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

Podobné dokumenty
Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Pružnost a plasticita II CD03

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

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

Tutoriál programu ADINA

PRUŽNOST A PEVNOST II

1 Přesnost metody konečných prvků

Mechanika s Inventorem

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

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Princip virtuálních prací (PVP)

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Metoda konečných prvků 2

Globální matice konstrukce

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

Desky. Petr Kabele. Pružnost a pevnost 132PRPE Přednášky. Deska/stěna/skořepina, desky základní předpoklady, proměnné a rovnice

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

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

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

Zjednodušená deformační metoda (2):

Výpočtové nadstavby pro CAD

Nelineární problémy a MKP

Přednáška 1 Obecná deformační metoda, podstata DM

ČVUT UPM 6/2013. Eliška Bartůňková

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Vícerozměrné úlohy pružnosti

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

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

Literatura: Kapitola 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

geologie a užité geofyziky Karlova Univerzita, Praha v geomechanice I

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Organizace výuky. Přednášející: Doc. Ing. Vít Šmilauer, Ph.D., B312 Konzultační hodiny St (po domluvě i jindy)

2.13 Rovinný obloukový nosník zatížený v rovině = staticky určitě podepřený rovinný obloukový prut

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

Mechanika s Inventorem

1 Vedení tepla stacionární úloha

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

Organizace výuky. Přednášející: Doc. Ing. Vít Šmilauer, Ph.D., B312 Konzultační hodiny St (po domluvě i jindy)

Téma 12, modely podloží

Autor: Vladimír Švehla

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

Literatura: Kapitoly 3, 4 a 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

(Poznámka: V MA 43 je věta formulována trochu odlišně.)

4.6.3 Příhradové konstrukce

Kontraktantní/dilatantní

PRUŢNOST A PLASTICITA

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

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

Energetické principy a variační metody ve stavební mechanice

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

OPTIMALIZACE A MULTIKRITERIÁLNÍ HODNOCENÍ FUNKČNÍ ZPŮSOBILOSTI POZEMNÍCH STAVEB D24FZS

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

4.6 Složené soustavy

Generování sítě konečných prvků

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

Tvorba výpočtového modelu MKP

10. Elasto-plastická lomová mechanika

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

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

Prizmatické prutové prvky zatížené objemovou změnou po výšce průřezu (teplota, vlhkost, smrštění )

FAKULTA STAVEBNÍ. Stavební statika. Telefon: WWW:

1 Stabilita prutových konstrukcí

Aplikovaná numerická matematika

Přibližné řešení úloh mechaniky

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy

Petr Kabele

SIMULACE V KONFEKČNÍ VÝROBĚ S VYUŽITÍM METODY KONEČNÝCH PRVKŮ (MKP, FEM)

Pružnost a plasticita CD03

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

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

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

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

Úvod do analytické mechaniky

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

NOSNÍK NA PRUŽNÉM PODLOŽÍ (WINKLEROVSKÉM)

Pružnost a pevnost. 2. přednáška, 10. října 2016

Téma 3 Úvod ke staticky neurčitým prutovým konstrukcím

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

Parciální diferenciální rovnice

Numerická matematika Písemky

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

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

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

Pilotové základy úvod

3. kapitola. Průběhy vnitřních sil na lomeném nosníku. Janek Faltýnek SI J (43) Teoretická část: Příkladová část: Stavební mechanika 2

Kapitola 8. prutu: rovnice paraboly z = k x 2 [m], k = z a x 2 a. [m 1 ], (8.1) = z b x 2 b. rovnice sklonu střednice prutu (tečna ke střednici)

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

Příhradové konstrukce

Přednáška 01 PRPE + PPA Organizace výuky

4. Napjatost v bodě tělesa

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

Transkript:

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků Petr Kabele petr.kabele@fsv.cvut.cz people.fsv.cvut.cz/~pkabele Petr Kabele, 2007-2014

Obsah Variační principy Princip metody konečných prvků Příklad jednoosá napjatost Petr Kabele, 2007-2014 2

Variační principy (vybrané) Uvažujme deformovatelné těleso vystavené působení vnějších objemových sil bv objemu V, vnějších povrchových sil t na části povrchu S t a předepsaným posunům na části povrchu S u. u t b V t S t t b Princip virtuálních prací S u S u Virtuální práce je práce, kterou vykonají všechny vnější síly působící na deformovatelné těleso, je-li tomuto tělesu uděleno malé hypotetické přemístění u, které je v souladu s předepsanými kinematickými vazbami virtuální přemístění. Předpokládáme, že síly zůstávají během virtuálního přemístění konstantní. T T Wvirt bu dv tuds V S t Petr Kabele, 2007-2014 3

