ANALIZA STATYCZNA MES DLA USTROJÓW POWIERZNIOWYCH



Podobne dokumenty
Analiza statyczna MES dla dźwigarów powierzchniowych

TARCZOWE I PŁYTOWE ELEMENTY SKOŃCZONE

ANALIA STATYCZNA UP ZA POMOCĄ MES Przykłady

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

Analiza płyt i powłok MES

PŁYTY OPIS W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM Charakterystyczne wielkości i równania

TARCZE PROSTOKĄTNE Charakterystyczne wielkości i równania

Metoda elementów skończonych

1 Charakterystyka ustrojów powierzchniowych. Anna Stankiewicz

PŁYTY OPIS W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM Charakterystyczne wielkości i równania

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)

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

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:

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

PŁYTY OPIS W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM Charakterystyczne wielkości i równania

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

4. ELEMENTY PŁASKIEGO STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

WYBRANE ZAGADNIENIA MECHANIKI USTROJÓW POWIERZCHNIOWYCH

PRZYKŁADOWE ZADANIA. ZADANIE 1 (ocena dostateczna)

ĆWICZENIE PROJEKTOWE NR 2 Z MECHANIKI BUDOWLI

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

8. Metody rozwiązywania układu równań

Metody obliczeniowe - modelowanie i symulacje

Pierwsze komputery, np. ENIAC w 1946r. Obliczenia dotyczyły obiektów: o bardzo prostych geometriach (najczęściej modelowanych jako jednowymiarowe)

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Karta (sylabus) przedmiotu

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)

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2015/2016

Metody obliczeniowe - modelowanie i symulacje

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

Analiza wrażliwości tarczy z wykorzystaniem metody elementów skończonych

Autor: mgr inż. Robert Cypryjański METODY KOMPUTEROWE

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Osiadanie kołowego fundamentu zbiornika

ROZWIĄZANIE PROBLEMU NIELINIOWEGO

PROJEKT NR 2 STATECZNOŚĆ RAM WERSJA KOMPUTEROWA

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

METODA PASM SKOŃCZONYCH PŁYTY DWUPRZĘSŁOWE

Łagodne wprowadzenie do Metody Elementów Skończonych

POWŁOKI GEOMETRIA POWIERZCHNI

gruparectan.pl 1. Silos 2. Ustalenie stopnia statycznej niewyznaczalności układu SSN Strona:1 Dla danego układu wyznaczyć MTN metodą sił

Inżynierskie metody analizy numerycznej i planowanie eksperymentu / Ireneusz Czajka, Andrzej Gołaś. Kraków, Spis treści

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

Defi f nicja n aprę r żeń

P. Litewka Efektywny element skończony o dużej krzywiźnie

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

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

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 )

MODELOWANIE MATERIAŁÓW - WSTĘP

gruparectan.pl 1. Metor Strona:1 Dla danego układu wyznaczyć MTN metodą przemieszczeń Rys. Schemat układu Współrzędne węzłów:

Wzornictwo Przemysłowe I stopień (I stopień / II stopień) akademicki (ogólno akademicki / praktyczny) kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES)

Element cięgnowy. Rysunek: Element LINK1. Jakub J. Słowiński (IMMT PWr) Wykład 4 09 i / 74

pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia

WIADOMOŚCI WSTĘPNE, PRACA SIŁ NA PRZEMIESZCZENIACH

Olga Kopacz, Adam Łodygowski, Krzysztof Tymber, Michał Płotkowiak, Wojciech Pawłowski Poznań 2002/2003 MECHANIKA BUDOWLI 1

Analiza stateczności zbocza

Obliczanie sił wewnętrznych w powłokach zbiorników osiowo symetrycznych

MECHANIKA BUDOWLI I. Prowadzący : dr inż. Hanna Weber pok. 225, weber@zut.edu.pl strona:

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

ZASTOSOWANIE ELEMENTÓW POWŁOKOWYCH ZGINANA PŁYTA I BELKA CIENKOŚCIENNA.

