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

Podobné dokumenty
Globální matice konstrukce

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

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

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

PRUŢNOST A PLASTICITA

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

geologie a užité geofyziky Karlova Univerzita, Praha v geomechanice I

Pružnost a plasticita II CD03


Čebyševovy aproximace

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

2D transformací. červen Odvození transformačního klíče vybraných 2D transformací Metody vyrovnání... 2

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

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

Polynomy a interpolace text neobsahuje přesné matematické definice, pouze jejich vysvětlení

Základní vlastnosti ploch

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}.

Generování sítě konečných prvků

Hledání extrémů funkcí

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

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

Kombinatorická minimalizace

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Teorie měření a regulace

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

Aproximace funkcí. x je systém m 1 jednoduchých, LN a dostatečně hladkých funkcí. x c m. g 1. g m. a 1. x a 2. x 2 a k. x k b 1. x b 2.

Integrace funkcí více proměnných, numerické metody

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

Integrace. Numerické metody 7. května FJFI ČVUT v Praze

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

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Maturitní témata z matematiky

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Rovinné přetvoření. Posunutí (translace) TEORIE K M2A+ULA

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

úloh pro ODR jednokrokové metody

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

7.3. Diferenciální rovnice II. řádu

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

5. Plochy v počítačové grafice. (Bézier, Coons)

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

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

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

5. Lokální, vázané a globální extrémy

VKM/IM /2015. Zintegrujte. f (x, y) dx dy = f (x, y) = (y x) 2, Ω : x 2 + y 2 4, x 0.

10. cvičení z Matematické analýzy 2

Numerická matematika Písemky

ˇ EDNA SˇKA 9 DALS ˇ I METODY INTEGRACE

Statika. fn,n+1 F = N n,n+1

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

Maturitní témata profilová část

R β α. Obrázek 1: Zadání - profil složený ze třech elementárních obrazců: 1 - rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník, 2 - čtverec, 3 - kruhová díra

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Kristýna Bémová. 13. prosince 2007

Nelineární problémy a MKP

Analýza napjatosti PLASTICITA

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Matematika.

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

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

Kapitola 8: Dvojný integrál 1/26

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

1.1 Shrnutí základních poznatků

DERIVACE. ln 7. Urči, kdy funkce roste a klesá a dále kdy je konkávní a

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

2. Určete jádro KerL zobrazení L, tj. nalezněte alespoň jednu jeho bázi a určete jeho dimenzi.

Úvod do lineární algebry

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

Dynamika vázaných soustav těles

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Křivky a plochy technické praxe

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Numerické metody a statistika

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

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

Systematizace a prohloubení učiva matematiky. Učebna s dataprojektorem, PC, grafický program, tabulkový procesor. Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

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

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

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Mechanika s Inventorem

Učební plán 4. letého studia předmětu matematiky. Učební plán 6. letého studia předmětu matematiky

PRUŽNOST A PEVNOST II

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

Základní topologické pojmy:

Příklad 1: Komutační relace [d/dx, x] Příklad 2: Operátor B = i d/dx

3.2 Stíněné mikropáskové vedení

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Transkript:

Aproimace posuvů Pro každý prvek se musí nalézt vztahy kde jsou prozatím neznámé transformační matice. Neznámé funkce posuvů se obvykle aproimují ve formě mnohočlenů kartézských souřadnic. Například 1. pro 1D úlohu (obecně) u = 1 2 3 2... m n 2. pro 2D úlohu (obecně) u, y = 1 2 3 y 4 2 5 y 6 y 2... m y n Obecně pak {u}=[ N ]{r},{ε}=[g]{r}, [ N ],[G] v, y = m 1 m 2 m 3 y m 4 2 m 5 y m 6 y 2... 2m y n {u}=[ M ]{ }.