Nutná a dostačující podmínka rovnováhy pole napětí : virtuální práce staticky kompatibilních vnějších sil ( tb, ) je rovna virtuální práci sil vnitřních (napětí) pro jakékoliv kinematicky přípustné a kompatibilní pole virtuálního přemístění a deformace (u, ). uε, u: T T T σε tu bu dv ds dv V S V t virt. práce vnitř. sil virt. práce vnějších sil Pozn.: staticky kompatibilní síly mechaniky tuhých těles. tb, - v celkové rovnováze z pohledu Petr Kabele, 2007-2014 4

Princip celkové potenciální energie Definujeme potenciální energii vnějších sil (zatížení): Postulujeme existenci pozitivně definitní hustoty energie deformace : Definujeme energii deformace tělesa: Definujeme celkovou potenciální energii tělesa: Aby těleso bylo v rovnováze, musí být první variace E pot rovna nule: 0 E E E pot int ext Nutnou a dostačující podmínkou, aby bylo těleso v rovnováze je: 1. tb, jsou staticky kompatibilní T T Eext b u dv t u ds V St σ T ε E dv d dv 2. Pole deformace, jehož vztah k poli napětí je určen fyzikálními rovnicemi int elastického materiálu, minimalizuje celkovou potenciální energii E pot vzhledem k všem kinematicky kompatibilním a přípustným polím deformace. V V σ ε E E E pot int ext Petr Kabele, 2007-2014 5

geometrické rovnice statické rovnice Princip metody konečných prvků (MKP) Řídící rovnice pro úlohu elasticity přemístění u b vnější síly εu T σb0 deformace (zobecněná deformace) σdε fyzikální rovnice napětí (zobecněné napětí) Petr Kabele, 2007-2014 6

Úloha s okrajovými podmínkami u T Dub0 silný tvar b uu nσt on S u on S okrajové podmínky t t b t S t t b řešením úlohy s o.p. je/jsou funkce přemístění definované na oblasti úlohy pole, např. u(x, y, z), v(x, y, z), w(x, y, z) MKP nám umožňuje vypočítat přibližné numerické řešení úlohy s okrajovými podmínkami S u S u Petr Kabele, 2007-2014 7

Řešení úlohy s o. p. pomocí MKP uxnxd Oblast řešení se rozdělí na prvky konečné velikosti (diskretizace) Na každém prvku se přemístění aproximuje vhodnými funkcemi (např. lineárními, kvadratickými)... tvarové funkce N(x) Koeficienty těchto funkcí d (obyčejně jejich hodnoty v jistých bodech prvku uzlech) budou primárními neznámými úlohy Petr Kabele, 2007-2014 8

uxnxd ε u Deformace se vyjádří z aproximovaného přemístění pomocí geometrických rovnic Protože pouze tvarové funkce závisí na x, derivace se vztahují pouze na ně a nikoliv na d εx Bxd Petr Kabele, 2007-2014 9

uxnxd ε u Z aproximované deformace se vypočte napětí pomocí fyzikálních rovnic εx Bxd σ Dε σx DBxd Petr Kabele, 2007-2014 10

uxnxd ε Statické rovnice se nepoužijí přímo. Místo nich se podmínky rovnováhy vyjádří pomocí některého z variačních principů (např. principu virtuálních prací, principu u celkové potenciální energie, atd.) bx T σb0 εx Bxd σ Dε σx DBxd Petr Kabele, 2007-2014 11

uxnxd Tím získáme tzv. slabý tvar úlohy bx ε u u, ε u: T T T σ ε dv t uds b udv V S V t εx Bxd σ Dε σx DBxd Petr Kabele, 2007-2014 12

Po dosazení aproximací, získáme diskretizovaný uxnxd slabý tvar bx d : TTT T T dbdbdtndbnd dv ds dv V S V t εx Bxd σ Dε σx DBxd Petr Kabele, 2007-2014 13

matice uxtuhosti Nxd K T konstrukce vektor vnějších uzlových sil f T ext bx d : TTT T T dbdbdtndbnd dv ds dv V S V t εx Bxd σ Dε σx DBxd Petr Kabele, 2007-2014 14

uxnxd Kd f ext bx d : TTT Diskretizovaný slabý tvar Tvede na soustavu T dbdbdtndbnd dv ds dv lineárních algebraických rovnic... jejich V S V primárním řešením jsou t diskrétní uzlové hodnoty d (přemístění) εx Bxd σ Dε σx DBxd Petr Kabele, 2007-2014 15

