ROVINNÁ ÚLOHA. Všechny veličiny (geometrie, materiálové vlastnosti, zatížení) jsou nezávislé na jedné prostorové proměnné

Podobné dokumenty
1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

1 Vedení tepla stacionární úloha

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

1 Modelování pružného podloží

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

Aproximace posuvů [ N ],[G] Pro každý prvek se musí nalézt vztahy

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

1 Přesnost metody konečných prvků

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

4. Napjatost v bodě tělesa

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

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

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

Vícerozměrné úlohy pružnosti

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

1 Zatížení konstrukcí teplotou

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

PRUŽNOST A PEVNOST II

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

Kontraktantní/dilatantní

Pružnost a plasticita II CD03

Základy matematické teorie pružnosti Tenzor napětí a tenzor deformace Statické (Cauchyho) rovnice. Geometrické rovnice

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

1 Stabilita prutových konstrukcí

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

Princip virtuálních prací (PVP)

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Globální matice konstrukce

Lineární stabilita a teorie II. řádu

PRUŽNOST A PLASTICITA I

1 Ohyb nosníků - mindlinovské řešení

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost. Napětí statické rovnice Deformace geometrické rovnice Zobecněný Hookeův zákon Příklad zemní tlak v klidu

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Hledáme lokální extrémy funkce vzhledem k množině, která je popsána jednou či několika rovnicemi, vazebními podmínkami. Pokud jsou podmínky

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Cvičení 1. Napjatost v bodě tělesa Hlavní napětí Mezní podmínky ve víceosé napjatosti

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

DIPLOMOVÁ PRÁCE. České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební. Prvky pro analýzu deskových a skořepinových konstrukcí.

ZADÁNÍ ZKOUŠKOVÉ PÍSEMNÉ PRÁCE Z PŘEDMĚTU LINEÁRNÍ ALGEBRA PRO IT. Verze 1.1A

Typy příkladů na písemnou část zkoušky 2NU a vzorová řešení (doc. Martišek 2017)

stránkách přednášejícího.

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Program SMP pro kombinované studium

OHYB (Napjatost) M A M + qc a + b + c ) M A = 2M qc a + b + c )

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

A x A y. α = 30. B y. A x =... kn A y =... kn B y =... kn. Vykreslení N, V, M. q = 2kN/m M = 5kNm. F = 10 kn A c a b d ,5 2,5 L = 10

Dynamika vázaných soustav těles

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Prostorové konstrukce. neznámé parametry: u, v w. (prvky se středostranovými uzly)

Pružnost a pevnost I

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy


terminologie předchozí kapitoly: (ϕ, Ω) - plocha, S - geometrický obraz plochy

α = 210 A x =... kn A y =... kn A M =... knm

c B. Patzák 2012, verze 01

12. Prostý krut Definice

Přednáška 10. Kroucení prutů

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

FAKULTA STAVEBNÍ. Stavební statika. Telefon: WWW:

Pozn. 1. Při návrhu aproximace bychom měli aproximační funkci vybírat tak, aby vektory ϕ (i) byly lineárně

10. Elasto-plastická lomová mechanika

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Nelineární problémy a MKP

Aplikovaná numerická matematika

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

Numerické řešení diferenciálních rovnic

b) Křehká pevnost 2. Podmínka max τ v Heigově diagramu a) Křehké pevnosti

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

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

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

3.2 Stíněné mikropáskové vedení

Úvod do analytické mechaniky

geologie a užité geofyziky Karlova Univerzita, Praha v geomechanice I

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

které charakterizují danou fyzikální situaci. souvislostí). Může být formulován jako soustava rovnic a nerovnic.