Aproimace posuvů Rovnice {u}=[ M ]{ } (*) musí platit i pro zobecněné posuvy, lze tedy psát {r}=[ A]{ }, kde matice [ A] obsahuje hodnoty souřadnic uzlů prvku. Z poslední rovnice je možno vyjádřit vektor s neznámými koeficienty i { }=[ A] 1 {r}. Následným dosazením do (*) {u}=[m ]{ }=[M ][ A] 1 {r}=[ N ]{r} lze získat vztah pro matici tvarových funkcí [ N ]=[M ][ A] 1. Radim Halama MKP a MHP

Matice bázových funkcí některých prvků Prvek Matice [M] Tyčový [1 ] Trojúhelníkový Obdélníkový Jehlanový (čtyřstěn) [ 1 y 0 0 0 y] 0 0 0 1 [ 1 y y 0 0 0 0 0 0 0 0 1 y y] [ 1 y z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 y z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 y z]

Typy prvků Prvky dělíme dle dimenze úlohy na: 1) jednorozměrné 2) dvojrozměrné (rovinné) 3) prostorové dle volby tvarové funkce na: 1) Serendipity family 2) Lagrange family 3) Hermitovské prvky dle tvaru a použití na: 1) tyčové 2) nosníkové 3) trojúhelníkové 4) obdélníkové 5) jehlanové (tetrahedral element) 6) šestistěnové (brick element) 7) deskové (shell element)... Radim Halama MKP a MHP

Serendipity family Byly odvozeny intuitivně. Aproimační funkce je ve tvaru polynomu, jehož členy se obvykle vybírají symetricky z Pascalova trojúhelníku. Např. pro trojúhelník na obrázku dole lze volit aproimaci posuvu ve tvaru y 2 y y 2 3 2 y y 2 y 3 4 3 y y 4 2 y 2 y 3 u= 1 2 3 y 4 y 5 2 y 6 y 2 Pro y=k+q zjistíme, že potřebujeme 4 uzly na jedné straně. Zvolíme-li ovšem polynom u= 1 2 3 y 4 2 5 y 6 y 2, y C vystačíme si s uzly třemi. A B

Srendipity family Kvadratický obdélníkový prvek aproimační funkce: u, y = 1 2 3 y 4 2 5 y 6 y 2 7 2 y 8 y 2 =[M ]{ }, Aproimace u (,y) musí opět platit i pro uzlové hodnoty, proto dosadíme-li 8 do vztahu pro u (,y), získáme rovnici {r}=[ A]{ }. Po inverzi matice [ A] můžeme odvodit tvarové funkce [ N ]=[M ][ A] 1, y 6 7 8 4 5 kde [ N ]=[ N 1, N 2, N 3, N 4, N 5, N 6, N 7, N 8 ]. 1 2 3 Např. pro prvek s rozměry 11 očíslovaný dle obrázku lze získat tvarovou funkci uzlu 4: N 4, y =4y 1 y 1 Radim Halama MKP a MHP

Lagrange family tvarové funkce lze psát přímo - užitím Lagrangeových interpolačních polynomů potřebujeme uzly i uvnitř oblasti Např. pro uzel 4 obdélníkového prvku vpravo N 4, y = 2 3 1 2 1 3 Tato funkce nabývá nulových hodnot ve všech uzlech kromě uzlu 4. y y 1 y y 7 y 4 y 1 y 4 y 7 Výhoda odpadá dosazování souřadnic uzlů Nevýhodou těchto prvků je, že při větším počtu vnitřních uzlů obvykle nesplňují požadavek spojitosti na hranicích prvků. y 7 8 9 4 5 6 1 2 3 N 4 (,y)

Lagrange family Obdélníkový kvadratický prvek tvarové funkce lze zapsat hromadně takto N n i, j =A i1 A i2 A i3 B j1 B j2 B j3, kde A il = l pro i l, i l A il =1 pro i=l, B jl = y y l pro j l, y i y l B jl =1 pro j=l. Např. pro prvek 11 a uzel 7 lze získat: N 7, y =4 1 0,5 y 2 0,5 y. y j=2 i=1 i=3 i=2 7 8 9 j=3 4 5 6 j=1 1 2 3 Radim Halama MKP a MHP

Lagrangeův prvek rozměrů 11 tvarové funkce Serendipity Lagrange y y 6 7 8 7 8 9 4 5 4 5 6 1 2 3 1 2 3 N 6 (,y) N 7 (,y) N 6, y = y 2 2 2y 2y 1 N 7, y =4 1 0,5 y 2 0,5 y