Příklad 1 jednoosá napjatost Úloha s okrajovými podmínkami y x pro jednoduchost označíme z bx x x bbtt,,, x x x x Petr Kabele, 2007-2014 16

Řídící rovnice dσ x b x = 0 dx du x x dx (1) (2) E x (3) x t okrajové podmínky, např. n 1 x x x ul=u (4) 10 t (5)... silný tvar úlohy s o. p. Petr Kabele, 2007-2014 17

Princip virtuálních prací slabý tvar dv b u dv t u ds V V S t dv Adx L x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t virt. práce vnitř. sil virt. práce vnějších sil... musí být splněno pro libovolné virtuální přemístění a kompatibilní deformaci u, splňující řídící rovnice okrajové podmínky u x = u, u x = 0 u u Petr Kabele, 2007-2014 18

15 MN/m2 Konkrétní zadání úlohy Pomocí MKP určete pole přemístění, deformace a napětí. Uvažujte jednoosou napjatost. 12 MN/m3 bx x 2 m 36 MN/m3 E=konst.=2000 MPa x 0,3 m 0,3 m Petr Kabele, 2007-2014 19

Aproximace pole přemístění Oblast diskretizujeme pomocí 4 prvků: (1)u (2)u (3)u (4)u (5)u x Značení: el.1 el.2 el.3 el.4 (globální č. uzlu) glob. st. volnosti č. prvku č. prvku, st. v. na prvku č. prvku, (uzel prvku) d... stupeň volnosti (např. složka přemístění) Např.: udd d d (2)21,22,1223,T Petr Kabele, 2007-2014 20

Tvarové funkce a prvková matice tvarových funkcí (s... lokální souřadnice prvku) N N N e,1 e,2 s s s 1 l s l s N s, N s e e e,1 e,2 e s 1, le s l e 1.0 N1 N2 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 s Aproximace posunů na prvku u s s s de,1 Nesde 1, l l d e e e,2 Petr Kabele, 2007-2014 21

Matice derivací tvarových funkcí B d dx d ds ds dx s N s, N s N s, N s e e,1 e,2 e,1 e,2 d ds s s 1 1 1,, ds dx le l e le l e Aproximace přetvoření na prvku s 1 1 de,1 Besde, l l d e e e,2 Aproximace napětí na prvku 1 1 de,1 s Es EBesde E, l l d e e e,2 Petr Kabele, 2007-2014 22

Princip virtuálních prací L x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t L 4 el dx x0 e 1s0.. ds... integrační oblast je rozdělena na prvky 1d 2d 3d 4d 5d el.1 el.2 el.3 el.4 x Petr Kabele, 2007-2014 23

L x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t 1d 2d 3d 4d 5d el.1 el.2 el.3 el.4 x např. na prvku 1: d1,1 1d d1,2 2d d1,1 1d d1,2 2d u s s s 1 N 2d s d 1 B 2d d d u s s 1d 2d s 2d 1 T N, N d 2d 1 T s Bs d, db s 1 2 s E s d 1 B 2d Petr Kabele, 2007-2014 24

L 1 2 3 x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t 1d 2d 3d 4d 5d el.1 el.2 el.3 el.4 x např. na prvku 1: 1 2 T, B 1 2 l 1 d d B s EA s ds s0 T d, d N s b ( s) Ads 1 2 l e s0 1 2 d d 3 d, d 1 2 At 0 Petr Kabele, 2007-2014

L x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t 1d 2d 3d 4d 5d el.1 el.2 el.3 el.4 x např. na prvku 2: d2,1 2d d2,2 3d d2,1 2d d2,2 3d u s s s 2 N 3d s d 2 B 3d d d u s s 2d 3d s 3d 2 T N, N d 3d 2 T s Bs d, db s 2 3 s E s d 2 B 3d Petr Kabele, 2007-2014

27 L 1 2 3 x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t 1d 2d 3d 4d 5d el.1 el.2 el.3 el.4 x např. na prvku 2: 1 2 3 T, B 2 3 l 1 d d B s EA s ds s0 T d, d N s b ( s) Ads 2 3 d, d 2 3 l e s0 0 0 2 3 d d Petr Kabele, 2007-2014

Matice tuhosti prvku T, B 1 2 l e d d B s EA s ds s0 le T K e B s EAB s0 1 s ds 1 le l e 1 1 EA, ds 1 l s 0 e l e l e EA EA le l e EA EA le l e 1 2 d d Petr Kabele, 2007-2014 28

Prvkové vektory vnějších uzlových sil 2 transform s x T d, d N s Ab ( s) ds 1 2 l e s0 el. node 1 el. node 2 3 d, d 1 2 At 0 el. node 1 el. node 2 Petr Kabele, 2007-2014 29