PODSTAWOWE POJĘCIA MES

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

Rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych metodą elementów skończonych - wprowadzenie

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Modelowanie, sterowanie i symulacja manipulatora o odkształcalnych ramionach. Krzysztof Żurek Gdańsk,

Wstęp. Numeryczne Modelowanie Układów Ciągłych Podstawy Metody Elementów Skończonych. Warunki brzegowe. Elementy

Nasyp przyrost osiadania w czasie (konsolidacja)

Wzór Żurawskiego. Belka o przekroju kołowym. Składowe naprężenia stycznego można wyrazić następująco (np. [1,2]): T r 2 y ν ) (1) (2)

DWUWYMIAROWE ZADANIE TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. BADANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW KONCENTRACJI NAPRĘŻEŃ.

Poznań 17.XII.2007 r.

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

Mechanika teoretyczna

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji

Stateczność ramy. Wersja komputerowa

Politechnika Białostocka

PROJEKT NR 1 METODA PRZEMIESZCZEŃ

Mechanika ogólna Wydział Budownictwa Politechniki Wrocławskiej Strona 1. MECHANIKA OGÓLNA - lista zadań 2016/17

OBLICZANIE RAM METODĄ PRZEMIESZCZEŃ WERSJA KOMPUTEROWA

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

Stateczność ramy - wersja komputerowa

Elementy Projektowania Inżynierskiego CALFEM Wybrane funkcje.

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

PODSTAWY MECHANIKI OŚRODKÓW CIĄGŁYCH

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

1 z , 12:01

Linie wpływu w belce statycznie niewyznaczalnej

Wytrzymałość Materiałów

DYNAMIKA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

2kN/m Zgodnie z wyznaczonym zadaniem przed rozpoczęciem obliczeń dobieram wstępne przekroje prętów.

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

WRAŻLIWOŚĆ POWŁOKI CYLINDRYCZNEJ NA ZMIANĘ GRUBOŚCI

MES w zagadnieniach ośrodka ciągłego 2D i 3D

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Transkrypt:

ANALIZA STATYCZNA MES DLA USTROJÓW POWIERZNIOWYCH Mechanika materiałów i konstrukcji budowlanych, studia II stopnia rok akademicki 2011/2012 Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska Adam Wosatko PODZIĘKOWANIA DLA: Marii Radwańskiej, Anny Stankiewicz, Sławomira Milewskiego, Jerzego Pamina, Piotra Plucińskiego

Tematyka zajęć 1 Algorytm, porównanie z MRS 2 Tarcze ES tarczowe 3 Płyty ES dostosowany Płyta kwadratowa 4 Powłoki Wybrane aspekty teoretyczne ES powłokowe Zbiornik walcowy 5 Zakończenie

Typy analizy Statyka Stateczność Dynamika Przepływ ciepła Analiza nieliniowa: sprężysto-plastyczna, zagadnienie kontaktowe, itd. Problemy sprzężone Inne Rozróżniamy zadania stacjonarne (niezależne od czasu) i niestacjonarne (zależne od czasu).

Analiza statyczna W wyniku analizy statycznej, wyznaczamy statyczne skutki zewnętrznych oddziaływań na konstrukcję, pracującą w zakresie sprężystym przy ograniczeniu się do analizy małych przemieszczeń i odkształceń. Przy powyższych założeniach mamy do czynienia z analizą materiałowo i geometrycznie liniową, z obowiązującymi zasadami superpozycji i zesztywnienia.

Metody komputerowe metoda elementów skończonych (MES) (ang. Finite Element Method) metoda elementów brzegowych (MEB) (ang. Boundary Element Method) metoda objętości skończonych (MOS) (ang. Finite Volume Method) metoda różnic skończonych (MRS) (ang. Finite Diference Method) rozszerzona metoda elementów skończonych (ang. Extended Finite Element Method) metody bezsiatkowe (ang. Meshless Method) inne

MRS (lokalna) a MES MRS (lokalna) MES Sformułowanie Lokalne Globalne (wariacyjne) problemu brzegowego Równanie różcznikowe + w.b. Funkcjonał Aproksymacja Wzory różnicowe Interpolacja ES dla pochodnych funkcje kształtu Całkowanie Brak Kwadratury Gaussa Warunki brzegowe Dodatkowe wzory Modyfikacja różnicowe układu równań Macierz Zazwyczaj Symetryczna układu równań nie jest symetryczna pasmowa

Klasyczna MRS - wady i zalety Zalety: Dydaktyczny charakter, łatwość implementacji Istnienie wersji lokalnej Łatwa generacja siatki Najstarsza metoda komputerowa Wady: Trudności dyskretyzacji przy krzywoliniowym brzegu Nie można lokalnie zagęszczać siatki Trudna do automatyzacji, nie można przeprowadzać adaptacji Uwaga! Istnieje Bezsiatkowa (Uogólniona) Metoda Różnic Skończonych.