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

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Tutoriál programu ADINA

ČVUT UPM 6/2013. Eliška Bartůňková

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

Numerická matematika Písemky

Napěťový vektor 3d. Díky Wikipedia za obrázek. n n n

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

Transkript:

ROVINNÁ ÚLOHA Rovinná úloha Všechny veličiny (geometrie, materiálové vlastnosti, zatížení) jsou nezávislé na jedné prostorové proměnné Rovinná napjatost Rovinná deformace Rotačně symetrická úloha Rovinná napjatost historicky první praktická aplikace metody konečných prvků [5]

2 GEOMETRICKÉ ROVNICE 2 2 Geometrické rovnice Poloha charakterizována x = {x, y} T Základní neznámé u(x) = {u(x), v(x)} T Vektor (nezávislých složek) deformace ε(x) = {ε x (x), ε y (x), γ xy (x)} T Geometrické rovnice ε x (x) ε y (x) γ xy (x) = x y y x u(x) v(x) ε(x) = T u(x) Pro rovinnou deformaci je ε z =, pro rovinnou napjatost se ε z dopočítává z konstitutivních rovnic

3 STATICKÉ ROVNICE 3 3 Statické rovnice Vektor (nezávislých složek) napětí σ(x) = {σ x (x), σ y (x), τ xy (x)} T Statické rovnice: x Ω x y y x σ x (x) σ y (x) τ xy (x) + X(x) Y (x) = σ(x) + X = σ z = pro rovinnou napjatost, σ z pro rovinnou deformaci vyplývá z konstitutivních rovnic E. Clapeyron C. F. Gauss T.J.R. Hughes O. A. Ladyženskaja J. C. Saint-Venant

4 KONSTITUTIVNÍ ROVNICE 4 4 Konstitutivní rovnice Rovinná deformace Konstitutivní rovnice: σ(x) = D(x) ( ε(x) ε (x) ) ( σ z (x) = λ(x) ν(x) ( ε x (x) + ε y (x) ) + ( + ν(x) ) ) α(x) t(x) Lamého modul σ x (x) σ y (x) τ xy (x) λ(x) = = λ(x) Rovinná napjatost 2G(x) λ(x)( 2ν(x)), G(x) = 2ν(x) 2 ν ν ν ν 2ν 2 Konstitutivní rovnice: ν ν = ν/( + ν) ε z (x) = ν 2G (σ x(x) + σ y (x)) + α(x) t(x) ε x (x) α x (x) t(x) ε y (x) α y (x) t(x) γ xy (x) ()

4 KONSTITUTIVNÍ ROVNICE 5 Domací úkol. S pomocí následující tabulky odvoďte konstitutivní rovnice pro rovinnou napjatost (RN) a rovinnou deformaci (RD) z trojrozměrných vztahů v první přednášce. Deformace RN RD Napětí RN RD ε x σ x ε y σ y σ z ε z γ zy τ yz γ xz τ xz γ xy τ xy

5 OKRAJOVÉ PODMÍNKY 6 5 Okrajové podmínky Kinematické okrajové podmínky: x Γ u : u(x) u(x) = Statické okrajové podmínky: x Γ p n x(x) n y (x) σ x (x) σ y (x) n y (x) n x (x) τ xy (x) p x (x) p y (x) = n(x)σ(x) p(x) = Domací úkol 2. Odvoďte Clapeyronův vztah z první přednášky pro dvojrozměrné úlohy. Můžete vyjít z Gaussovy věty [3, str. 586, věta 5] f Ω x g dx = fgn x dx f g Γ Ω x dx f y g dx = fgn y dx f g y dx Ω Γ Ω

6 SLABÉ ŘEŠENÍ 7 6 Slabé řešení = Clapeyron = Ω Γ u Ω δu(x) T ( σ(x) + X ) dx {}}{ δu(x) T n(x)σ(x) dx + ( T δu(x) p {}}{ n(x)σ(x) dx δu(x) T Γ p ) T σ(x) dx + δu(x) T X(x) dx Přisoudíme-li váhové funkci δu(x) fyzikální smysl virtuálního posunu, můžeme člen T δu(x) identifikovat jako virtuální deformaci δε(x). δε(x) T σ(x) dx = δu(x) T p(x) dx + δu(x) T X(x) dx Ω Γ p Ω δw int = δw ext. Metodu vážených reziduí lze tedy chápat jako zobecnění principu virtuálních posunů (viz též druhý domácí úkol z přednášky č. ) Ω