L x0 x0 L Adx b u Adx t u A x x t L... dx... ds x0 e1 s0 4 l e d d 1 d dk d d 2 1, 2 1 2, 3 K2... 2d d 3 1 f1 1 f 1 f f d d d d b t b t 2 2 2 2 1, 2 2, 3... b t b t 2 f1 2 f1 3 f2 3 f2 1d 1 f d f...... d f d, d,..., dk d, d,..., d 2 2 1 2 5 1 2 5 5 5 Petr Kabele, 2007-2014 30

Lokalizace prvkových matic/vektorů do globální matice tuhosti konstrukce a globálního vektoru uzlových sil vynulování lokalizace Petr Kabele, 2007-2014 31

Globální matice tuhosti K EA EA 0 0 0 le l e EA 2EA EA 0 0 le le l e EA 2EA EA 0 0 le le l e EA 2EA EA 0 0 le le l e EA EA 0 0 0 le l e Globální vektor vnějších uzlových sil f Petr Kabele, 2007-2014 32

Zohlednění okrajových podmínek 1d 1 f d f...... d f d, d,..., dk d, d,..., d 2 2 1 2 5 1 2 5 5 5... musí být splněno pro libovolné d splňující kinematické okr. podm. ( 5 d = 0) 1 2 3 4 5 d d d d d... soustava lineárních algebraických rovnic Petr Kabele, 2007-2014 33

Řešení soustavy rovnic Petr Kabele, 2007-2014 34

Výpočet přetvoření a napětí Přetvoření a napětí řešíme lokálně na každém prvku s s e B d... přetvoření je na každém prvku konstantní (důsledek zvolené aproximace přemístění pomocí lineárních funkcí) Petr Kabele, 2007-2014 35

Přetvoření a napětí řešíme lokálně na každém prvku e s E s... napětí je na každém prvku konstantní (důsledek zvolené aproximace přemístění pomocí lineárních funkcí) Petr Kabele, 2007-2014 36

Porovnání MKP s analytickým řešením Přemístění 0.008 0.006 0.004 0.002 0.5 1.0 1.5 2.0 x Petr Kabele, 2007-2014 37

Deformace 0.005 0.5 1.0 1.5 2.0 x 0.005 0.010 0.015 Napětí 10 0.5 1.0 1.5 2.0 x 10 20 30 Petr Kabele, 2007-2014 38

Závěrečné poznámky Volba primárních stupňů volnosti Primární stupně volnosti závisí na zvolené idealizaci úlohy, např: rovinná napjatost/deformace: 2 posuny v rovině 3-D kontinuum: 3 posuny příhrada (truss) v rovině: 2 posuny prostorová příhrada: 3 posuny nosník (beam) v rovině: 2 posuny, 1 pootočení nosník v prostoru: 3 posuny, 3 pootočení stěna (= rovinná napjatost): 2 posuny v rovině deska (plate): 1 posun kolmo na rovinu, 3 pootočení stěnodeska pozn.: existují i formulace MKP, ve kterých se primárně aproximují statické veličiny, případně přemístění a statické veličiny (tzv. smíšené formulace) Petr Kabele, 2007-2014 39

Přesnost řešení primárních neznámých závisí na schopnosti zvolené aproximace přiblížit se přesnému řešení řídících diferenciálních rovnic možno ovlivnit: volbou aproximačních (tvarových) funkcí např. stupněm polynomu hustotou dělení na jednotlivé prvky Petr Kabele, 2007-2014 40

Výpočet deformace a napětí průběhy deformací a napětí řešíme na každém prvku lokálně pro výpočet se použijí derivace aproximovaného pole přemístění přesnost vypočtených průběhů deformací a napětí je vždy horší než přesnost primární neznámé (přemístění) v závislosti na použitých bázových funkcích: existují body v prvku, kde je výpočet deformací a napětí nejpřesnější vypočtené průběhy deformace a napětí mohou být mezi prvky nespojité hodnoty deformace a napětí vypočtené na okrajích prvků a v uzlech mohou mít velmi malou přesnost Petr Kabele, 2007-2014 41

Tento dokument je určen výhradně jako doplněk k přednáškám a cvičením z předmětu Nelineární analýza materiálů a konstrukcí pro studenty Stavební fakulty ČVUT v Praze. Dokument je průběžně doplňován, opravován a aktualizován a i přes veškerou snahu autora může obsahovat nepřesnosti a chyby. Datum poslední aktualizace: 24.3.2014 Petr Kabele, 2007-2014 42