ROZWIĄZANIE PROBLEMU NIELINIOWEGO

Podobne dokumenty
MES w zagadnieniach nieliniowych

Rozwiązywanie zagadnień nieliniowych

PLASTYCZNOŚĆ W UJĘCIU KOMPUTEROWYM

MES w zagadnieniach sprężysto-plastycznych

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

ALGORYTM STATYCZNEJ ANALIZY MES DLA KRATOWNICY

[ P ] T PODSTAWY I ZASTOSOWANIA INŻYNIERSKIE MES. [ u v u v u v ] T. wykład 4. Element trójkątny płaski stan (naprężenia lub odkształcenia)

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Analiza płyt i powłok MES

9. PODSTAWY TEORII PLASTYCZNOŚCI

PŁYTY OPIS W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM Charakterystyczne wielkości i równania

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

4. ELEMENTY PŁASKIEGO STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

TARCZOWE I PŁYTOWE ELEMENTY SKOŃCZONE

PŁYTY OPIS W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM Charakterystyczne wielkości i równania

4. Elementy liniowej Teorii Sprężystości

WYBRANE ZAGADNIENIA MECHANIKI USTROJÓW POWIERZCHNIOWYCH

MES w zagadnieniach ośrodka ciągłego 2D i 3D

Metoda elementów skończonych

1 Charakterystyka ustrojów powierzchniowych. Anna Stankiewicz

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Materiały pomocnicze do wykładów z wytrzymałości materiałów 1 i 2 (299 stron)

PŁYTY OPIS W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM Charakterystyczne wielkości i równania

MES w zagadnieniach sprężysto-plastycznych

Fizyka dla Informatyków Wykład 7 Mechanika Ośrodków Ciągłych

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

MES w zagadnieniach ośrodka ciągłego 2D i 3D

TARCZE PROSTOKĄTNE Charakterystyczne wielkości i równania

Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji / Gustaw Rakowski, Zbigniew Kacprzyk. wyd. 3 popr. Warszawa, cop

7. ELEMENTY PŁYTOWE. gdzie [N] oznacza przyjmowane funkcje kształtu, zdefinować odkształcenia i naprężenia: zdefiniować macierz sztywności:

MODELE ANALIZY NIELINIOWEJ DO OPISU ZARYSOWANIA

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE Wstęp

P. Litewka Efektywny element skończony o dużej krzywiźnie

Łagodne wprowadzenie do Metody Elementów Skończonych

TENSOMETRIA ZARYS TEORETYCZNY

Analiza statyczna MES dla dźwigarów powierzchniowych

PYTANIA KONTROLNE STAN NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA PRAWO HOOKE A

TEORIA SPRĘŻYSTOŚCI I PLASTYCZNOŚCI (TSP)

Al.Politechniki 6, Łódź, Poland, Tel/Fax (48) (42) Mechanika Budowli. Inżynieria Środowiska, sem. III

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Analiza wrażliwości tarczy z wykorzystaniem metody elementów skończonych

PODSTAWY MECHANIKI OŚRODKÓW CIĄGŁYCH

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Zagadnienie statyki kratownicy płaskiej

5. MES w mechanice ośrodka ciągłego

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua

Spis treści Rozdział I. Membrany izotropowe Rozdział II. Swobodne skręcanie izotropowych prętów pryzmatycznych oraz analogia membranowa

Szybka wielobiegunowa metoda elementów brzegowych w analizie układów liniowosprężystych

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

ANALIA STATYCZNA UP ZA POMOCĄ MES Przykłady

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua. Marek Cała Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

PROJEKT NR 1 METODA PRZEMIESZCZEŃ

Matematyka stosowana i metody numeryczne

STATYKA Z UWZGLĘDNIENIEM DUŻYCH SIŁ OSIOWYCH

Autor: mgr inż. Robert Cypryjański METODY KOMPUTEROWE

F + R = 0, u A = 0. u A = 0. f 0 f 1 f 2. Relację pomiędzy siłami zewnętrznymi i wewnętrznymi

Najprostszy element. F+R = 0, u A = 0. u A = 0. Mamy problem - równania zawierają siły, a warunek umocowania - przemieszczenia

Zadanie 1. Wektor naprężenia. Tensor naprężenia. Zależność wektor-tensor.

