Metoda konečných prvků. 6. přednáška Tělesové prvky - úvod (lineární trojúhelník a lineární čtyřstěn) Martin Vrbka, Michal Vaverka



Podobné dokumenty
9. Lineárně elastická lomová mechanika K-koncepce. Únava a lomová mechanika Pavel Hutař, Luboš Náhlík

c sin Příklad 2 : v trojúhelníku ABC platí : a = 11,6 dm, c = 9 dm, α = Vypočtěte stranu b a zbývající úhly.

Analýza oběžného kola

Stabilita skalního svahu rovinná smyková plocha

5 Navrhování vyztužených zděných prvků

Příručka uživatele návrh a posouzení

Cvičení 3 z předmětu CAD I PARAMETRICKÉ 3D MODELOVÁNÍ

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

Spoje se styčníkovými deskami s prolisovanými trny

1.7. Mechanické kmitání

Zvyšování kvality výuky technických oborů

CVIČENÍ č. 8 BERNOULLIHO ROVNICE

DYNAMICKÉ VÝPOČTY PROGRAMEM ESA PT

Ploché výrobky z konstrukčních ocelí s vyšší mezí kluzu po zušlechťování technické dodací podmínky

4. cvičení: Pole kruhové, rovinné, Tělesa editace těles (sjednocení, rozdíl, ), tvorba složených objektů

Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky CZ.1.07/2.2.00/ Reálná čísla

MSSF Benefit praktický průvodce pro žadatele v rámci Operačního programu Rozvoj lidských zdrojů

SYLABUS PŘEDNÁŠKY 6b Z INŽENÝRSKÉ GEODÉZIE (Polohové vytyčování) 4. ročník bakalářského studia studijní program G studijní obor G

Kótování na strojnických výkresech 1.část

Předmět: Ročník: Vytvořil: Datum: ŠČERBOVÁ M. PAVELKA V. VZPĚR VZPĚR

TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ KOVŮ

Přednáška č.10 Ložiska

Naše komplexní řešení pro spojování vašich stěn: PFEIFER-FS-Box

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH

Exponenciála matice a její užití. fundamentálních matic. Užití mocninných řad pro rovnice druhého řádu

SENDVIČOVÉ KONSTRUKCE Zdeněk Padovec

PARAMETRICKÁ STUDIE PRŮBĚHU RYCHLOSTI PROUDĚNÍ V PULTOVÉ DVOUPLÁŠŤOVÉ PROVĚTRÁVANÉ STŘEŠE NA VSTUPNÍ RYCHLOSTI

Uložení potrubí. Postupy pro navrhování, provoz, kontrolu a údržbu. Volba a hodnocení rezervy posuvu podpěr potrubí

STATICKÁ ÚNOSNOST 3D MODELU SVĚRNÉHO SPOJE

2 Trochu teorie. Tab. 1: Tabulka pˇrepravních nákladů

tvarovka průběžná celá tvarovka ukončující celá tvarovka ukončující poloviční tvarovka sloupková měrná jednotka ks/m 2 paleta / ks 1 kus / kg

SPOJE ŠROUBOVÉ. Mezi nejdůleţitější geometrické charakteristiky závitů patří tyto veličiny:

ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ. Moderní způsoby strojního obrábění na frézkách a horizontálních vyvrtávačkách

Centrum pro flexibilní zpracování plechových polotovarů (II)

Možnosti stanovení příčné tuhosti flexi-coil pružin

1.2.5 Reálná čísla I. Předpoklady:

V této části manuálu bude popsán postup jak vytvářet a modifikovat stránky v publikačním systému Moris a jak plně využít všech možností systému.

Technická hodnota věcí a zařízení

1 Zadání konstrukce. Výška stěny nad terénem (horní líc) h= 3,5 m Sedlová střecha, sklon 45, hřeben ve směru delší stěny

NÁVOD NA OBSLUHU A ÚDRŽBU PRO. čistící pistole s tlakovou nádobou obj. č. AA 5000 rozprašovací čistící pistole obj. č. AA 3080

Strojní součásti, konstrukční prvky a spoje

Posouzení zdravotního stavu stromů Prunus serrulata ve vybraných ulicích města Mostu

TESTOVÁNÍ SOFTWARU PAM STAMP MODELOVÝMI ZKOUŠKAMI

371/2002 Sb. VYHLÁŠKA

I. Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb

Nástroje produktivity

7. Stropní chlazení, Sálavé panely a pasy - 1. část

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Dynamika tuhých těles

FRANK. Technologie pro stavební průmysl. Egcodist. Stěnová a stropní ložiska

7. Odraz a lom. 7.1 Rovinná rozhraní dielektrik - základní pojmy

KINEMATICKÉ ELEMENTY K 5 PLASTOVÉ. doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv. verze - 1.0

3. Polynomy Verze 338.

Úlohy domácího kola kategorie C

Přednášející Ing. Daniel Šmíd produktový manažer podlahové systémy

4.5.1 Magnety, magnetické pole

Stavba a porozumění vlastností Poncetovy EQ plošiny.