Lagrangeův prvek rozměrů 11 tvarové funkce Serendipity Lagrange y y 6 7 8 7 8 9 4 5 4 5 6 1 2 3 1 2 3 N 4 (,y) N 4 (,y) N 4, y =4y 1 y 1 N 4, y =8 0,5 1 y y 2 Radim Halama MKP a MHP

Hermitovské prvky V interpolačních vztazích se vyskytují i derivace posuvů Např. Hermitovský tyčový prvek se čtyřmi u() r 4 stupni volnosti. Volíme polynom u = 1 2 3 2 4 3 =[M ]{ }. Konstanty α 1 až α 4 se určí z podmínek v uzlech 1, 2: u 0 =r 1, u l =r 3 du 0 du l =r d 2, =r d 4 Po dosazení do první rovnice lze psát E,S,l r 1 r 2 1 2 r 3 r 1 = 1, r 3 = 1 l 2 l 2 3 l 3 4, r 2 = 2, r 4 = 2 2l 3 3l 2 4

Hermitovské prvky Rovnice r 1 = 1, r 3 = 1 l 2 l 2 3 l 3 4, r 2 = 2, r 4 = 2 2l 3 3l 2 4 lze zapsat maticově {r}=[ A]{ }, kde 0 0 0 0 1 0 0 [ A]=[1 1 l l 2 l 3 2]. 0 1 2l 3l Po inverzi matice [ A] se získá matice tvarových funkcí [ N ]=[M ][ A] 1 =[1 32 l 2 23 l 3, 22 3 l l, 32 2 l 23 2 l 3, 2 l 3 l 2 ]. Výhoda spojitost také v první derivaci posuvů, tzn. také v poměrných deformacích a napětích Radim Halama MKP a MHP

Referenční prvky, bezrozměrné (přirozené) souřadnice Rodičovské (referenční) prvky mají tvarové funkce vyjádřeny pomocí bezrozměrných souřadnic, což je výhodné pro stanovování integrálů v matici tuhosti. Skutečný prvek lze získat z prvku rodičovského při dodržení těchto pravidel geometrické transformace: Každému bodu skutečného prvku musí odpovídat bod v referenčním prvku. Totéž musí platit pro uzly. Hranice mezi dvěma uzly referenčního prvku odpovídá hranici mezi odpovídajícími uzly skutečného prvku. SKUTEČNÝ 1 E,S 2 ξ = 1 ξ =0 ξ =1 L REFERENČNÍ E,S 1 2 ξ

Referenční prvky tyčový prvek Geometrickou transformaci můžeme vyjádřit lineární závislostí = 1 2 =[1, ]{ 1 2} =[ M ]{ }. Tato rovnice je analogická ke vztahu u=[1, ]{ 1 2} =[M ]{ }, ξ = 1 ξ =0 ξ =1 1 2 L 1 E,S 2 ξ který popisuje aproimaci posuvů lineárního tyčového prvku. Lze tedy použít stejný postup pro odvození geometrické transformace jako u posuvů, tzn. určí se matice [ A] dosazením souřadnic uzlů 1, 2 do první rovnice [ A] 1 =[1, 1]{ 1 2} 2=[1,1]{, 1 2}, tzn. { 1 2} = [ 1 1 ]{ 1 1 1 2}. Radim Halama MKP a MHP

Referenční prvky tyčový prvek Po provedení inverze matice, tj. [ A] 1 = 1 2[ 1 1 1 1] a dosazení se získá [ N ]=[ M ][ A] 1 = [1, ] 1 2[ 1 1 1 1] = [ 1 2 1, 1 2 1 ]. Jestliže se aplikuje stejný postup i pro určení transformačních matic u aproimace posuvů referenčního tyčové prvku, vyjde =[ [ N ]=[M ][ A] 1 1 2 1, 1 2 1 ], odkud plyne, že transformační matice geometrické transformace a matice tvarových funkcí mohou být stejné.

