrátorů napětí (ostré rohy, bodové podpory atd.), zohledňuje vnější a vnitřní vazby (podpory). 2.2 Výběr vhodných typů prvku Typ prvků se řídí jejich schopností reprezentovat geometrii úlohy, reprezentovat relevantní stavy napětí a deformace (jedno- nebo víceosá napjatost, kroucení a deplanace průřezu atd.), reprezentovat relevantní rozsah napětí a deformací (geometricky lineární analýza, velké průhyby nebo velké deformace), poskytnout dostatečný počet Gaussových bodů (ve kterých se určují napětí a deformace [1, str. 152]) pro dostatečně přesný výpočet. 3

Navíc ověřte, zda zvolené prvky korektně reprezentují všechny relevatní části konstrukce, možnou excentricitu částí konstrukce vzhledem k referenčním čarám a plochám, styky mezi prvky včetně jejich tuhosti (je-li k dispozici), vnitřní strukturu prvku (výztuž, spřažené konstrukce), správné chování materiálu přiražením správného materiálového modelu. 2.3 Vazby Mimo základní typů vazeb (podpor) nabízejí konečněprvkové programy tzv. vícebodové vazby, někdy též nazývané vazby typu master-slave. Ty jsou využívány při modelování tuhých ramen mezi body, která mohou sloužit k simulaci excentrických zatížení nebo podpor, zahrnutí kinematických předpokladů analýzy (například rovinnost průřezů konstrukce), spojení geometricky nekompatibilních částí konstrukce, zlepšení podmíněnosti matice tuhosti sjednocením vybraných stupňů volnosti. 2.4 Co zkontrolovat před výpočtem polohu prvků a správné přiřazení jejich typů, správné přiřazení typů materiálů a průřezových charakteristik, další geometrická data jako například orientaci vláken v kompozitních materiálech, že různé části konstrukce jsou skutečně spojeny dohromady. 3 Typy výpočtů Základním typem výpočtu je lineární statika, která pro korektně zadanou konstrukci většinou nevyžaduje žádnou další aktivitu ze strany uživatele. Balíky založené na MKP ale často poskytují mnohem rozsáhlejší možnosti, které jsou krátce charakterizovány v této kapitole. 3.1 Analýza vlastních čísel Tento typ výpočtu je převážně využíván při analýze stability konstrukce, kdy je cílem získat nejnižší vlastní číslo a příslušný vlastní tvar, modální analýze, která vyžaduje (většinou nízký) počet nejnižších vlastních tvarů konstrukce, ladění konstrukce na rezonanci s působícím zatížením, kdy je cílem získat všechny vlastní čísla a tvary pro daný rozsah frekvencí. 4

3.2 Nelineární statika Zde lze rozlišit tři základní typy výpočtů, seřazených dle vzrůstající náročnosti: velké průhyby, malé deformace, materiálově lineární odezva typické pro konstrukce, které vykazují silnou interakci mezi membránovým a ohybovým chováním v důsledku průhybů (tenké desky) nebo excentricity. Tato formulace se též využívá při analýze stability konstrukcí. velké deformace, materiálově lineární odezva popisující odezvu silně deformovaných konstrukcí, které vykazující podstatné změny geometrie v důsledku působícího zatížení a tím vykazují i celou řadu nestabilit. V tomto případě je nutné věnovat pozornost řízení výpočtu vhodnými veličinami a postupném zatěžování konstrukce. nelineární a nepružné chování materiálů vede na odezvu konstrukce závislou na historii zatížení. Materiálové modely vykazující zpevnění vedou na stabilní výpočty a dají se spolehlivě řešit. Analýza modelů se změkčením je naopak poměrně obtížná a vyžaduje využití vhodných regularizačních technik. Zde bezezbytku platí doporučení o řízení výpočtu a aplikaci zatížení z předchozího bodu. 3.3 Dynamický výpočet Dynamický výpočet lze založit na třech základních strategiích: rozvoj do vlastních tvarů kmitání je obecnou metodou řešení odezvy konstrukce na obecné zatížení, při kterém je odezva konstrukce vyjádřena jako lineární kombinace vhodně zvolených tvarů kmitání, které reprezentují konstrukci dostatečně přesně z hlediska tuhosti a setrvačných účinků. Tím je dosaženo významného snížení výpočetních nároků úlohy, pro periodicky působící zatížení (relevantní například pro únavu konstrukcí) je též vhodné využít rozvoje do vlastních tvarů. Často se kombinuje s Fourierovou analýzou působícího zatížení, pro určení relevantního rozsahu vlastních frekvencí a tvarů, přímá integrace pohybových rovnic je nejobecnější metodou určení odezvy konstrukcí. Klíčovým problémem jsou v tomto případě (nevyhnutelné) chyby z numerické diskretizace problému, které mohou výrazně ovlivnit chování numerického modelu vzhledem ke spojité variantě. 4 Kontrola výpočetního nástroje Pokud potřebujete ověřit základní funkčnost výpočetního nástroje, nezapomeňte zkontrolovat nezávislost výsledků na volbě lokálních souřadných systémů, že posuny konstrukce jako tuhého tělesa (tzv. rigid body modes) vedou na nulová napětí a deformace, že přibližná řešení konvergují k přesnému řešení (máte-li takové k dispozici), že používané prvky splňují tzv. patch test [1, str. 208], že reakce jsou v rovnováze s působícím zatížením. 5