MES - wady i zalety Zalety: Wady: Bardzo szerokie pole zastosowań i duża dokładność rozwiązania Ogromna biblioteka elementów skończonych Podstawa wielu pakietów komputerowych Najbardziej powszechna metoda komputerowa Kłopotliwa generacja siatki dla obszarów o skomplikowanej geometrii Problemy przy uwzględnianiu nieliniowości: geometrycznych, rozwoju rysy (szczeliny) Może wystąpić zjawisko blokady rozwiązania

Algorytm liniowej analizy statycznej MES Dyskretyzacja wybór elementu skończonego (ES) z odpowiednimi węzłowymi stopniami swobody (SS) podział obszaru na skończony zbiór ES i węzłów z ujęciem ich wzajemnych relacji Analiza zbioru ES - wyznaczenie dla wszystkich ES macierzy sztywności liniowej k e wektorów węzłowych zastępników obciążeń elementowych f e transformacja k e, f e (z układów lokalnych-elementowych) z użyciem macierzy transformacji T e w K e, F e (odnoszących się do globalnego układu współrzędnych)

Algorytm liniowej analizy statycznej MES Analiza całego układu agregacja macierzy sztywności K i wektora F utworzenie wektora zewnętrznych obciążeń węzłowych P zapisanie układu równań K Q = F + P + R i jego modyfikacja wynikająca z kinematycznych więzów podporowych obliczenie wektora uogólnionych przemieszczeń węzłowych Q = K 1 (F + P) wyznaczenie wektora reakcji podporowych R = K Q - F - P Analiza zbioru ES - powrót do elementu wyznaczenie uogólnionych przemieszczeń dla każdego elementu wyznaczenie sił przekrojowych (ewentualnie odkształceń) w węzłach lub punktach wewnętrznych ES (punkty Gaussa)

Analiza MES za pomocą programów komputerowych 1 Preprocessing typ analizy, geomatria modelu, wprowadzanie danych, wybór ES, generacja siatki obliczeniowej, określenie warunków brzegowych 2 Generacja i rozwiązanie układu równań (przy użyciu solvera) macierze elementowe, wektory prawej strony, agregacja, rozwiązanie 3 Postprocessing analiza wyników tekstowych i zwizualizowanych

ES tarczowe Najprostszy ES tarczowy CST trójkątny, 3-węzłowy Y v1 3 v3 u3 Liczba stopni swobody węzła: LSSW = 2 Liczba węzłów elementu: LWE = 3 Liczba stopni swobody elementu: LSSE = LSSW LWE = 6 1 u1 2 v2 u2 X Wektory przemieszczeń węzła i elementu: q w = {u w, v w } T q e n = {u 1, v 1 u 2, v 2 u 3, v 3 } T dla w = 1,..., LWE, e = 1,..., LE Do aproksymacji obu przemieszczeń u i v używane są biliniowe funkcje kształtu N i, i = 1, 2, 3: u n (2 1) = Nn (2 6) qe n (6 1) CST Constant Strain Triangle

ES tarczowe ES tarczowy Q4 prostokątny, 4-węzłowy b u 4 u 1 v 4 v 1 Y η = 2 y/b 4 3 1 2 a v 3 u 3 ξ = 2 x/a X u 2 v 2 Liczba stopni swobody węzła: LSSW = 2 Liczba węzłów elementu: LWE = 4 Liczba stopni swobody elementu: LSSE = LSSW LWE = 8 Wektory przemieszczeń węzła i elementu: q w = {u w, v w } T q e n = {u 1, v 1 u 2, v 2 u 3, v 3 u 4, v 4 } T dla w = 1,..., LWE, e = 1,..., LE Do aproksymacji obu przemieszczeń u(ξ, η) i v(ξ, η) używane są funkcje kształtu N i (ξ, η), i = 1, 2, 3, 4, biliniowe (liniowe względem dwu bezwymiarowych unormowanych współrzędnych ξ, η [ 1, +1]): u n (ξ, η) (2 1) = {u(ξ, η), v(ξ, η)} = N n (2 8) qe (8 1) n u(ξ, η) = N 1 u 1 + N 2 u 2 + N 3 u 3 + N 4 u 4 v(ξ, η) = N 1 v 1 + N 2 v 2 + N 3 v 3 + N 4 v 4

