8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

Podobne dokumenty
ROZWIĄZANIE PROBLEMU NIELINIOWEGO

STATYKA Z UWZGLĘDNIENIEM DUŻYCH SIŁ OSIOWYCH

1 Równania nieliniowe

4. ELEMENTY PŁASKIEGO STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

9. PODSTAWY TEORII PLASTYCZNOŚCI

Stateczność ramy - wersja komputerowa

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

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

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

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

Metody energetyczne. Metoda Maxwella Mohra Układy statycznie niewyznaczalne Metoda sił Zasada minimum energii

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua

Iteracyjne rozwiązywanie równań

Metody numeryczne Technika obliczeniowa i symulacyjna Sem. 2, EiT, 2014/2015

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

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

Metoda elementów skończonych

Analiza I i II rzędu. gdzie α cr mnożnik obciążenia krytycznego według procedury

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

PROJEKT NR 2 STATECZNOŚĆ RAM WERSJA KOMPUTEROWA

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

METODY NUMERYCZNE. wykład. konsultacje: wtorek 10:00-11:30 środa 10:00-11:30. dr inż. Grażyna Kałuża pokój

Wyboczenie ściskanego pręta

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

WIADOMOŚCI WSTĘPNE, PRACA SIŁ NA PRZEMIESZCZENIACH

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

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Defi f nicja n aprę r żeń

5. METODA PRZEMIESZCZEŃ - PRZYKŁAD LICZBOWY

Podpory sprężyste (podatne), mogą ulegać skróceniu lub wydłużeniu pod wpływem działających sił. Przemieszczenia występujące w tych podporach są

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

Rozwiązanie stateczności ramy MES

Wybrane metody przybliżonego. wyznaczania rozwiązań (pierwiastków) równań nieliniowych

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

METODY ROZWIĄZYWANIA RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

MES w zagadnieniach nieliniowych

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

ĆWICZENIE PROJEKTOWE NR 2 Z MECHANIKI BUDOWLI

MES w zagadnieniach sprężysto-plastycznych

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

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE Wstęp

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

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Metody iteracyjne rozwiązywania układów równań liniowych (5.3) Normy wektorów i macierzy (5.3.1) Niech. x i. i =1

Modele materiałów

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

4. Elementy liniowej Teorii Sprężystości

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Rozwiązywanie układów równań liniowych

8. Metody rozwiązywania układu równań

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

Rozwiązywanie zagadnień nieliniowych

WYKŁAD 9 METODY ZMIENNEJ METRYKI

Laboratorium 5 Przybliżone metody rozwiązywania równań nieliniowych

Zaawansowane metody numeryczne

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

PODSTAWY MECHANIKI OŚRODKÓW CIĄGŁYCH

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

Metody numeryczne Wykład 7

Przykład obliczeniowy wyznaczenia imperfekcji globalnych, lokalnych i efektów II rzędu P3 1

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

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

Drgania układu o wielu stopniach swobody

DYNAMIKA RAM WERSJA KOMPUTEROWA

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

WYBRANE PROBLEMY NIELINIOWE I NIESPRĘŻYSTE WPROWADZENIE

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. prof. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska

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

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

= 2 42EI 41EI EI 2 P=15 M=10 M=10 3EI. q=5. Pret s-p. Pret s-p. Pret s-p. Pret s-p. Pret s-l.

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

DYNAMIKA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

1. Obciążenie statyczne

METODA SIŁ KRATOWNICA

Linie wpływu w belce statycznie niewyznaczalnej

ALGORYTM STATYCZNEJ ANALIZY MES DLA KRATOWNICY

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Rozkłady wielu zmiennych

Optymalizacja ciągła

5.1. Kratownice płaskie

Modelowanie przez zjawiska przybliżone. Modelowanie poprzez zjawiska uproszczone. Modelowanie przez analogie. Modelowanie matematyczne

Obszary sprężyste (bez możliwości uplastycznienia)

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. Rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą

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

pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

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

Analiza obudowy wykopu z jednym poziomem kotwienia

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

W wielu obliczeniach w matematyce bądź fizyce wykonanie niektórych kroków zależy od spełnienia warunku.

