PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ MES. Piotr Nikiel

Podobne dokumenty
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 )

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

Metoda elementów skończonych

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

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

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

KURS FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

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

Rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych metodą elementów skończonych - wprowadzenie

4. ELEMENTY PŁASKIEGO STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

KURS FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA- MATEMATYKA KLASA 6. Rok szkolny 2012/2013. Tamara Kostencka

Matematyka stosowana i metody numeryczne

VII. WYKRESY Wprowadzenie

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

KURS FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Łagodne wprowadzenie do Metody Elementów Skończonych

Symulacja przepływu ciepła dla wybranych warunków badanego układu

ALGORYTM STATYCZNEJ ANALIZY MES DLA KRATOWNICY

Grafika komputerowa Wykład 8 Modelowanie obiektów graficznych cz. II

gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.

22. CAŁKA KRZYWOLINIOWA SKIEROWANA

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Zestaw zawiera zadania z wcześniejszych diagnoz. Zadania zaczerpnięto z dostępnych zbiorów zadao różnych wydawnictw oraz arkuszy maturalnych CKE.

PROJEKT METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

I semestr WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI KLASA VI. Wymagania na ocenę dopuszczającą. Dział programu: Liczby naturalne

KADD Minimalizacja funkcji

Rozwiązania zadań. Arkusz Maturalny z matematyki nr 1 POZIOM ROZSZERZONY. Aby istniały dwa różne pierwiastki równania kwadratowego wyróżnik

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Tematy: zadania tematyczne

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

DOPASOWYWANIE KRZYWYCH

Rozwiązywanie równań nieliniowych

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

STAN NAPRĘŻENIA. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

MATEMATYKA ZP Ramowy rozkład materiału na cały cykl kształcenia

Wymagania edukacyjne z matematyki dla zasadniczej szkoły zawodowej na poszczególne oceny

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

KRYTERIA OCENIANIA W KLASACH SZÓSTYCH - Matematyka

Wymagania na poszczególne oceny szkolne z. matematyki. dla uczniów klasy IIIa i IIIb. Gimnazjum im. Jana Pawła II w Mętowie. w roku szkolnym 2015/2016

Przykład 4.1. Ściag stalowy. L200x100x cm 10 cm I120. Obliczyć dopuszczalną siłę P rozciagającą ściąg stalowy o przekroju pokazanym na poniższym

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

WYMAGANIA Z WIEDZY I UMIEJĘTNOŚCI NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE DLA KLASY CZWARTEJ H. zakres rozszerzony. Wiadomości i umiejętności

KADD Minimalizacja funkcji

C z y p a m i ę t a s z?

Interpolacja i modelowanie krzywych 2D i 3D

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

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

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

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

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

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

MATEMATYKA Z PLUSEM DLA KLASY VII W KONTEKŚCIE WYMAGAŃ PODSTAWY PROGRAMOWEJ. programowej dla klas IV-VI. programowej dla klas IV-VI.

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

Metody rozwiązania równania Schrödingera

FUNKCJE ELEMENTARNE I ICH WŁASNOŚCI

WYMAGANIA EDUKACYJNE NA POSZCZEGÓLNE OCENY Z MATEMATYKI W KLASIE IV

Układy równań nieliniowych (wielowymiarowa metoda Newtona-Raphsona) f(x) = 0, gdzie. dla n=2 np.

Aerodynamika I Efekty lepkie w przepływach ściśliwych.

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

Po zapoznaniu się z funkcją liniową możemy przyjśd do badania funkcji kwadratowej.

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

Wyboczenie ściskanego pręta

MINIMUM PROGRAMOWE DLA SŁUCHACZY CKU NR 1

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Modelowanie układów prętowych

Elementy Modelowania Matematycznego

Przykład 4.2. Sprawdzenie naprężeń normalnych

Nasyp przyrost osiadania w czasie (konsolidacja)

ZADANIA MATURALNE - ANALIZA MATEMATYCZNA - POZIOM ROZSZERZONY Opracowała - mgr Danuta Brzezińska. 2 3x. 2. Sformułuj odpowiedź.

Lekcja 9. Pierwsze i drugie prawo Kirchhoffa. 1. I prawo Kirchhoffa

Stateczność ramy drewnianej o 2 różnych przekrojach prętów, obciążonej siłą skupioną

WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła dla przegrody płaskiej

1. METODA PRZEMIESZCZEŃ

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

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

Tra r n a s n fo f rm r a m c a ja a na n p a rę r ż ę eń e pomi m ę i d ę zy y uk u ł k a ł d a am a i m i obr b ó r cony n m y i m

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY 7SP. V. Obliczenia procentowe. Uczeń: 1) przedstawia część wielkości jako procent tej wielkości;

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

Technikum Nr 2 im. gen. Mieczysława Smorawińskiego w Zespole Szkół Ekonomicznych w Kaliszu

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Wymagania edukacyjne klasa pierwsza.