Algorytm, porównanie z MRS Tarcze Płyty Powłoki Zakończenie ES tarczowe Biliniowe funkcje kształtu dla ES tarczowego 4-węzłowego N1 = 14 (1 ξ)(1 η) N2 = 14 (1 + ξ)(1 η) N3 = 14 (1 + ξ)(1 + η) N4 = 14 (1 ξ)(1 + η)

ES tarczowe Bazowy element wzorcowy dla elementu Q4 Część obliczeń wykonywana jest na elemencie wzorcowym, np. wyznaczanie macierzy pochodnych funkcji kształtu: B = L N. Element wzorcowy: ξ, η [ 1, 1] [ ξ η { x, y = J [ x y } { ξ, η Macierz ] Jacobiego - relacja między pochodnymi ] [ x y ξ ξ, gdzie: J = x η } y η ]

ES dostosowany Prostokątny ES płytowy 4-węzłowy, dostosowany Stopnie swobody w węźle: = {w, ϕ x, ϕ y, χ} w = {w, w/ y, w/ x, 2 w/ x y} w q w [4 1] Stopnie swobody w elemencie: = {q 1, q 2, q 3, q 4 } = {w 1, ϕ x1, ϕ y1, χ 1 w 2......... χ 4 } q e [16 1]

ES dostosowany Aproksymacja pola ugięcia Bezwymiarowe współrzędne powierzchniowe: ξ = 2 ( ) ( x a 1, η = 2 y ) b 1 Wielomianowa aproksymacja: w(ξ, η) = (α 1 + α 2 ξ + α 3 ξ 2 + α 4 ξ 3 )(β 1 + β 2 η + β 3 η 2 + β 4 η 3 ) = C 1 + C 2 ξ + C 3 η + C 4 ξ 2 + C 5 ξη + C 6 η 2 + C 7 ξ 3 + C 8 ξ 2 η + C 9 ξη 2 + C 10 η 3 + C 11 ξ 3 η + C 12 ξ 2 η 2 + C 13 ξη 3 + C 14 ξ 3 η 2 + C 15 ξ 2 η 3 + C 16 ξ 3 η 3 u e = {w(ξ, η)} = N (ξ, η) qe = [1 1] [1 16] [16 1] = {N1 1, N2 1, N3 1, N4 1, N1 2......... N4 4 } {w 1, ϕ x1, ϕ y1, χ 1 w 2......... χ 4 } T

Algorytm, porównanie z MRS Tarcze Płyty Powłoki Zakończenie ES dostosowany Bisześcienne funkcje kształtu dla pierwszego węzła elementu płytowego, 4-wezłowego (bazowego) N11 odpowiadająca w1 N12 odpowiadająca ϕx1 N13 odpowiadająca ϕy 1 N14 odpowiadająca χ1

Płyta kwadratowa Płyta kwadratowa K Y 7 Dane: wymiary płyty L X = L Y = 3.0 m grubość płyty h = 0.12 m Z 5 obciążenie p z = q = 14.4 kn/m 2 4 X moduł Younga E = 32.0 10 6 kpa współczynnik Poissona ν = 0 Sztywność giętna płyty wynosi D m = Eh3 12(1 ν 2 ) = 4608 knm.

Płyta kwadratowa Kryterium znakowania tablice i ROBOT Momenty i siły poprzeczne W tablicach inżynierskich i programie ROBOT przyjęto oś 0Z skierowaną góry, co pociąga za sobą oznaczanie dodatnich momentów zginająch powodujących rozciągające naprężenia na powierzchni górnej. z x m x t x t y m y y mxy m yx