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Wstęp do metod numerycznych Rozwiazywanie równań algebraicznych. P. F. Góra

ROBOT Millennium wersja Podręcznik użytkownika strona: 175

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

Metody rozwiązywania równań nieliniowych

Transkrypt:

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 1 8. 8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 8.1. Wprowadzenie Zadania nieliniowe mają swoje zastosowanie na przykład w rozwiązywaniu cięgien. Przyczyny nieliniowości: 1) geometryczne: wynikające z uwzględnienia konfiguracji początkowej i końcowej Na przykład w sytuacji przedstawionej poniżej: δ P = P l 3 zależy liniowo od obciążenia. Jeśli geometria po odkształceniu zmienia się nieznacznie to 3 EI można zadanie takie utożsamić z układem niezmienionym i postępować zgodnie z zasadą zesztywnienia. W rzeczywistości równowaga układu wystąpi, gdy zapiszemy jej warunki w układzie przemieszczonym (a więc mamy do czynienia z układem nieliniowym). wynikające z uwzględnienia deformacji: δ ij = 1 u i, j u j,i u i, k u j, k (8.1) efekt duzychdeformacji ) fizyczne ze względu na przyjęty materiał.

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ W naszych rozważaniach zakładaliśmy materiał liniowy: σ W rzeczywistości mamy do czynienia z materiałem nieliniowym, którym jest stal: ε σ ε ε 0 stal w temp. ok. 300 o C T>0 ε czy też beton: σ mikrorysy odciążenia nie są po tej samej ścieżce makrorysy w wyniku dalszych obciążeń ε odciążenia 3) uwzględnienie tarcia

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 3 4) uwzględnienie zmieniających się warunków brzegowych, na przykład: P δ 0 P P δ 0 δ Wszystkie wyżej wymienione czynniki mogą wystąpić jednocześnie, co stanowi przyczynę dużej nieliniowości. 8.. Efekt nieliniowości w obliczeniach numerycznych Analizę przeprowadzimy dla elementów prętowych i cięgnowych) Układ równań nieliniowych algebraicznych Macierz sztywności układu zależy od przemieszczeń, co zapisujemy k d d = p (8.) [ x 1 ][ x 1 ] 1 x 1 x x [ = 4 ] (8.3) Zakładamy obciążenie jednoparametrowe (uproszczenie) K =K o K NL (8.4) gdzie K NL macierz nieliniowa, geometryczna Zmiana energii sprężystej na kroku EA L [ 1 1 1 1 ] P A[ 0 1 1 0] (8.5)

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 4 U = L A [ o o a d ] dadl=e o L A a dadx E a dadx (8.6) L A gdzie a = du dx 1 dv y dx d v dx (8.7) jest odkształceniem na kroku Po podstawieniu U =E o A [ du L dx 1 dv dx ] dx E [ A du L dx I d v dx 4] A du dx du dx A 4 dv dx d (8.8) 0 d = E d = E 0 (8.9) gdzie = 1 u i, j u j,i u i, k u j, k (8.10) Aproksymacja u=a 0 a 1 x (8.11) v=b 0 b 1 x b x b 3 x 3 (8.1) u= 1 x l u 1 x l u (8.13) 3 x 1 v= l x3 l 3 v 1 3 x l x3 l v 3 x l x x3 l 1 x l x3 l (8.14) U możemy wyrazić jako funkcję przyrostów przemieszczeń

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 5 d T =[u 1, v 1, 1,u, v,,] (8.15) Przyrostowa macierz sztywności K I d = f (8.16) Obliczamy początkową macierz sztywności ze wzoru K I =K 0 K P AE K 1 AE 3 K (8.17) następnie wyznaczamy d 1 dla obliczonego d 1 obliczamy d K d =0 d = p (8.18) Dodajemy przemieszczenia zgodnie ze wzorem K d 1 d = p (8.19) d =d 1 d (8.0) i obliczamy macierz sztywności od przemieszczeń d. Następnie obliczamy d K d d = p (8.1) Pełna metoda Newtona tok obliczeń pokazano poniżej Obliczamy przemieszczenia d 1 dla macierzy sztywności K d =0 K d =0 d 1 = p (8.) następnie obliczamy macierz sztywności dla d 1 i obliczamy przemieszczenia d K d 1 d = r 1 (8.3) dodajemy przemieszczenia d 1 d =d (8.4)