7 GALERKINOVSKÁ APROXIMACE 8 7 Galerkinovská aproximace Řešenou oblast nahradíme n uzly Aproximace neznámých posunů u(x) u(x) N(x) ( r + r ), kde r odpovídá hodnotám předepsaných (tj. známých) posunů v uzlových bodech (detailnější rozbor viz cvičení č. 4) Aproximace polí deformací a napětí ε(x) B(x) ( r + r ) Aproximace váhových funkcí σ(x) D(x) ( B(x) ( r + r ) ε (x) ) δu(x) N(x)δr δε(x) B(x)δr

7 GALERKINOVSKÁ APROXIMACE 9 Po dosazení do slabé formulace podmínek rovnováhy dostáváme (podrobné odvození viz domácí úkol č. 3 z. přednášky) K R f {}}{{ }}{ δr T B(x) T D(x)B(x) dx r = δr T N(x) T X(x)dx +δr T Ω Neznámé uzlové posuny tedy splňují rovnici Ω { R }} { + δr T B(x) T D(x)ε (x) dx Ω ( ) δr T B(x) T D(x)B(x) dx r } Ω {{ } R r =Kr K r = R = R f + R p + R R r R p {}}{ Γ p N(x) T p(x) dx

7 GALERKINOVSKÁ APROXIMACE 7. Aproximace metodou konečných prvků Bázové funkce konstruujeme lokalizací bázových funkcí definovaných na n e prvcích Ω = n e e= Ω e Matice tuhosti K a vektor transformovaného zatížení R se určí lokalizací příspěvků jednotlivých prvků (viz též cvičení č. ) K = n e A K, R = ne A R e= e e, e= K e = R f e = B e (x) T D(x)B e (x) dx Ω e N e (x) T X dx Ω e

8 TROJÚHELNÍKOVÉ PRVKY 8 Trojúhelníkové prvky 8. Plošné souřadnice Trojúhelníkové souřadnice L i (x), i =, 2, 3, L i (x) = A i (x)/a Vztah mezi x L i (x) A (x) + A 2 (x) + A 3 (x) = A L (x) + L 2 (x) + L 3 (x) = L i (x, y) = a i + b i x + c i y 2A kde a i = x j y k x k y j, b i = y j y k, c i = x k x j, (2)

8 TROJÚHELNÍKOVÉ PRVKY 2 8.2 Aproximační (interpolační, tvarové) funkce Lineární prvek N (x) = L (x), N 2 (x) = L 2 (x), N 3 (x) = L 3 (x)

8 TROJÚHELNÍKOVÉ PRVKY 3.8.8.6.4.2.6.4 -.2.2.4.6.8.2.4.6.8.2.2.4.6.8.2.4.6.8 Kvadratický prvek N (x) = (2L (x) )L (x), N 3 (x) = (2L 3 (x) )L 3 (x), N 5 (x) = 4L 2 (x)l 3 (x), N 2 (x) = (2L 2 (x) )L 2 (x), N 4 (x) = 4L (x)l 2 (x), N 6 (x) = 4L (x)l 3 (x)

8 TROJÚHELNÍKOVÉ PRVKY 4 8.3 Matice tuhosti lineárního trojúhelníkového prvku Aproximace posunů u u(x) v(x) = N (x) N 2 (x) N 3 (x) N (x) N 2 (x) N 3 (x) v u 2 v 2 u 3 v 3 u e (x) = N e (x)r e Výpočet matice B e vyžaduje členy N i x N i y = N i L L x + N i L 2 L 2 x + N i L 3 L 3 x = L i x = N i L L y + N i L 2 L 2 y + N i L 3 L 3 y = L i y viz (2) = b i 2A viz (2) = = c i 2A

8 TROJÚHELNÍKOVÉ PRVKY 5 B e (x) = T N e (x) B e = = 2A N x N y N y N N 2 x y N 2 x N 2 y N 2 N 3 x y b b 2 b 3 c c 2 c 3 c b c 2 b 2 c 3 b 3 N 3 x N 3 y N 3 x B e je po prvku konstantní Matice tuhosti K e (předpokládáme, že D e je též konstantní) (K e ) 6 6 = B T D B dx = e e e BTD B e e e Ω e dx = AB T D B e e e Ω e Výpočet zbylých členů soustavy je obdobný