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Defi f nicja n aprę r żeń

Mechanika Analityczna

Program NUMPRESS Explicit Podstawy teoretyczne

Twierdzenia o wzajemności

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

MODELOWANIE MATERIAŁÓW - WSTĘP

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

6. Dynamika Stan równowagi. ρb(x, y, z) V n t d. Siły

Metody obliczeniowe - modelowanie i symulacje

Rozwiązanie stateczności ramy MES

Metody obliczeniowe - modelowanie i symulacje

Karta (sylabus) przedmiotu Mechanika i Budowa Maszyn Studia I stopnia o profilu: A P

Karta (sylabus) przedmiotu

Formułowanie relacji konstytutywnych SMA z wykorzystaniem struktur reologicznych

2.9. Kinematyka typowych struktur manipulatorów

2.12. Zadania odwrotne kinematyki

UOGÓLNIONE PRAWO HOOKE A

ANALIZA STATYCZNA MES DLA USTROJÓW POWIERZNIOWYCH

RÓWNANIA FIZYCZNE DLA CIAŁ LINIOWO - SPRĘŻYSTYCH

MECHANIKA TECHNICZNA

MES dla ustrojów prętowych (statyka)

ANALIZY WYTĘŻENIA BELEK ŻELBETOWYCH Z BETONU O WYSOKIEJ WYTRZYMAŁOŚCI

UTRATA STATECZNOŚCI. O charakterze układu decyduje wielkośćobciążenia. powrót do pierwotnego położenia. stabilnego do stanu niestabilnego.

WIADOMOŚCI WSTĘPNE, PRACA SIŁ NA PRZEMIESZCZENIACH

POD- I NADOKREŚLONE UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

1. Obciążenie statyczne

Integralność konstrukcji w eksploatacji

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Zastosowanie MES do rozwiązania problemu ustalonego przepływu ciepła w obszarze 2D

Podstawy mechaniki komputerowej

1 Symulacja procesów cieplnych 1. 2 Algorytm MES 2. 3 Implementacja rozwiązania 2. 4 Całkowanie numeryczne w MES 3. k z (t) t ) k y (t) t )

mgr inż. Paweł Szeptyński Podstawy wytrzymałości materiałów i mechaniki układów prętowych 07 Teoria stanu naprężenia i odkształcenia

Wprowadzenie do MES. Dla każdego ES, w oparciu o przemieszczenia w węzłach, wyznaczamy siły działające na niego, odkształcenia, naprężenia, itp.

Transkrypt:

Budownictwo, studia I stopnia, semestr VII przedmiot fakultatywny rok akademicki 2012/2013 Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska Adam Wosatko Jerzy Pamin

Tematyka zajęć 1 Dyskretyzacja MES 2 Zagadnienia nieliniowe Nieliniowość geometryczna Nieliniowość fizyczna 3 Analiza przyrostowo-iteracyjna Źródła: R. de Borst and L.J. Sluys. Computational methods in nonlinear solid mechanics. Lecture Notes, Delft University of Technology, Delft, 1999. DIANA Finite Element Analysis - User s manual, release 7.2. TNO Building and Construction Research, Delft, 1999.

Równania równowagi ciała odkształcalnego (kontinuum) Równania równowagi oraz statyczne warunki brzegowe: L T σ + ˆb = 0 w V, σν = ˆt na S gdzie: L macierz operatorów różniczkowych σ tensor/wektor uogólnionych naprężeń ˆb wektor sił masowych ˆt S ν Słaba forma równań równowagi δu T (L T σ + ˆb) dv = 0 δu V Zasada prac wirtualnych δw int = δw : (Lδu) T σ dv = δu Tˆb dv + V gdzie: u wektor uogólnionych przemieszczeń V S V δu Tˆt ds

Dyskretyzacja MES Przemieszczeniowa wersja MES: u h = n w i=1 N i (ξ, η, ζ)q i = Nq e gdzie: N - funkcje kształtu. Transformacja węzłowych stopni swobody: q e = TI e Q Słaba forma równań równowagi dla układu zdyskretyzowanego: n e e=1 TI V e T B T σ dv = F, B = LN e Stosujemy podejście izoparametryczne i całkowanie numeryczne.