Płyta kwadratowa Płyta kwadratowa wyniki Porównanie wielkości charakterystycznych w 7 m x7 m x5 m y5 m y4 [ [mm] knm ] [ knm ] [ knm ] [ knm ] m m m m Tablice inż. -2.303-11.37-6.58-2.19 15.23 Program Siatka ALGOR 8 8-2.316-11.27-6.53-2.15 13.20 GRAITEC 8 8-2.344-11.51-6.64-2.31 12.27 ROBOT 8 8-2.355-11.63-6.73-2.30 14.96 ALGOR 32 32-2.344-11.39-6.59-2.19 14.75 GRAITEC 32 32-2.392-11.44-6.66-2.18 14.47 ROBOT 32 32-2.394-11.50-6.67-2.21 15.19 ROBOT 128 128-2.410-11.47-6.68-2.16 15.29 Można analizować także momenty w narożu, gdzie spotykają się swobodna i przegubowo podparta krawędź są to momenty główne m I, m II (o różnych znakach!): m IK = m IIK = 0.0156 q L X L Y.

Algorytm, porównanie z MRS Tarcze Płyty Powłoki Zakończenie Płyta kwadratowa Płyta kwadratowa wyniki Mapy konturowe mx i my mx my ALGOR GRAITEC ROBOT

Wybrane aspekty teoretyczne Klasyfikacja powłok ze względu na smukłość Powłoki: I) cienkie stosujemy teorię Kirchhoffa-Love a, II) umiarkowanie cienkie stosujemy teorię Mindlina-Reissnera, III) grube obliczamy zagadnienia 3D, np. typowe zagadnienie z mechaniki rury grubościennej.

Wybrane aspekty teoretyczne Trójparametrowa teoria powłok Kirchhoffa-Love a powłoki cienkie Powłoka cienka Powłoka jako ustrój powierzchniowy charakteryzuje się wartością grubości dużo mniejszą od promieni głównych krzywizn: h R min < 1 20 1 30. Hipoteza kinematyczna niezależne kinematyczne pola w powłokach to trzy liniowe przemieszczenia: u 1 (ξ 1, ξ 2 ), u 2 (ξ 1, ξ 2 ), w(ξ 1, ξ 2 ), w kierunkach lokalnej bazy (e 1, e 2, n), wprowadzanej w punkcie powierzchni środkowej powłoki. Hipoteza statyczna w powłokach cienkich naprężenia σ n, τ 1n, τ 2n są nieporównywalnie mniejsze od pozostałych naprężeń.

Wybrane aspekty teoretyczne Stan membranowy Stan membranowy rozkład naprężeń wzdłuż grubości jest jednorodny. Stan ten jest w powłokach najkorzystniejszy (optymalny) z punktu wykorzystania materiału. Przy spełnieniu pewnych warunków podparcia i obciążenia może być on zrealizowany w rzeczywistych konstrukcjach.

Wybrane aspekty teoretyczne Zaburzenia stanu membranowego źródłami stanu giętnego Szybki wzrost momentów i sił poprzecznych w kierunku źródła Szybkie ich zanikanie, gdy nie istnieje w pobliżu inne źródło Stan membranowy i jego zaburzenia p warunki brzegowe obciążenie konturowe załomy zmiana grubości p p p

ES powłokowe Podział ES powłokowych ES oparte na teorii powłok ES geometrycznie jednowymiarowe ES dwuwymiarowe płaskie trój- i czterowęzłowe ES dwuwymiarowe zakrzywione oparte na teorii powłok cienkich Kirchhoffa-Love a albo na teorii powłok umiarkowanie cienkich Mindlina-Reissnera ES tzw. zdegenerowane, oparte na równaniach kontinuum 3D, zmodyfikowanych hipotezami powłokowymi, spójne z pięcioparametrową teorią powłok Mindlina-Reissnera ES bryłowe, korzystające z równań kontinuum 3D, opisujace powłoki grube Powyższa klasyfikacja wiąże się z: liczbą aproksymowanych pól wewnątrz ES, liczbą i rodzajem stopni swobody węzła, wzorami użytymi do obliczania energii wewnętrznej oraz sposobem całkowania po obszarze ES przy liczeniu macierzy sztywności i wektorów węzłowych obciążeń.