ZÁRUČNÍ LIST SPOLU S MONTÁŽNÍM NÁVODEM. POZOR: Před instalací si prostudujte pokyny a záruční podmínky.

Matematika pro chemické inženýry. Drahoslava Janovská

METODIKA PRO NÁVRH TEPELNÉHO ČERPADLA SYSTÉMU VZDUCH-VODA

M - Příprava na čtvrtletní písemnou práci

Trubkový dveřní zavírač model RTS neviditelný dveřní zavírač

Zadání. Založení projektu

4 Vyhodnocení naměřených funkčních závislostí

Mozaiky.

Vyhrazená elektrická zařízení

SKLÁDANÉ OPĚRNÉ STĚNY

1 BUBNOVÁ BRZDA. Bubnové brzdy používané u vozidel jsou třecí s vnitřními brzdovými čelistmi.

Příklad 1.3: Mocnina matice

GEOMETRICKÁ TĚLESA. Mnohostěny

Tel/fax: IČO:

Tepelné ztráty v potrubí se sníží až o 80 %.

Na následující stránce je poskytnuta informace o tom, komu je tento produkt určen. Pro vyplnění nového hlášení se klikněte na tlačítko Zadat nové

MODEL HYDRAULICKÉHO SAMOSVORNÉHO OBVODU

Manipulace a montáž. Balení, přeprava, vykládka a skladování na stavbě 9.1 Manipulace na stavbě a montáž 9.2 Montáž panelů 9.2

TECHNICKÉ ODSTŘELY A JEJICH ÚČINKY

Zvyšování kvality výuky technických oborů

MS měření teploty 1. METODY MĚŘENÍ TEPLOTY: Nepřímá Přímá - Termoelektrické snímače - Odporové kovové snímače - Odporové polovodičové

6. přednáška z předmětu GIS1 Souřadnicové systémy a transformace mezi nimi

FOUKANÁ IZOLACE. Obsah. Montážní návody

doc. Ing. Martin Hynek, PhD. a kolektiv verze Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Zátěžové testování SW aplikací. Miroslav Růžovský Softec CZ, spol. s.r.o.

Změny v LPIS v souvislosti s novou SZP a novelou zákona o zemědělství

Návod k použití. Kuchyňská digestoř. Typ: OKC 6661 I IO 00208/1

Montážní pokyny k panelům Montáž střešního prosvětlovacího panelu KS1000 PC a KS 1000 PC Double Skin

UniGear typ ZS1. Vzduchem izolované, kovově kryté rozváděče vysokého napětí odolné proti vnitřním obloukovým zkratům

Obsah. Trocha právničiny

na tyč působit moment síly M, určený ze vztahu (9). Periodu kmitu T tohoto kyvadla lze určit ze vztahu:

Kluzné uložení a prvky pro nastavení výšky

Evropské technické osvědčení ETA-05/0070

DUM 16 téma: Kreslení šroubu se 6HR hlavou

M. Balíková, R. Záhořík, NK ČR 1

DŘEVO-HLINÍKOVÁ OKNA A DVEŘE WINSTAR

Zvyšování kvality výuky v přírodních a technických oblastech CZ.1.07/1.128/ Nástrahy virtuální reality (pracovní list)

Mikromarz. CharGraph. Programovatelný výpočtový měřič fyzikálních veličin. Panel Version. Stručná charakteristika:

Zde se podrobně seznámíte s hlavními díly vzduchové clony. Vám názorně představí nejběžnější příklady instalací clon SAHARA MAXX HT.

Grafický manuál jednotného vizuálního stylu

Žáci mají k dispozici pracovní list. Formou kolektivní diskuze a výkladu si osvojí grafickou minimalizaci zápisu logické funkce

BTL-3000 Series Tenea 10 20

Foto návod na slepení modelu nákladního vozu řady Vtr.

