ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 14: Yleisen lujuusopin elementtimenetelmän perusteita.

Samankaltaiset tiedostot
4 YLEINEN ELEMENTTIMENETELMÄ

[ k ] ja ekvivalenttisen solmukuormitusvektorin { r } määritystä kaavoista (4.20) ja

Materiaali on lineaarinen, jos konstitutiiviset yhtälöt ovat jännitys- ja muodonmuutostilan suureiden välisiä lineaarisia yhtälöitä.

LAATTATEORIAA. Yleistä. Kuva 1.

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 07: Aksiaalinen sauvaelementti, osa 2.

Muodonmuutostila hum

Tampere University of Technology

KJR-C2001 KIINTEÄN AINEEN MEKANIIKAN PERUSTEET, KEVÄT 2018

Johdatus materiaalimalleihin

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 01: Johdanto. Elementtiverkko. Solmusuureet.

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

Insinöörimatematiikka D

MUODONMUUTOKSET. Lähtöotaksumat:

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Viivakuormituksen potentiaalienergia saadaan summaamalla viivan pituuden yli

FUNKTION KUVAAJAN PIIRTÄMINEN

1 Raja-arvo. 1.1 Raja-arvon määritelmä. Raja-arvo 1

(a) Järjestellään yhtälöitä siten, että vasemmalle puolelle jää vain y i ja oikealle puolelle muut

Toisen asteen käyrät 1/7 Sisältö ESITIEDOT: käyrä, kartio ja lieriö

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Taivutuksesta ja väännöstä, osa I: Teoria

3 Raja-arvo ja jatkuvuus

1. Olkoot f ja g reaalifunktioita. Mitä voidaan sanoa yhdistetystä funktiosta g f, jos a) f tai g on rajoitettu? b) f tai g on jaksollinen?

10 knm mm 1000 (a) Kuva 1. Tasokehä ja sen elementtiverkko.

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 47/2017

Reuna-arvotehtävien ratkaisumenetelmät

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Usean muuttujan funktiot

Rajoitutaan isotrooppisen materiaalin tarkasteluun, jolloin materiaaliyhtälöt ovat

Funktio. Funktio on kahden luvun riippuvuuden ilmaiseva sääntö, joka annetaan usein laskulausekkeena.

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 17: Interpolointi emoneliön ja emokolmion alueessa.

Gaussin ja Jordanin eliminointimenetelmä

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

Matemaattinen Analyysi

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

1. Logiikan ja joukko-opin alkeet

Lineaarinen yhtälöryhmä

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 08: Tasoristikon sauvaelementti, osa 1.

Ratkaisut 2. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa a) ja b) sekä laske c) kohdan tehtävä.

PALKIN KIMMOVIIVA M EI. Kaarevuudelle saatiin aiemmin. Matematiikassa esitetään kaarevuudelle v. 1 v

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

Mat. tukikurssi 27.3.

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Olkoon R S otosavaruuksien R ja S karteesinen tulo: Satunnaismuuttujien X ja Y järjestetty pari (X, Y) määrittelee kaksiulotteisen satunnaismuuttujan:

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Laskuharjoitus 7 Ratkaisut

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Tarkastellaan kuvan 8.1 (a) lineaarista nelitahoista elementtiä, jonka solmut sijaitsevat elementin kärkipisteissä ja niiden koordinaatit ovat ( xi

Ei välttämättä, se voi olla esimerkiksi Reuleaux n kolmio:

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 7. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 7 () Numeeriset menetelmät / 43

Työpistenosturin puomin analysointi

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

Reaalifunktiot 1/5 Sisältö ESITIEDOT: funktiokäsite

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

POIKKIPINNAN GEOMETRISET SUUREET

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

MAOL-pisteytysohje. Matematiikka lyhyt oppimäärä Kevät 2014

Materiaalien mekaniikka

Matematiikan tukikurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Sijoitusmenetelmä Yhtälöpari