5 Interpretace výsledků Po úspěšném provedení výpočtu je nutné získané výsledky zhodnotit z inženýrského hlediska. K tomu slouží řada veličin, jako například maximální/minimální hodnota parametru pro všechny prvky v konstrukci a všechny zatěžovací stavy, překročení/pokročení limitní hodnoty v konstrukci, globální parametr konstrukce, který může vyplývat z výpočtu (vlastní frekvence a tvary), nebo ze způsobu posouzení (využití materiálu), rozložení zvolených veličin v okolí význačných bodů (například rozložení napětí v okolí singulárního bodu). Při hodnocení výsledků nezapomeňte, že pole napětí, deformací a měrných vnitřních sil jsou obecně nespojitá mezi prvky. Ve výpočetních programech jsou často nahrazena spojitými veličinami, které jsou považovány za přesnější, to však může do výpočtu zanášet systematické chyby. Reference [1] Bittnar, Z.; Šejnoha, J.: Numerické metody mechaniky 1. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1992, Dle mých znalostí jediná česká inženýrská publikace, která poskytuje detailnější popis teoretických principů MKP a jejich implementace, a tím připravuje čtenáře na studium pokročilejších partií MKP. První část pokrývá lineární úlohy. URL http://mech.fsv.cvut.cz/wiki/index.php/file:nmm1.pdf [2] Bittnar, Z.; Šejnoha, J.: Numerické metody mechaniky 2. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1992, Dle mých znalostí jediná česká inženýrská publikace, která poskytuje detailnější popis teoretických principů MKP a jejich implementace, a tím připravuje čtenáře na studium pokročilejších partií MKP. Druhá část pokrývá nelineární úlohy a řadu speciálních témat jako jsou například metoda pásů, metoda hraničních prvků, stochastické konečné prvky, lomová mechanika atd. URL http://mech.fsv.cvut.cz/wiki/index.php/file:nmm2.pdf [3] Kolář, V.; Kanický, V.; Němec, I.: FEM: Principy a praxe metody konečných prvků. Praha: Computer Press, 1997, Česká publikace shrnující základy metody konečných prvků s přihlédnutím k praktickým problémům při modelování stavebních konstrukcí. Publikace je orientována na pokročilejší uživatele MKP programů, kteří chtějí pochopit základní principy jejich fungování. [4] NAFEMS: Guidelines to Finite Element Practice. Glasgow, UK: NAFEMS, 1992, I když je tato publikace poněkud staršího data (obsah je založen na materiálech z roku 1985), obsahuje kompaktní shrnutí základních principů modelování pomocí MKP s minimem teoretických detailů. Tato kniha též posloužila jako cenná inspirace při tvorbě dokumentu, který laskavá čtenářka nebo čtenář právě dočetli. 6