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 6 dla sumarycznych przemieszczeń obliczamy nową macierz sztywności i obliczamy d 3 Kończymy iterację gdy: K d d 3 = r (8.5) r i (8.6) Przyjmujemy kolejne poziomy obciążeń i dążymy do znalezienia odpowiedniego przemieszczenia przez iteracje. Przy każdej iteracji buduje się nową macierz sztywności zależną od odkształceń z poprzedniego kroku. K d 0 d 1 d = r 1 (8.7) Jeżeli iteracja się zbiega, to wielkości niezrównoważonych sił zmniejszają się. K d 0 d 1 d d = r (8.8) W nieliniowych zagadnieniach mechaniki konstrukcji pomiędzy wielkościami typu statycznego i geometrycznego zachodzi relacja proporcjonalności wyrażona przy pomocy współczynnika K charakteryzującego sztywność konstrukcji. W układach o wielu stopniach swobody rolę współczynnika proporcjonalności przejmuje macierz sztywności q=k 1 Q (8.9) Przy braku proporcjonalności pomiędzy Q i q ich wzajemne zależności są nieliniowe. Macierz sztywności zależy od przemieszczeń. Wyznaczana jest przez styczna do krzywej o równaniu zatem jest różna dla poszczególnych punktów Q= f q (8.30) 8.3. Przyczyny nieliniowości Przyczyny nieliniowości mogą wynikać ze struktury materiału (np. materiały niejednorodne jak np. beton), czyli w braku proporcjonalności pomiędzy naprężeniami a odkształcenia. Jest to nieliniowość,

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 7 którą nazywamy nieliniowością fizyczną, która może wystąpić również przy odkształceniach liniowo zależnych od przemieszczeń q. Ma to miejsce np. w zagadnieniach dotyczących plastyczności. Innym rodzajem nieliniowości jest ta, która wynika z braku proporcjonalności pomiędzy odkształceniami i przemieszczeniami q, co może mieć miejsce np. przy liniowych zależnościach pomiędzy odkształceniami a naprężeniami. Mamy tu na myśli np. zagadnienia stateczności sprężystej. Jest to nieliniowość geometryczna, związana z dużymi przemieszczeniami, które należy uwzględnić przy budowaniu równań równowagi. Niekiedy mogą występować takie przypadki, że pomimo małych przemieszczeń należy uwzględnić ich wpływ, aby w ogóle możliwe było zapisanie warunków równowagi. Stosowane współcześnie konstrukcje wiotkie, często o dużych rozpiętościach, albo też zbudowane z materiałów pracujących w stanie plastycznym wymagają obliczeń nieliniowych. Nieliniowość może mieć także charakter łączny, czyli jednocześnie mogą występować nieliniowość fizyczna i geometryczna np. w konstrukcjach z materiałów gumowych lub gumopochodnych. Dotyczy to również asfaltów i gruntów, stąd też zagadnienia dotyczące obliczeń gruntów należą do bardzo trudnych. Wymagają odpowiedniego podejścia i przyjęcia skomplikowanych założeń przy matematycznych tworzeniu modelu. 8.4. Rozwiązanie W zagadnieniach nieliniowych wyznaczenie Q przy danych q, lub też odwrotnie wyznaczeniu q przy znanych Q, jest praktycznie niewykonalne przy pomocy metod bezpośrednich. Możliwe jest uzyskanie wyników (rozwiązań) przybliżonych poprzez zastosowanie linearyzacji lub też przez stosowanie specjalnych algorytmów obliczeniowych. Równanie równowagi można zapisać w postaci: K q q=q (8.31) W ogólności macierz sztywności zależy od niewiadomych przemieszczeń q. Otrzymaliśmy zatem układ równań nieliniowych. Rozwiązanie równania jest skomplikowane. Macierz sztywności w zagadnieniach nieliniowych może być osobliwa. W zagadnieniach liniowych taka sytuacja nie mogła się zdarzyć. Analiza takiej sytuacji jest złożona numerycznie. Przyczyna nieliniowości może leżeć w materiale i w braku proporcjonalności między naprężeniami i odkształceniami. Nieliniowość może też mieć inne przyczyny, np.: jednostronne podpory, jednostronne podłoże, konstrukcje prętowo-cięgnowe nawet w zakresie liniowym. Do rozwiązania tych zadań stosujemy techniki numeryczne. 8.5. Sposoby rozwiązywania 8.5.1. Metoda przyrostowa