Numeeriset menetelmät

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 4. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 4 () Numeeriset menetelmät / 44

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Numeeriset menetelmät

Dierentiaaliyhtälöistä

Valintakoe

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Muutama huomio momenttimenetelmän käytöstä kehärakenteiden analysoinnissa

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Matematiikan tukikurssi

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

6 Variaatiolaskennan perusteet

Epäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

1 Komparatiivinen statiikka ja implisiittifunktiolause

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

3.2.2 Tikhonovin regularisaatio

Numeeriset menetelmät

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

Tehtävä 4.7 Tarkastellaan hiukkasta, joka on pakotettu liikkumaan toruksen pinnalla.

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

Numeeriset menetelmät

Sekä A- että B-osasta tulee saada vähintään 7 pistettä. Mikäli A-osan pistemäärä on vähemmän kuin 7 pistettä, B-osa jätetään arvostelematta.

Luento 2. Jaksolliset signaalit

(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

Transkriptio:

4/ LMNIMNLMÄN PRS SSSIO 4: Yleisen lujuusopin elementtimenetelmän perusteita. JOHDANO A A A A Yleinen elementtimenetelmä on osittaisdifferentiaalihtälörhmän reuna-arvotehtävän likimääräinen ratkaisumenetelmä. ällaisessa tehtävässä tarkastellaan kuvan mukaisesti tiettä fsikaalista materiaali-aluetta, jota rajoittaa sen reuna A. Materiaalille kätetään jatkuvan aineen mallia, jolloin aineen mikrorakennetta ei oteta huomioon. arkastelut suoritetaan jossakin koordinaatistossa, joksi valitaan seuraavassa karteesinen -koordinaatisto. Alueessa on määritelt kenttäfunktio, jonka saamista arvoista ollaan kiinnostuneita. Kenttäfunktio voi olla A u skalaariarvoinen d (,,) tai vekto- d (,, ). Reuna A ja- riarvoinen { } kaantuu osiin A u ja A, joista en- u siksi mainitulla on annettu oleellisia reunaehtoja ja jälkimmäisellä luonnollisia reunaehtoja. simerkkeinä Kuva. Alue ja sen reuna A. skalaariarvoisista kenttäfunktioista mainittakoon lämpötilakenttä (,,) ja vektoriarvoisista lujuusopin siirtmätilakenttä { u (,,), v(,,), w(,, ) }. Lujuusopin tehtävässä oleelliset reunaehdot liittvät kappaleen tuentaan ja luonnolliset reunaehdot sen kuormituksiin. untematon kenttäfunktio { d } toteuttaa alueessa tapaukseen liittvän osittaisdifferentiaalihtälörhmän ja reunalla A reunaehdot. Näiden asemasta tai lisäksi kenttäfunktiolle { d } voi olla voimassa jokin stationaarisuuslause, kuten esimerkiksi lujuusopissa potentiaalienergian minimin periaate. seimmissa tapauksissa osittaisdifferentiaalihtälörhmän reuna-arvotehtävän tai stationaarisuuslauseen tarkan analttisen ratkaisun lötäminen ei ole mahdollista, jolloin tavoitteeksi otetaan kenttäfunktion { d } likimääräinen määrittäminen alueessa. arkastellaan seuraavassa elementtimenetelmän mukaista likiratkaisua. lementtimenetelmässä alue jaetaan sopivan muotoisiin äärellisiin osiin, joita sanotaan elementeiksi. lementeistä valitaan tiett pisteet solmuiksi, jotka voivat sijaita elementin reunalla tai sisällä. Perustuntemattomat ovat kenttäfunktion { d } tai siitä johdettujen suureiden arvot solmujen kohdilla. Kenttäfunktion arvo mielivaltaisessa elementin alueen pisteessä (,,) lausutaan solmuarvojen funktiona. ämä tapahtuu kättämällä interpolointifunktioita, joita on htä monta kuin solmuarvojakin. Interpolointi on likimääräinen käsitteltapa, mutta sen tarkkuus on sitä parempi mitä useampia solmuja tai solmuarvoja käte-