ES powłokowe ES powłokowe 1D dla powłok obrotowych Elementy skończone geometrycznie jednowymiarowe dyskretyzują południk powłoki os iowo symetrycznej, z zastosowaniem analitycznego rozwinięcia wszystkich funkcji w szereg trygonometryczny zmiennej obwodowej. u(ξ, Θ) = = j=1 u 1 u 2 w = u v w J u j (ξ) cos(jθ) j=1 J v j (ξ) sin(jθ) j=1 J w j (ξ) cos(jθ) =

ES powłokowe Płaskie powłokowe ES 2D o 3 i 4 węzłach Elementy skończone powłokowe płaskie z 3 i 4 węzłami są utworzone w wyniku superpozycji ES tarczowych i ES płytowych. + = + = W węźle takiego ES, stosując model przemieszczeniowy, występują następujące stopnie swobody: q n w = {u, v} w q m w = {w, ϕ 1, ϕ 2 } w q w = {q n q m } w = {u, v, w, ϕ 1, ϕ 2 } w

ES powłokowe Płaskie powłokowe ES 2D dostępne w programie ROBOT Do dyskretyzacji powłok z załomami i/lub rozgałęzieniami musi być wprowadzony do węzła trzeci rotacyjny stopień swobody ϕ n czyli węzłowy szósty stopień swobody, a zatem: q w = {u, v, w, ϕ 1, ϕ 2 ϕ n } w. Kąt ϕ n - obrotu wokół normalnej nie może być pomijany przy aproksymacji przemieszczeń powierzchni środkowej, ze względu na konieczność transformacji wektorów obrotów do układu globalnego (X, Y, Z).

ES powłokowe Zakrzywione powłokowe ES 2D oparte na klasycznej trójparametrowej teorii powłok cienkich Aproksymacja pola przemieszczeń (3 składowe translacyjne): u(ξ 1, ξ 2 ) = {u 1 (ξ 1, ξ 2 ), u 2 (ξ 1, ξ 2 ), w(ξ 1, ξ 2 )} = = {u(ξ 1, ξ 2 ), v(ξ 1, ξ 2 ), w(ξ 1, ξ 2 )} = N Wektor SSW: q w = {u, v, w, ϕ 1, ϕ 2 } w [3 LSSE] qe [LSSE 1] lub q w = {u, v, w, ϕ 1, ϕ 2 ϕ n } w. LSSW = 6 LW = 6 LSSE = 36 LSSW = 6 LW = 8 LSSE = 48

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy Równanie różniczkowe przemieszczeniowe 4-go rzędu dla osiowo symetrycznego stanu membranowo-giętnego i jego rozwiązanie w IV (x) + 4β 4 w(x) = w(x) = = e βx [B 1 cos(βx) + B 2 sin(βx)] } {{ } szybko maleje przy wzroście x gdzie: β = w o (x) } {{ } całka ogólna 1 D m [p n + ν R ( 1 Rh 4 3(1 ν2 ) p 1 dx + C 1 )] + w(x) } {{ } = całka szczególna + e +βx [B 3 cos(βx) + B 4 sin(βx)] } {{ } szybko rośnie przy wzroście x + w(x) w(x) funkcja ugięcia dla stanu bezmomentowego osiowo symetrycznego w o (x) funkcja ugięcia opisująca lokalny stan giętny Pojawiają się moment m 1 (x) i siła poprzeczna t 1 (x). Ulegają modyfikacji przemieszczenie w(x) i siła równoleżnikowa n 2 (x).

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy Dane Geometria, materiał, obciążenie wysokość L = H = 20.0 m promień R = 10.0 m grubość h = 0.12 m moduł Younga E = 15.0 10 6 kpa współczynnik Poissona ν = 1 6 0.1667 ciężar własny p 1 = γ b h = 24 0.12 = 2.88 kpa parcie hydrostatyczne p n = γ c (L x) = 10(20 x) kpa sztywność giętna D m = = 2221.7 knm Eh3 12(1 ν 2 ) warunki brzegowe w(0) = 0, w (0) = 0, m 1 (L) = 0, t 1 (L) = 0 Powłoka długa? β = 1.193 1 m, λ = π β 2.63 m λ - długość półfali Czy 3 λ < L? 7.9 m < 20 m TAK

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy stan bezmomentowy Rozwiązanie analityczne Przemieszczenie normalne w 20 Funkcja przemieszczenia normalnego: x [m] 15 10 w(x) = w(x) = R Eh (γ cr + νγ b h)(l x) 5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 w(x) [cm] Siła południkowa n 1 Siła równoleżnikowa n 2 20 20 15 15 x [m] 10 x [m] 10 5 5 0 60 50 40 30 20 10 0 n1(x) [kn/m] 0 0 500 1000 1500 2000 n2(x) [kn/m]