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 8 Rozpatrujemy zagadnienie nieliniowe opisane zależnością Q= f q (8.3) w zakresie obciążenia (0,Q) Dla danego obciążenia Q będziemy poszukiwać przemieszczenia q. Metoda polega na tym, że obliczenia przeprowadzamy etapowo, zwiększając obciążenie na każdym etapie o pewien przyrost Q i oraz odpowiadający mu przyrost przemieszczeń q i. Jako punkt startu przyjmujemy wartość Q 0 dostatecznie małą, tak aby można było założyć, że w zakresie obciążenia (0,Q) konstrukcja zachowuje się liniowo, czyli macierz sztywności K 0 ma być stała i taka jak w konstrukcji liniowej. Zaletami metody są: możliwość zastosowania do wszelkiego rodzaju nieliniowości (z wyjątkiem przypadków o malejącej sztywności), pełny opis relacji obciążenia - przemieszczenia dla każdego przyrostu Wady: duża chłonność obliczeniowa (odwracanie różnych macierzy dla każdego cyklu) trudność w określeniu wartości przyrostu obciążeń dla uzyskania założonej dokładności brak możliwości oceny poprawności rozwiązania, o ile nie istnieje jakaś baza porównawcza trudności algebraiczne związane z rozwiązywaniem źle uwarunkowanego układu równań w otoczeniu punktów krytycznych 8.5.. Metoda iteracyjna Jest to bardzo popularna metoda ze względu na wielostronność zastosowań i wysoką dokładność obliczeń. Nazywa się ją również metodą Newtona-Raphsona (w skrócie NR). Rozwiązywanie przy pomocy tej metody polega na tym, że w każdym cyklu iteracyjnym operujemy pełnym obciążeniem Q. W poszczególnych cyklach przyjmujemy stałe, przybliżone macierze sztywności, co powoduje niespełnienie warunków równowagi. Po każdym cyklu oblicza się obciążenie niezrównoważone w danej konfiguracji odkształcenia. To obciążenie służy do wyznaczania dodatkowych przemieszczeń, czyli zmian konfiguracji zmierzających do konfiguracji odpowiadającej równowadze. Proces obliczeniowy kończymy po osiągnięciu równowagi z przyjętą dokładnością. Startujemy przy pełnym obciążeniu Q oraz macierzy sztywności K L równej macierzy sztywności traktowanej jako liniowa. Dla tego stanu obciążenia i sztywności obliczamy przemieszczenia.

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 9 Zalety tej metody: większa łatwość w programowaniu niż w metodzie przyrostowej, duża efektywność, szczególnie w przypadku kilku wariantów obciążeń, przy nieliniowości fizycznej możliwość uwzględniania zmian własności materiału zależnie od stanu naprężeń. Wady: brak pewności co do zbieżności rozwiązania dokładnego (spełnienie równowagi to tylko jeden z warunków), niemożliwość zastosowania do dynamiki (można operować tylko stałym obciążeniem), brak informacji o stanie obciążenia - przemieszczenia, kiedy stosujemy obciążenie o niepełnych wartościach 8.5.3. Pełny algorytm Newtona (Full Newton Iteration) Metoda Newtona, zwana też metodą stycznych, należy do metod iteracyjnych. K d d = p K d d = p (8.33) K d 0 d 1 d = R 1 (8.34) K d 0 d 1 d d = R (8.35) Iterację przeprowadzamy do momentu w którym dokładność jest satysfakcjonująca. Oszacowanie błędu: r (8.36) d i (8.37) d Przyjąć można np. normę euklidesową:

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ 10 i R i - suma wszystkich niezrównoważonych sił w w węzłach (8.38) 8.5.4. Metoda Newtona-Raphsona λ p k=1 3 4 i+1 Δ λ p R i 1 Ri 4 i d i Δ d i+1 d i+1 d W metodzie Newtona-Raphsona szybciej uzyskuje się wiekszą dokładność.