Transkript:

Metoda konečných prvků 6. přednáška Tělesové prvky - úvod (lineární trojúhelník a lineární čtyřstěn) Martin Vrbka, Michal Vaverka

Diskretizace Analýza pomocí MKP vyžaduje rozdělení řešené oblasti na konečný počet podoblastí - prvků - které ji spojitě a jednoznačně vyplňují (tvorba sítě - meshing). 1D 2D 3D

Bázové funkce v 1D - opakování Prvek: Posuv nad prvkem: Posuv nad prvkem jsme v 1D aproximovali lineárně lineární kombinací bázových funkcí a neznámých posuvů v uzlech U Bázové funkce: Posuv nad prvkem: ux ( ) = N( x). u+ N( x). u 1 1 2 2 Příklad výsledků:

Diskretizace a bázové funkce ve 2D Příklad prvku ve 2D: Posuv nad prvkem ve 2D: Bázové funkce: Příklad výsledků: Síť trojúhelníkových prvků:

Nejjednodušším reprezentantem tělesových (solid) prvků ve 2D je trojúhelníkový prvek s lineárními bázovými funkcemi Trojúhelníkové prvky umožňují spojitě pokrýt jakoukoli tvarově nepravidelnou rovinnou oblast Prvek má tři uzly a v každém uzlu tři deformační parametry: v 2 2 u 2 v 3 3 u 3 1 v 1 u 1 Základní tvar aproximační funkce pro posuv u: u(x,y) = a 1 + a 2. x + a 3. y = G T.a, ( spojitou funkci posuvů chceme aproximovat nad prvkem lineárně)

Spojité funkce posuvů u a v nad prvkem jsou funkcí x a y, např. pro u: u(x,y) = a 1 + a 2. x + a 3. y = G T.a...aproximace posuvů (rovnice roviny) kde matice G = [ 1, x, y ] T...udává tvar polynomu, a = [ a 1, a 2, a 3 ] T neznámé koeficienty. Jestliže zapíšeme vodorovné složky posuvů ve 3 vrcholech prvku do matice deformačních parametrů δ u δ u = [ u 1, u 2, u 3 ] T můžeme tyto posuvy v uzlech vyjádřit pomocí známých souřadnic vrcholů prvku x 1 až y 3 δ u = S. a S je matice, sestavená ze souřadnic vrcholů prvku: S = 1 1 1 x x x 1 2 3 y y y 1 2 3

Spojité funkce posuvů u nad prvkem: u(x,y) = a 1 + a 2. x + a 3. y = G T.a Neznámé posuvy u ve třech uzlech: δ u = S. a matici a neznámých koeficientů a 1, a 2 a a 3 odtud vyjádříme a dosadíme je do u(x,y)

Dostaneme tak funkci posuvů vyjádřenou opět jako lineární kombinaci bázových funkcí N a posuvů v uzlech δ. u(x,y) = G T.S -1.δ u = N u.δ u bázové funkce a N u = [ N N ] 1 2 N 3 δ u = [ u 1, u 2, u 3 ] T neznámé posuvy v uzlech Každá bázová funkce N i je lineární funkce nad trojúhelníkem, která má jednotkovou hodnotu v i-tém vrcholu a nulové hodnoty ve zbývajících dvou vrcholech: 3 N 1 (x,y) 3 N 2 (x,y) 3 N 3 (x,y) 2 2 2 1 1 1

Sousední prvky sdílejí na společné hranici kromě krajních uzlů i odpovídající deformační parametry, pole posuvů je spojité ve funkčních hodnotách a po částech lineární:

Podobně aproximujeme i funkci posuvů v(x,y) Spojité funkce posuvů u a v pak máme vyjádřeny přibližně jako lineární kombinaci neznámých parametrů (posuvů v uzlech sítě) a bázových funkcí u u = = N. δ v kde δ = [ u 1, v 1, u 2, v 2, u 3,v 3 ] T, N N = 0 1 0 N 1 N 0 2 0 N 2 N 0 3 0 N 3

K sestavení matice tuhosti musíme nejprve vyjádřit napětí a přetvoření prostřednictvím nezávislé funkce posuvů. S využitím geometrických rovnic aplikovaných na rovinnou úlohu, získáme složky přetvoření. ε = L.N.δ = B.δ, kde ε = [ε x, ε y, γ xy ] T je matice složek přetvoření, L = 0 x y 0 y x B je matice získaná z bázových funkcí N i parciálními derivacemi.