4/ tään. Lopuksi muodostetaan tuntemattomien solmuarvojen välinen lineaarinen htälörhmä, jota sanotaan elementtiverkon perushtälöksi. ämä onnistuu parhaiten, jos kätettävissä on kenttäfunktiota koskeva stationaarisuuslause. Sen avulla voidaan muodostaa tuntemattomille solmuarvoille htälörhmä, jonka ratkaisuna saatavat solmuarvot ovat niin hviä kuin ne kseistä elementtiverkkoa kätettäessä voivat olla. Stationaarisuuslauseesta seuraava tai muulla tavoin saatava elementtiverkon perushtälö on muotoa [ K ]{ } { R} () jossa [ K ] on ssteemin ominaisuuksista saatava vakio kerroinmatriisi ja vektorin { } alkioina ovat kenttäfunktion solmuarvot ja siinä on otettu huomioon oleelliset reunaehdot. ektori { R } sisältää luonnollisten reunaehtojen vaikutukset eli kuormitustermit. Kullekin elementille on voimassa vastaavaa muotoa oleva elementin perushtälö [ k ]{ u} { f} () Osoittautuu, että elementtiverkon perushtälön kerroinmatriisi [ K ] saadaan muodostettua hdistämällä elementtien kerroinmatriisit [ k ] sijoittelusummauksella. Rhmästä () voidaan ratkaista solmuarvot { } ja niistä voidaan edelleen poimia kunkin elementin solmuarvot { u }. Näistä psttään edelleen ratkaisemaan interpolointifunktioiden avulla kenttäfunktion { d (,,)} arvo mielivaltaisen pisteen (,,) kohdalla. lementtimenetelmäratkaisussa kätetään kontinuumitehtävän diskretisointia, jossa kenttäfunktion äärettömän monen tuntemattoman arvon sijasta käsitellään sen diskreettejä solmuarvoja, joita on äärellinen määrä. Jos kenttäfunktio voidaan lausua tarkasti solmuarvojensa avulla kentän mielivaltaisessa pisteessä, johtaa elementtimenetelmä tarkkaan ratkaisuun. Näin on lujuusopin viivarakenteissa (ristikko- ja kehärakenteet). Yleensä kseessä on kuitenkin likimenetelmä. Lujuusopin tehtävien ratkaisumenetelmät voidaan jakaa kolmeen rhmään, nimittäin siirtmämenetelmät, voimamenetelmät ja sekamenetelmät. Menetelmät eroavat toisistaan lähinnä siinä, mitä tuntemattomia kenttäfunktioita kätetään laskennassa perussuureina. lementtimenetelmässä on aikojen kuluessa kätett näitä kaikkia, mutta ehdottomasti eniten siirtmämenetelmää, joten tässä esitksessä rajoitutaan siirtmätppisen elementtimenetelmän käsitteln. Siinä on perustuntemattomana materiaalipisteen (,,) siirtmätilakenttä { d (,,) } { u(,,), v(,,), w(,,) }. Solmuarvoina ovat solmujen siirtmät ja niiden lisäksi siirtmäfunktioiden derivaattojen solmuarvoja, kuten esimerkiksi kiertmiä.