Pracownia Astronomiczna. Zapisywanie wyników pomiarów i niepewności Cyfry znaczące i zaokrąglanie Przenoszenie błędu

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

Prędkośd rozchodzenia się sprężystych fal podłużnych w ciałach stałych, cieczach i

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ STALOWEGO KADŁUBA STATKU

Aproksymacja. funkcji: ,a 2. ,...,a m. - są funkcjami bazowymi m+1 wymiarowej podprzestrzeni liniowej X m+1

Transkrypt:

PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ MES Piotr Nikiel

Metoda elementów skooczonych Metoda elementów skooczonych jest metodą rozwiązywania zadao brzegowych. MES jest wykorzystywana obecnie praktycznie we wszystkich dziedzinach nauki. Głowna idea MES polega na tym, że dowolną ciągła wartośd (np. temperaturę) można zmienid na model dyskretny, który oparty jest na ograniczonej ilości węzłów, tworzących ograniczona ilośd elementów skooczonych. Algorytm MES (dla wyznaczania temperatury) można przedstawid następująco: 1) W rozpatrywanym ośrodku bierzemy pod uwagę ograniczona ilośd punktów (węzły siatki elementów skooczonych). 2) Wartośd temperatury definiuje się, jako parametr, który należy wyznaczyd. 3) Strefa wyznaczenia temperatury dzieli się na ograniczoną ilośd pod-stref (elementy skooczone), które maja wspólne węzły i w sumie aproksymują kształt ośrodka.

Metoda elementów skooczonych 4) Temperaturę aproksymuje się na każdym elemencie za pomocą wielomianu, który wyznaczony jest za pomocą węzłowych wartości temperatury. Dla każdego elementu wyznaczany jest wielomian i wyznaczany jest on w taki sposób, aby zachowad warunek ciągłości temperatury na granicach elementów. 5) Węzłowe wartości musza byd tak dobrane aby zapewnid najlepsze w stosunku do rzeczywistego przybliżenia pola temperatury. Dobór taki wykonywany jest za pomocą minimalizacji funkcjonału, który odpowiada równaniu przewodzenia ciepła. Minimalizacja może byd wykonywana zarówno przez minimalizację bezpośrednią, jak i na podstawie warunku koniecznego ekstremum funkcji, w tym wypadku wyznaczenie temperatur węzłowych musi byd powiązane za pomocą układu równao algebraicznych. Liczba równao jest równa liczbie niewiadomych wartości węzłowych temperatur.

Metoda elementów skooczonych Przy rozwiązywaniu metodą MES zagadnieo, w których nieznany jest rozkład danej funkcji, wykorzystuje się trzy typy elementów, które można sklasyfikowad na podstawie typu i stopnia wielomianu interpolującego: simpleks, któremu odpowiada wielomian gdzie liczba współczynników jest o jeden większa od liczby współrzędnych przestrzennych, np. dla dwuwymiarowego elementu typu simpleks, zdefiniowanego przez trzy węzły funkcja wygląda następująco: t 1 2x 3y kompleks elementy tego typu mają większą liczbę węzłów niż elementy typu simpleks, funkcje interpolujące mają ilośd współczynników równą liczbie węzłów; multipleks elementy tego typu różnią się od elementów typu kompleks tym, że brzegi elementów są równoległe do osi współrzędnych, a w przypadku elementów trójwymiarowych ściany elementów są równoległe do płaszczyzn wyznaczonych przez osie układu współrzędnych.

Element jednowymiarowy typu simpleks Określenie wartośd temperatury w punkcie b, 2 węzłowego elementu jednowymiarowego typu simpleks: Funkcja aproksymująca dla tego elementu ma postad: Współczynniki a1 i a2 można wyznaczyd za pomocą warunków w punktach węzłowych: Warunki te opisuje układ równao:

Element jednowymiarowy typu simpleks Podstawiając do otrzymuje się:

Dane: ti = 110 ºC, tj = 230 ºC, Xb = 4 mm Obliczenia: Określenie wartości temperatury

Element dwuwymiarowy typu simpleks Określenie wartości temperatury w punkcie b elementu dwuwymiarowego typu simpleks: Wartości współczynników α1 α2 α3 otrzymamy wychodząc z warunków w węzłach elementu: Po rozwiązaniu utrzymujemy:

Element dwuwymiarowy typu simpleks A pole elementu skooczonego, opisujemy wzorem: gdzie:

Dane: Określenie wartości temperatury t i = 400ºC, xi = 0m, yi = 0m, tj = 340ºC, xj = 4m, yj = 0,5m, tk = 460ºC, xk = 2m, yk = 5m, xb = 2m, yb = 1,5m tb=? Obliczenia:

Określenie wartości temperatury Obliczamy wyznacznik 2A: Obliczamy funkcję kształtu:

Określenie wartości naprężenia Określenie wartości naprężenia w punkcie b elementu dwuwymiarowego typu simpleks: Dane: σi = 40MPa, xi = 0m, yi = 0m, σj = 34MPa, xj = 4m, yj = 0,5m, σk =46MPa, xk = 2m, yk = 5m, xb = 2m, yb = 1,5m σb =? Obliczanie współczynników dla funkcji:

Określenie wartości naprężenia

Określenie wartośd odkształcenia Obliczyd odkształcenia w elemencie skooczonym: Dane: Uxi = 10mm, Uyi = -1mm, Xi = 5mm Yi = 3mm Uxj = 10mm, Uyi = 0mm, Xj = 5mm, Yj = 0 mm Uxk = 15mm, Uyk = 0,5mm, Xk = 10mm, Yk = 2mm εx, εy, εxy =?

Określenie wartośd odkształcenia Obliczanie współczynników: Podstawiając, otrzymujemy: εx = 7,66; εy = 2 εxy = 0,05

Element typu multipleks Obliczenie φ w elemencie skończonym ma postać:

Element typu multipleks

Określenie wartośd naprężenia Określid wartośd naprężenia w zadanym punkcie B Dane: σ1 = 40MPa, X1 = 1mm, Y1 = 1mm σ2 = 34MPa, X2 = 3mm, Y2 = 1mm σ3 = 46MPa, X3 = 4mm, Y3 = 4mm σ4 = 32MPa, X4 = 0,5mm, Y4 = 4mm ξ = 0,5 η = 0,5 σb, XB, YB =? Funkcje kształtu w układzie lokalnym:

Określenie wartośd naprężenia

Określenie wartości naprężenia Określenie wartości naprężenia w punkcie b Dane: σ1 = 40MPa, x1 = 1mm, y1 = 1mm, σ2 = 34MPa, x2 = 3mm, y2 = 1mm, σ3 =46MPa, x3 = 4mm, y3 = 4mm, σ4 =32MPa, x4 = 0,5mm, y4 = 4mm xb = 2,5, yb = 3,25m Obl. σb, ξb, ηb

Określenie wartości naprężenia

η = 0,5 ξ = 0,357 Określenie wartości naprężenia

Określenie wartości naprężenia

Wyznaczenie ustalonego pola temperatury w pręcie Do zamocowanego kooca pręta jest doprowadzony strumieo ciepła q, na wolnym koocu pręta zachodzi wymiana ciepła przez konwekcję. Współczynnik konwekcyjnej wymiany jest równy natomiast temperaturze otoczenia t Obliczyd wartości temperatur w pręcie dla punktów T1, T2, T3. Dane: Podstawowe równanie: Warunki brzegowe: Jednostkowy strumieo ciepła q jest dodatni, jeżeli ciepło jest odprowadzone z pręta

Wyznaczenie ustalonego pola temperatury w pręcie Funkcjonał dla rozpatrywanego przypadku można zapisad w następujący sposób:

Wyznaczenie ustalonego pola temperatury w pręcie Obliczenie składowych funkcjonału:

Wyznaczenie ustalonego pola temperatury w pręcie Podstawiając otrzymujemy funkcjonał: Minimalizacja funkcjonału sprowadza się do obliczenia pochodnych cząstkowych tego funkcjonału względem wartości węzłowych temperatury:

Wyznaczenie ustalonego pola temperatury w pręcie Obliczenia: C(1) = 75/3,75=20=C(2) αs = 10 -qs = 150 αst = 10*40 = 400 t1 = 70ºC t2 = 62,5ºC t3 = 55ºC

Ważniejsze zalety MES własności materiału elementów niekoniecznie muszą byd jednakowe co daje możliwośd wykorzystania MES do materiałów wielofazowych, jak również do materiałów, których własności są funkcją temperatury ośrodek o skomplikowanym kształcie może byd zaproksymowana z dużą dokładnością za pomocą elementów krzywoliniowych wymiary elementów mogą byd objętościowo rożne, to daje możliwośd powiększania lub zmniejszania wymiarów elementów w pewnych strefach rozpatrywanej objętości za pomocą MES można uwzględniad nieliniowe warunki brzegowe

Literatura A. Milenin Podstawy metody elementów skooczonych, Kraków 2010 Zienkiewicz O.C., Metoda elementów skooczonych, Warszawa 1972