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 6 Odvoďte matici B e pro kvadratický trojúhelníkový pr- Domací úkol 3. vek. 9 Bilineární obdélníkový prvek Výpočet provádíme v soustavě souřadnic xy Neznámé: posuny uzlových bodů 4. r e = {u, v, u 2, v 2, u 3, v 3, u 4, v 4 } T

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 7.8.8.6.6.4.4.2.2 - -.5.5 - -.5.5 - -.5.5 - -.5.5.8.8.6.6.4.4.2.2 - -.5.5 - -.5.5 - -.5.5 - -.5.5 Aproximační (bázové) funkce N (x, y) = 4ab (x a)(y b), N 2(x, y) = (x + a)(b y), 4ab N 3 (x, y) = 4ab (x + a)(y + b), N 4(x, y) = (a x)(y + b) 4ab

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 8 Matice N e N e (x, y) = N N 2 N 3 N 4 N N 2 N 3 N 4 Matice B e = 4ab B e (x, y) = N x N y N y N N 2 x y N 2 x N 2 y N 2 N 3 x y N 3 x N 3 y N 3 N 4 x y N 4 x y b b y y + b y b N 4 y N 4 x x a x a x + a a x x a y b x a b y x + a y + b a x y b

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 9 Matice tuhosti prvku (K e ) 8 8 = a a b b B T (x, y)d B (x, y) dy dx (3) e e e 9. Numerická integrace Výpočet matice tuhosti (3) může být značně komplikovaný, např. pro obecné čtyřúhelníkové prvky nahradíme ho přibližným vztahem Základní myšlenka numerické integrace (kvadratury) b a f(x) dx N i i= w i f(x i ), kde x i označuje polohu integračního bodu a w i je váha integračního bodu.

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 2 Příklad (Lichoběžníkové pravidlo) b a f(x) dx N i i= 2 (f(x i) + f(x i+ )) = 2 f(x ) + f(x 2 ) +... + f(x Ni ) + 2 f(x N i ) V metodě konečných prvků se s výhodou používá Gaussovy kvadratury Přesná integrace polynomů řádu 2N i Integrační body nejsou nutně rozděleny rovnoměrně na intervalu a, b

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 2 Vztahy vetšinou uváděny v pomocných veličinách ξ i a α i. Platí x i = x l +x r 2 + x r x l 2 ξ i a w i = x r x l 2 α i. Podrobné odvození a vztahy pro více integračních bodů [, Dodatek B] N i ξ i α i Přesně 2 Lineární 2 ± 3 3 Kubické

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 22 Výpočet vícerozměrných integrálů je obdobný b a d c f(x, y) dx dy N i N j i= j= w x,i w y,j f(x i, y j ). Váhy w x,i w y,j a polohy integračních bodů (x i, y j ) volíme na základě jednorozměrných vztahů. Řád integrace 2 2

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 23 (Výpočet matice tuhosti obdélníkového prvku jednobodovou in- Příklad. tegrací) K e = = B e = 4 i= j= B T (x, y)d B (x, y) dy dx e e e ( ) w x,i w y,j B T (x e i, y j )D e B e (x i, y j ) ( 2 ( ) )( 2 ( ) 2 2 ) B T (, )D B (, ) e e e

9 BILINEÁRNÍ OBDÉLNÍKOVÝ PRVEK 24 Výpočet předchozího součinu programem Maple λ 8 3 4ν 4ν 3 + 4ν 4ν 3 4ν 4ν 3 + 4ν + 4ν 4ν 3 4ν + 4ν 3 + 4ν + 4ν 3 4ν 4ν 3 + 4ν 3 + 2ν 4ν 3 4ν + 4ν 3 + 4ν + 4ν 3 4ν 4ν + 4ν 3 + 4ν 4ν 3 4ν 4ν 3 4ν + 4ν 3 4ν Domací úkol 4. Určete matici tuhosti obdélníkového prvku numerickou integrací řádu 2 2. Jaký je rozdíl mezi získaným výsledkem a přesnou hodnotou?