4/3 PONIAALINRGIAN MINIMIN PRIAA Lujuusopin elementtimenetelmä voidaan kimmoisen materiaalin tapauksessa perustaa tarkasteltavan kappaleen kokonaispotentiaalienergian Π stationaarisuuslauseeseen. oinen mahdollisuus on kättää virtuaalisten siirtmien periaatetta, joka sopii mös materiaali- ja geometrisesti epälineaarisiin tapauksiin. ieläkin leisempi käsitteltapa on Galerkinin menetelmä, jota voidaan kättää kaikkien osittaisdifferentiaalihtälörhmien reuna-arvotehtävien htedessä. Kappaleen kokonaispotentiaalienergia Π koostuu sen kimmoenergiasta ja ulkoisten kuormitusten töstä W. dl Lepotila ε dl ε ε dl εdl Kuva. Aksiaalisen jännitstilan kimmoenergiatihes. sijännitstila sijännitstila sivenmätila sijännitstila sivenmätila Jännitstila arkastellaan aluksi aksiaaliseen jännitstilaan liittvää kimmoenergiatihettä kuvan tapauksessa, jossa materiaali oletetaan isotrooppiseksi ja lineaarisesti kimmoiseksi. sijännits voi johtua valmistusprosessista ja esivenmä ε lämpötilan muutoksesta ( α ) tai valmistusvirheestä. Suureet ja ε ovat kokonaisjännits ja -venmä, mutta ε ei sisällä esijännitkseen liittvää venmää ε. Kun lopullinen jännitstila on muodostunut kuvan järjestksessä vasemmalta oikealle, on varastoitunut kimmoenergiatihes ε ( )( ε ε ) (3) Kun kaavaan (3) sijoitetaan Hooken lain mukainen htes ( ε ) ε, seuraa tulos ε ε [ ( ε ε )]( ε ε ) ε ε ε ε vakio ε ε ε ε (4)

4/4 Koska kimmoenergian nollakohdalla ei ole stationaarisuuslauseessa merkitstä, voidaan ne termit, jotka eivät sisällä muuttujaa ε, jättää kimmoenergiatiheden lausekkeesta pois, jolloin sen lausekkeeksi aksiaalisessa jännitstilassa tulee ( ) ε ε ε (5) Yleisen jännitstilan ja muodonmuutostilan tapauksessa on edellä olevat suureet ja ε korvattava vektoreilla { } { τ τ τ } { ε } { ε ε ε γ γ γ } (6) Kun kseessä on lineaarisesti kimmoinen materiaali, konstitutiivinen htälö on { } [ ] ({ ε } { ε }) { } (7) on 66-kimmomatriisi eli materiaalin jäkksmatriisi, joka isotrooppisella materiaalilla on missä { ε } on esimuodonmuutostila ja { } esijännitstila. [ ] ν ν ν ν ν ν ν ν ν (8) ( ν)( ν) ( ν)/ ( ν)/ ( ν)/ [ ] missä on kimmomoduuli ja ν Poissonin vakio. Kimmoenergiatihedelle tulee leisessä tapauksessa kaavan (5) kanssa analoginen lauseke { ε } ({ } [ ]{ ε} ) { ε } [ ]{ ε } (9) Kappaleeseen varastoituva kimmoenergia saadaan tästä integroimalla d () Merkitään kappaleeseen vaikuttavien ulkoisten tilavuusvoimien ja pintavoimien vektoreita { g } { g g g } { p } { p p p } () jolloin ulkoisten jakaantuneiden kuormitusten tekemälle tölle W voidaan kirjoittaa lauseke

4/5 { d} { g} d { d} { p } W da () A Kaava () ei sisällä mahdollisten pistevoimien ja -momenttien tötä, mutta ne on tarvittaessa helppo ottaa mukaan lausekkeeseen. Kappaleen kokonaispotentiaalienergian Π lausekkeeksi tulee edellä olevan perusteella { d } { g } d { d } { p } Π W d da (3) Kokonaispotentiaalienergialle (3) on voimassa seuraava stationaarisuuslause Kaikkien kinemaattisesti käpien siirtmäkenttien { } { u v w } A d joukosta se, joka antaa kokonaispotentiaalienergialle (3) stationaariarvon, vastaa tasapainotilaa. Jos tämä stationaariarvo on minimi, on tasapaino stabiili. Siirtmäkenttä on kinemaattisesti käpä, jos se toteuttaa kinemaattiset jatkuvuusehdot (on jatkuva kappaleen kaikissa pisteissä) ja siirtmille asetetut eli kinemaattiset reunaehdot (potentiaalienergian stationaarisuuslauseen oleelliset reunaehdot).