Kiedy ES są izoparametryczne? Aproksymacja geometrii: P Ω e : x P (ξ, η) = N(ξ, η) x e, gdzie: x i y i [ ] x j xp x P =, x y e = y j P x k y k x l y l ES jest izoparametryczny jeśli do aproksymacji geometrii i pola przemieszczeń wykorzystujemy te same węzły i te same funkcje kształtu. x(ξ, η) = N(ξ, η) x e u(ξ, η) = N(ξ, η) q e

Liniowa sprężystość Prawo Hooke a Notacja tensorowa: σ = D : ɛ, Notacja macierzowa: σ = Dɛ, σ = σ x σ y σ z τ xy τ yz τ zx Liniowe związki kinematyczne σ ij = D ijkl ɛ kl, ɛ = ɛ x ɛ y ɛ z γ xy γ yz γ zx Notacja tensorowa: ɛ = 1 2 [ u + ( u)t ], ɛ ij = 1 2 (u i,j + u j,i ) Notacja macierzowa: ɛ = Lu Zatem tensor naprężenia: σ = Dɛ = DLu = DLNu = DBTI e Q Równania równowagi dla układu zdyskretyzowanego n e e=1 TI V e T B T DB dv TI e Q = F, e σ 1 E K Q = F ɛ

Całkowanie numeryczne ES Kwadratura Gaussa (2D) 1 1 k e = B T DB h da = B(ξ, η) T D B(ξ, η) h det J dξdη A e 1 1 n m w i w j B T (i,j) D B (i,j) h det J (i,j) i=1 j=1 Całkowanie Q4 Q8 pełne (FI) zredukowane (RI)

Problem nieliniowy F przykładane w przyrostach t t + t σ t+ t = σ t + σ Poszukiwanie równowagi w chwili t + t: n e TI e T B T σ t+ t dv = F t+ t V e gdzie: e=1 n e e=1 TI e T B T σ dv = F t+ t V e F t int = n e e=1 Te I T B T σ t dv V e Linearyzacja lewej strony w chwili czasu t: σ = σ( ɛ( u)) Dotąd nie założono nic odnośnie kinematyki, ani właściwości materiału! F t int

Źródła nieliniowości Spowodowane zmianą geometrii ciała (odkształcalnego): duże odkształcenia (np. guma, formowanie metali), duże przemieszczenia (np. konstrukcje smukłe, cienkościenne), kontakt (oddziaływanie stykających się ciał), obciążenie śledzące (zależne od deformacji ciała). Spowodowane nieliniowymi związkami konstytutywnymi: plastyczność (odkształcenia trwałe), uszkodzenie (degradacja własności sprężystych), zarysowanie (kontynualna reprezentacja rys).... Nie obowiązuje zasada superpozycji.

Nieliniowość geometryczna Nieliniowość geometryczna x 2, X 2 φ(x, t) S 0 u V X V 0 x S Konfiguracja początkowa i aktualna x 1, X 1 Funkcja ruchu: x = φ(x, t) Wektor przemieszczenia: u(x, t) = x X Gradient deformacji (podstawowa miara deformacji): F = φ X = X x Tensor odkształcenia Greena (jedna z możliwych miar odkształcenia): E = 1 2 (FT F I) = 1 2 [ X u + ( X u) T + ( X u) T X u]

Nieliniowość geometryczna Nieliniowość geometryczna Nieliniowe związki kinematyczne, np. ε x = ε L x + ε N x = u x + 1 2 ( w ) 2 x σ = σ( ɛ( u)) Równania równowagi opisują równowagę ciała zdeformowanego. Zasadę prac wirtualnych można zapisać w konfiguracji początkowej lub aktualnej. Różnym miarom odkształcenia odpowiadają różne miary naprężenia. Małe odkształcenia: E ɛ = 1 2 [ u + ( u)t ] < 2%. Małe przemieszczenia (uogólnione): V V 0 (jeden opis, zasada zesztywnienia).