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 25 Modelování nestlačitelných materiálů za stavu rovinné deformace Materiály s ν, 4 se nazývají téměř nestlačitelné Toto chování vykazuje celá řada inženýrských materiálů guma, kapaliny, kovy a zeminy v plastickém stavu atd. Při modelování MKP narážíme na problém objemového zamknutí. Objemová a deviatorická složka deformace Rozklad vektoru deformace na část vyjadřující objemové a tvarové změny Objemové změny popsány jednou skalární veličinou objemovou deformací ε v ε v (x) = ε x (x) + ε y (x)

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 26 Změna tvaru (za nulové změny objemu) je charakterizována vektorem deviatorické deformace e e x (x) ε x (x) e y (x) e xy (x) = ε y (x) 2 γ xy(x) ε v(x) 2 = 2 (ε x(x) ε y (x)) 2 (ε y(y) ε x (x)) 2 γ xy(x) e(x) = ε(x) ε v(x) m (4) 2 = + ε = ε v2 m + e ε v (x) = m T ε(x) (5)

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 27.2 Střední a deviatorické napětí Rozklad vektoru napětí na část popisující všesměrné a deviatorické působení Všesměrné působení popsáno středním napětím σ m σ m (x) = 2 (σ x(x) + σ y (x)) = 2 mt σ(x) Záporná hodnota napětí má fyzikální smysl působícího tlaku p(x) = σ m (x) Vektor deviatorického napětí s je definován jako s x (x) σ x (x) s y (x) = σ y (x) σ m (x) s xy (x) τ xy (x) s(x) = σ(x) σ m (x)m

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 28 = + σ = σ m m + s.3 Konstitutivní rovnice pro rovinnou deformaci Naším cílem je vyjádřit závislosti ε v σ m a e s Maticový zápis (pro jednoduchost položíme ε = ) σ x (x) σ y (x) τ xy (x) = λ(x) ν ν ν ν 2ν ε x (x) ε y (x) 2 γ xy(x)

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 29 Vztah ε v σ m σ m (x) = σ x(x) + σ y (x) 2 = λ(x) 2 = λ(x) 2 (( ν)ε x (x) + νε x (x) + ( ν)ε y (x) + νε y (x)) (ε x (x) + ε y (x)) = λ(x) 2 ε v(x) Člen e s : využijeme vztahu s = σ σ m m (viz (5)) σ m (x)m = λ(x) 2 mε v(x) = λ(x) 2 mmt ε(x) = λ(x) 2 2 2 2 ε x (x) ε y (x) 2 γ xy(x)

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 3 Tedy s x (x) s y (x) s xy (x) = λ(x) = 2G(x) viz () {}}{ λ(x)( 2ν) = 2G(x) 2 ν ν 2 ν 2 2 ν 2ν 2 2 2 2 2 (ε x(x) ε y (x)) 2 (ε y(y) ε x (x)) 2 γ xy(x) ε x (x) ε y (x) 2 γ xy(x) ε x (x) ε y (x) 2 γ xy(x) viz (4) = 2G(x)e(x)

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 3 Shrnutí σ m (x) = λ(x) 2 ε v(x) s(x) = 2G(x)e(x) ε v (x) = 2 λ(x) σ m(x) e(x) = 2G(x) s(x) Pro nestlačitelné materiály ν 2 : λ = 2G 2ν Pro libovolnou hodnotu středního napětí σ m nebo tlaku p musí být hodnota objemové deformace ε v nulová v každém bodě konstrukce Diskretizované řešení musí být schopno tuto podmínku splnit (tj. musíme být schopni předepsat nulovou objemovou deformaci a zároveň umožnit vznik nenulové deviatorické deformace).

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 32.4 Objemové zamknutí lineárních trojúhelníkových prvků Matice B e je na každém prvku konstantní Požadujeme vznik nulové objemové deformace ε v obsah trojúhelníků 23 a 34 musí zůstat před zatížením i po zatížení stejný Prvek v 3 = m Prvek 2 u 3 = m Celkově je tedy zabráněno libovolnému posunu bodu 3 deviatorická deformace e prvek vykazuje objemové zamknutí

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 33.5 Objemové zamknutí bilineárních obdélníkových prvků přesná integrace Matice K e je vyjádřena přesně je použito integrační schéma 2 2 Díky podepření můžeme uvažovat pouze dva sloupce matice B e odpovídající uzlu 3. ε x (x) ε y (x) γ xy (x) 4ab y + b x + a x + a y + b u 3 v 3

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 34 Podmínka nulové objemové deformace pro všechna a x a a b y b ε v (x) 4ab ((y + b)u 3 + (x + a)v 3 ) = = u 3 = v 3 = m, deviatorická složka tenzoru deformace e a dochází k objemovému zamknutí prvku. Domací úkol 5. Proveďte obdobnou analýzu pro dva lineární prvky uvažované v předchozí kapitole. Lze obdobný geometrický přístup použít i při analýze bilineárních obdélníkových prvků?