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy zaburzenie stanu bezmomentowego Rozwiązanie analityczne Przemieszczenie normalne w Siła poprzeczna t 1 Moment południkowy m 1 20 20 20 15 15 15 x [m] 10 x [m] 10 x [m] 10 5 5 5 m 1 (0) = 67.6 knm m 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 w(x) [cm] 0 20 0 20 40 60 80 100120140160 t1(x) [kn/m] 0 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 m1(x) [knm/m] Siła południkowa n 1 Siła równoleżnikowa n 2 20 20 15 15 x [m] 10 x [m] 10 5 5 n 2 (2) = 1841 kn m 0 60 50 40 30 20 10 0 n1(x) [kn/m] 0 0 500 1000 1500 2000 n2(x) [kn/m]

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy zaburzenie stanu bezmomentowego Rozwiązanie numeryczne ROBOT Siła równoleżnikowa n 2 Siła poprzeczna t 1 Moment południkowy m 1 Siła południkowa n 1 od ciężaru własnego

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy zaburzenie stanu bezmomentowego Rozwiązanie numeryczne ANSYS Moment południkowy m 1 Moment równoleżnikowy m 2 Siła południkowa n 1 Siła równoleżnikowa n 2

Zbiornik walcowy Zbiornik walcowy zaburzenie stanu bezmomentowego Podsumowanie Rozwiązanie analityczne w max n [ 2,max n 2,min m 1,max m 1,min [cm] kn ] [ kn ] [ knm ] [ knm ] m m m m położenie x [m] 2.3 2.32 0.0 1.3 0.0 wartość 1.028 1841.3-9.60 14.68-67.64 Rozwiązania numeryczne ANKA (ES 1D) 1.024 1835.9-14.25 13.96-67.67 ROBOT (ES 2D) 1.024 1846.8-9.97 14.32-60.52 ANSYS (ES 2.5D) 1.020 1847.8-7.10 13.72-58.19 Typ elementu LE LSSU aktywnych ANKA SRSK 1D 20 80 ROBOT płaski 2D 1280 7680 ANSYS zdegenerowany SHELL 93 2.5D 2800 50400

Zbiornik walcowy Test nierozciągliwego zginania walcowej powłoki otwartej Weryfikacja jakości ES powłokowych z Momentowe obciążenie brzegowe powinno wywołać: przemieszczenie brzegu zgodne z analitycznym rozwiązaniem: u = ˆm R2 D m, x,u L Wariantujemy: wielkości geometryczne powłoki: R/h = 10,..., 100, ˆm R naprężenia ze stanu giętnego. typ siatki ES: regularna nieregularna. y gdzie: D m = Eh3 12(1 ν 2 ), zerowe siły membranowe, stałe momenty m 2. Dodatkowo kontroli podlega stosunek maksymalnego membranowego naprężenia do maksymalnego

Nie ma czegoś takiego jak książkowy przypadek. Dziękuję za uwagę prawo Murphy ego

Literatura M. Radwańska. Ustroje powierzchniowe. Podstawy teoretyczne oraz rozwiązania analityczne i numeryczne. Skrypt PK, Kraków, 2009. A. Borkowski, Cz. Cichoń, M. Radwańska, A. Sawczuk, Z. Waszczyszyn. Mechanika budowli. Ujęcie komputerowe. T.3, rozdz.9, Arkady, Warszwa, 1995. Cz. Cichoń, W. Cecot, J.Krok, P. Pluciński. Metody komputerowe w liniowej mechanice konstrukcji. Wybrane zagadnienia. Skrypt PK, wydanie 2, Kraków, 2010. G. Rakowski, Z. Kacprzyk. Metoda elementow skończonych w mechanice konstrukcji. Oficyna Wyd. PW, Warszawa, 2005. R.D. Cook, D.S. Malkus, M.E. Plesha, R.J Witt. Concepts and Applications of Finite Element Analysis. University of Wisconsin Madison, John Wiley&Sons, 2002. O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, J.Z. Zhu. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. VI edition, Elsevier Butterworth Heineman, 2005.