Nieliniowość geometryczna Nieliniowość geometryczna Równowaga układu zdyskretyzowanego: K Q = F t+ t gdzie styczna macierz sztywności: F t int K 0 - macierz sztywności liniowej K = K 0 + K u + K σ K u - macierz sztywności przemieszczeniowej (macierz dyskretnych związków kinematycznych B zależna od przemieszczeń) K σ - macierz sztywności naprężeniowej (zależna od naprężeń uogólnionych)

Nieliniowość fizyczna Nieliniowość fizyczna K Q = F t+ t Linearyzacja lewej strony w chwili czasu t: σ = ( ) σ t ( ɛ t ɛ u) u D = σ ɛ, L = ɛ u Dyskretyzacja: u = N q e q e = TI e Q F t int σ = σ( ɛ( u)) Liniowe związki geometryczne macierz dyskretnych związków kinematycznych B niezależna od przemieszczeń

Nieliniowość fizyczna Nieliniowość fizyczna Styczna macierz sztywności K Q = F t+ t F t int n e K = TI e T B T D B dv A e V e e=1 Ograniczamy się do nieliniowości fizycznych! Konieczne poprawki iteracyjne celem osiągnięcia stanu równowagi w chwili t + t algorytm Newtona-Raphsona

Nieliniowość fizyczna Uplastycznienie materiału siła A B C P σ y - A σ y B σ y - - C + + + przemieszczenie σ y σ y σ y zakres sprężysty pelne uplastycznienie zakres sprężysty pelne uplastycznienie

Analiza przyrostowa f Rozwiązanie numeryczne Przyrost obciążenia f Rzeczywista ścieżka równowagi u Jak poprawić rozwiązanie w kolejnych przyrostach?

Schemat metody przyrostowo-iteracyjnej Konieczne poprawki iteracyjne celem osiągnięcia stanu równowagi w chwili t + t algorytm Newtona-Raphsona Siły niezrównoważone (residualne): f f f t+ t f t R j = f t+ t R 1 f int,1 f t+ t int,j 0 K Q = f t+ t fint t K - operator styczny Pierwsza iteracja: Q 1 = K 1 0 (f t+ t f int,0) σ 1 f int,1 f t+ t Poprawki: dq j = K 1 σ j f int,j j 1 (ft+ t Kryterium zbieżności: f t+ t f t+ t int,j f δ f t+ t int,j 1 ) u t u 1 du 2 u t+ t u

Schemat metody przyrostowo-iteracyjnej Konieczne poprawki iteracyjne celem osiągnięcia stanu równowagi w chwili t + t algorytm Newtona-Raphsona Siły niezrównoważone (residualne): f f f t+ t f t R j = f t+ t R 1 f int,1 f t+ t int,j 0 K Q = f t+ t fint t K - operator styczny Pierwsza iteracja: Q 1 = K 1 0 (f t+ t f int,0) σ 1 f int,1 f t+ t Poprawki: dq j = K 1 σ j f int,j j 1 (ft+ t Kryterium zbieżności: f t+ t f t+ t int,j f δ f t+ t int,j 1 ) u t u 1 du 2 u t+ t u

Schemat metody przyrostowo-iteracyjnej Konieczne poprawki iteracyjne celem osiągnięcia stanu równowagi w chwili t + t algorytm Newtona-Raphsona Siły niezrównoważone (residualne): f f f t+ t f t R j = f t+ t R 1 f int,1 f t+ t int,j 0 K Q = f t+ t fint t K - operator styczny Pierwsza iteracja: Q 1 = K 1 0 (f t+ t f int,0) σ 1 f int,1 f t+ t Poprawki: dq j =K 1 j 1 (ft+ t f t+ t int,j 1 ) σ j f int,j Kryterium zbieżności: f t+ t f t+ t int,j f δ u t u 1 du 2 u t+ t u

Schemat metody przyrostowo-iteracyjnej Konieczne poprawki iteracyjne celem osiągnięcia stanu równowagi w chwili t + t algorytm Newtona-Raphsona Siły niezrównoważone (residualne): f f f t+ t f t u t u 1 du 2 u t+ t R j = f t+ t R 1 f int,1 u f t+ t int,j 0 K Q = f t+ t fint t K - operator styczny Pierwsza iteracja: Q 1 = K 1 0 (f t+ t f int,0) σ 1 f int,1 f t+ t Poprawki: dq j = K 1 σ j f int,j j 1 (ft+ t Kryterium zbieżności: f t+ t f t+ t int,j f δ f t+ t int,j 1 ) Algorytm zmodyfikowany: K j = K 0

Algorytm Newtona-Raphsona Możliwe schematy iteracji f f u u Algorytm standardowy Algorytm zmodyfikowany K j K j = K 0 zmieniane w każdej iteracji generowane na początku przyrostu

Sposoby przykładania przyrostów Sterowanie siłą lub przemieszczeniem Sterowanie parametrem łuku