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 35.6 Objemové zamknutí bilineárních obdélníkových prvků redukovaná integrace Matice B e se při sestavování matice tuhosti uvažuje pouze v počátku souřadného systému Opět stačí pouze uvažovat dva stupně volnosti u 3 a v 3 ε x (x) ε y (x) b u 4ab a 3 v 3 γ xy (x) a b

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 36 Podmínka nulové objemové deformace Deviatorická deformace e x (x) e y (x) e xy (x) ε v (x) 4ab (bu 3 + av 3 ) = u 3 = a b v 3 v 3 4ab Prvek tedy nevykazuje objemové zamknutí a a b a2 b Obdobného postupu bylo použito při analýze mindlinovských nosníků pro smykový člen Redukované (selektivní) integrace lze použít i pro obdélníkové prvky pro lepší vystižení ohybových účinků [, Kapitola 3.5.3]

MODELOVÁNÍ NESTLAČITELNÝCH MATERIÁLŮ ZA STAVU ROVINNÉ DEFORMACE 37.7 Porovnání objemového a smykového zamknutí Smykové Objemové Důvod h/l λ Deformace γ xz ε v = Zamknutí ϕ, w lineární u, v (bi)lineární Redukovaná integrace jednobodová - γ xz jednobodová B Bublinová funkce (a 2 x 2 )(b 2 y 2 ) Lagrangeovy multiplikátory ASM [4] Obecná analýza stabilního chování prvku tzv. podmínka Ladyževská- Babuška-Brezzi (LBB); viz např. [2, Kapitola III. 4]).

REFERENCE 38 Prosba. V případě, že v textu objevíte nějakou chybu nebo budete mít námět na jeho vylepšení, ozvěte se prosím na zemanj@cml.fsv.cvut.cz. Opravy verze -: Přidána kapitola 9.. (vylepšení navrhl V. Šmilauer), členění a obsah kapitoly vzniklo po diskusích s M. Jiráskem a M. Šejnohou, rozličné opravy na str. 4, 7,, 4, 2 22, 25, 28 3 a 35 na podnět J. Šejnohy, přidán člen 2 γ xy v kapitole (na chybu upozornil M. Šejnoha) str. 4: doplněny členy x u konstitutivního zákona, doplněn člen δ u vitruální deformace, vymazán člen v u vektoru Rr (opravy po přednášce) Opravy verze : str. 4: přidány členy pro výpočty N i / x (oprava po přednášce) Opravy verze 2: str. 8 a následující: opraveno znaménko u bázových funkcí N 2 a N 4, matice B a příklad na jednobodovou integraci (na chybu upozornil J. Bažil) Opravy verze 3: obrázek I. Babušky se odstěhoval do přednášky č. 9, nahrazen obrázkem O. Ladyževské. str. 9: změněno domácí viz na viz (na chybu upozornili R. Pekař a M. Jandera). Verze 4 Reference [] Z. Bittnar and J. Šejnoha, Numerické metody mechaniky, vol. I, ES ČVUT, Praha, 992.

REFERENCE 39 [2] D. Braess, Finite elements. Theory, fast solvers and applications in solid mechanics, Cambridge University Press, 997, Překlad z němčiny Lary L. Schumaker. [3] K. Rektorys (ed.), Přehled užité matematiky, sixth ed., vol., Prometheus, Praha, 995. [4] J.C. Simo and T.J.R. Hughes, On the variational foundations of assumed strain methods, Journal of Applied Mechanics-Transactions of the ASME 53 (986), no., 5 54. [5] M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, and L. J. Topp, Stiffness and deflection analysis of complex structures, Journal Aeronautical Science 23 (956), 85 824.