Izoparametrické prvky Jestliže funkce N a N jsou shodné a rovněž jsou identické geometrické a interpolační uzly, pak se mluví o prvku izoparametrickém. Další případy definují obrázky uvedené níže. PRVEK IZOPARAMETRICKÝ SUBPARAMETRICKÝ SUPERPARAMETRICKÝ značí body pro určení geometrie prvku značí uzly pro určení aproimace Radim Halama MKP a MHP

Matice bázových funkcí lineárních referenčních prvků Prvek Matice [M] Tyčový [1 ] Trojúhelníkový Obdélníkový Jehlanový (čtyřstěn) [ 1 0 0 ] 0 0 0 0 1 [ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ] [1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ]

Matice tvarových funkcí 1D referenčních prvků 1D prvek Serendipity family - lineární - parabolický Tvarové funkce [ N ]=[ ]=[ N 1, N 1 2 2 1, 1 2 1 ] [ N ]=[ ]=[ N 1, N 2, N 1 3 2 2, 1 2] 2 2,1 Lagrange family N i =A i1 A i2 A i3, A il = l i l pro i l, A il =1 pro i=l, Vyjde totéž jako u Serendipity family Hermitovský prvek [ N ]=[ 1 4 1 2 2, 1 4 1 2 2, 1 4 1 2 1, 1 4 1 2 1 ] Radim Halama MKP a MHP

Aproimace křivek pomocí 1D prvků Viz: Beer, G., Watson, J.O.: Introduction to Finite and Boundary Element Methods for Engineers, New York, 1992. Lineární prvek Parabolický prvek Hermitovský prvek

Matice tvarových funkcí vybraných 2D referenčních prvků 2D prvek Lineární - trojúhelník - čtyřúhelník Tvarové funkce [ N ]=[ N 1, N 2, N 3 ]=[1,, ] [ N ]= 1 4 [ 1 1, 1 1, 1 1, 1 1 ] Lagrangeův čtyřúhelník N n i, j =A i1 A i2 A i3 B j1 B j2 B j3, η 4 7 8 9 1 5 3 6 2 ξ A il = l i l pro i l, A il =1 pro i=l, B jl = l i l pro j l, B jl =1 pro j=l. Radim Halama MKP a MHP

Získání prvkových matic pomocí referenčních prvků Matici tuhosti lineárních prvků lze získat analyticky. U složitějších prvků je nutné použití přirozených souřadnic a dodržení pravidel transformace i při odvozování prvkových matic (matice tuhosti a matice hmotnosti). Např. Rovinný prvek se zakřivenými hranami Matice tuhosti prvku je definována vztahem [ K ]= [G] T [C][G]dV, kde [G] V je transformační matice ze vztahu y η ξ {ε}=[ ] T {u}=[ ] T [N ]{r}=[g]{r}. Použitím referenčního prvku lze potom psát 1 1 [ K ]= [G] T [C ][G ] t det [ J ] d d, 1 1 η 1 transformace kde det [J ] je determinant Jakobiánu transformace -1 1 ξ a t značí tloušťku prvku (u rovinné napjatosti). -1

Jakobián transformace Rozměr 1D 2D Jakobián [J] d d [ d dy ] d d d dy d d 3D [ d d d d d d dy d dy d dy d dz ] d dz d dz d Radim Halama MKP a MHP

Numerická integrace prvkových matic U složitějších prvků je nutno integrovat numericky, přičemž se většinou používá Gaussova integrace. Pro tyčový prvek lze integrál na prvku vyčíslit tak, že se integrovaná funkce Ψ uprostřed prvku vynásobí hodnotou délky intervalu 1 1 d 2 =0 Tato aproimace bude u lineárního prvku přesnou hodnotou. Pro jednorozměrné prvky lze obecně psát Ψ (ξ) Ψ (ξ=0) ξ = 1 ξ =0 ξ ξ =1 1 1 d n i=1 w i i, kde n je počet tzv. Gaussových integračních bodů (řád Gaussovy integrace) w i jsou váhové faktory.

Numerická integrace prvkových matic Pro jednorozměrný prvek lze potom matici tuhosti prvku vyčíslit takto 1 [ K ]= 1 n [G] T [C][G]det [ J ] d = i=1 w i [G i ] T [C ][G i ]det [ J ], přičemž váhové koeficienty w i se volí dle tabulky: ξ i w i Pro rovinný prvek lze podobně psát n n [ K ]= i=1 j=1 w i w j [G i, j ] T [C ][G i, j ] t det [ J ]. Radim Halama MKP a MHP