S využitím konstitutivních vztahů získáme složky napětí. Za předpokladu platnosti Hookova zákona: σ = D.ε = D.B.δ Matice materiálových konstant D může nabývat různých tvarů podle toho, zda řešíme úlohu rovinné napjatosti, rovinné deformace nebo úlohu rotačně symetrickou.

Vzhledem k derivacím lineárních bázových funkcí jsou průběhy složek přetvoření, ale i napětí po prvcích konstantní, s nespojitostmi na hranicích mezi prvky: V místech s vysokými gradienty napětí může proto dojít k odřezání špičkových hodnot, důležitých z hlediska posuzování pevnosti a životnosti. Méně zkušený uživatel to může snadno přehlédnout, protože postprocessorem graficky zpracované výsledky jsou obvykle předkládány ve druhotně vyhlazené podobě, která nespojitosti v napětích stírá. Proto je nutné v oblastech očekávaných koncentrací napětí výrazně zjemnit síť prvků.

Prvek se hodně používá, ale vzhledem ke konstantním průběhům napětí a přetvoření není příliš přesný ve srovnání s jinými rovinnými prvky stejné velikosti. V systému ANSYS je lineární trojúhelník chápán jako tvarově degenerovaná podoba čtyřúhelníkového prvku PLANE42, resp. PLANE182 Uživatelé ANSYSU jsou vybízeni k přednostnímu využívání vhodnějších prvků:

Všechny rovinné prvky je možno použít nejen pro geometricky rovinné úlohy (rovinná napjatost a deformace), ale i pro analýzu rotačně symetrických problémů. Rovinná oblast, která je diskretizována, je potom meridiánovým (osovým) řezem rotačně symetrického tělesa. Osou rotační symetrie bývá zpravidla souřadnicová osa y. Zde jsou významné složky ležící kolmo na rovinu osového řezu obvodová napětí a přetvoření. Podobné je to v případě rovinné deformace ε z = 0 s nenulovou složkou napětí ve směru z. y Prostorová rotačně symetrická úloha se může řešit jako 2D s využitím rovinných prvků

Příklad rotačně symetrické úlohy Diskretizujeme pouze rovinný meridiánový řez

RD, RN, axisymetrie?

Správné zařazení rovinného případu (rovinná napjatost nebo deformace) a odpovídající volba při tvorbě výpočtového modelu MKP je zásadním krokem, na který se často zapomíná. Nevědomky se pak řeší jiná, v systému primárně nastavená varianta rovinné úlohy. Doporučujeme nevěřit slepě počítačově získaným výsledkům a prověřit jejich spolehlivost elementárními vztahy pružnosti stačí řádové odhady velikostí složek napětí a posuvů.

σ x = 100 MPa Př.: Rovinná tenká stěna s kruhovým otvorem je namáhána nominálním napětím σ x = 100 MPa. Určete napjatost v okolí otvoru. 10 Využijeme symetrie úlohy a modelujeme jen ¼. 200 Konstantní průběhy napětí po prvcích Vyhlazené průběhy napětí v uzlech

Lineární čtyřstěn Za rozšíření lineárního trojúhelníka do prostoru můžeme považovat lineární prostorový čtyřstěn (tetraedr): v 1 u 1 v 4 w 1 u 4 v 2 w 4 y u 2 z x w 2 v 3 u 3 w 3 Posuv nad prvkem je funkcí tří souřadnic: u(x,y,z) = a 1 + a 2. x + a 3. y + a 4. z = G T.a

Lineární čtyřstěn Opět platí, že prvek není příliš přesný a k jeho používání jsou výhrady. V systému ANSYS lze tento prvek použít pouze jako speciální degenerovaný tvar šestistěnového prvku SOLID45. Ovšem žádný jiný tvar není použitelný k plně automatickému vykrytí tvarově složitých objemů těles (Síť ze šestistěnů vyžaduje vždy komplikovanou topologickou přípravu a má jen omezené možnosti lokálního zhušťování). Lze místo něj použít čtyřstěny s vyššími bázovými funkcemi (jsou přesnější, ale mají více uzlů větší výpočetní nároky). y z x a) b) c) d) Osmiuzlový šestistěn SOLID 45 a jeho tvarově degenerované podoby

Lineární čtyřstěn 1000 (20 prvků) 100 (2 prvky) 120 (2 prvky) Průběh ohybových napětí po prvcích lineární čtyřstěn Průběh ohybových napětí po prvcích lineární šestistěn sdoplňkovými bázovými funkcemi (viz příště)