Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 20. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Σχετικά έγγραφα
Δυναμική Μηχανών I. Δυναμικά Μοντέλα Συνεχούς Μέσου

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 21. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Προσέγγιση Galerkin

Δυναμική Μηχανών I. H Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 13. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 22. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Σύνοψη Εξεταστέας Ύλης

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 12. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 7. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιοανυσματική Ανάλυση

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 1. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 9. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΜΕΣΟΥ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 8. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιομορφές

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών. σε Συστήματα Συνήθων Διαφορικών Εξισώσεων με Σταθερούς Συντελεστές

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Πολυβάθμια Συστήματα. Ε.Ι. Σαπουντζάκης. Καθηγητής ΕΜΠ. Δυναμική Ανάλυση Ραβδωτών Φορέων

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών σε Συνήθεις. Διαφορικές Εξισώσεις με Σταθερούς Συντελεστές

Γενικευμένα Mονοβάθμια Συστήματα

Δυναμική Μηχανών I. Εισαγωγή στον Υπολογισμό της Χρονικής. Απόκρισης Δυναμικών Εξισώσεων

ΑΣΚΗΣΗ 19. έκδοση DΥΝI-EXC a

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση και Μητρώο Μεταφοράς

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 3. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-ΕΠΙΠΕΔΑ ΔΙΚΤΥΩΜΑΤΑ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΗ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗ ΚΑΙ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 4. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-ΕΠΙΠΕΔΑ ΠΛΑΙΣΙΑ

Δυναμική Μηχανών I. Εισαγωγική Ανάλυση και Γραμμικοποίηση. Μη-Γραμμικών Δυναμικών Εξισώσεων

ΚΑΤΑΣΤΡΩΣΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 55

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 19.

10. Εισαγωγή στις Μεθόδους Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ)

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ A. 1 Εισαγωγή στην Ανάλυση των Κατασκευών 3

ιαλέξεις Παρασκευή 8 Οκτωβρίου,, Πέτρος Κωµοδρόµος Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 1

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

6. Κάμψη. Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 5. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

11. Εισαγωγή στις Μεθόδους Πεπερασμένων Στοιχείων

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΜΗΧΑΝΩΝ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Ενότητα: Υπολογισμός διατμητικών τάσεων

ΣΤΡΕΠΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΡΑΒΔΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ Η ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΔΙΑΤΟΜΗΣ

Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

Δυναμική Μηχανών I. Μοντελοποίηση Mηχανικών Συστημάτων Ι: Μηχανικά Συστήματα σε Μεταφορική Κίνηση

ΑΣΚΗΣΗ 8. έκδοση DΥΝI-EXC b

Εισαγωγή στη Δυναμική Μηχανών

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΙΣ»

Δυναμική Μηχανών I. Απόκριση Γραμμικών Συστημάτων στο. Πεδίο της Συχνότητας

ΑΣΚΗΣΗ 7. έκδοση DΥΝI-EXC b

ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 93

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ. Αντοχή Υλικού

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ενότητα 11: ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΙΔΙΟΜΟΡΦΩΝ Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

x=l ηλαδή η ενέργεια είναι µία συνάρτηση της συνάρτησης . Στα µαθηµατικά, η συνάρτηση µίας συνάρτησης ονοµάζεται συναρτησιακό (functional).

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Μαθηματικά

Δρ. Μηχ. Μηχ. Α. Τσουκνίδας. Σχήμα 1

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Κινηματική και Δυναμική

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΟΛΛΩΝ ΒΑΘΜΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ

Η λύση του προβλήματος των ιδιοτιμών και ιδιομορφών είναι εύκολη μόνο σε περιπτώσεις συστημάτων λίγων Β.Ε. Μέθοδος Rayleigh

Πολυβάθμια Συστήματα. (συνέχεια)

Μάθημα: Πειραματική αντοχή των υλικών Πείραμα Στρέψης

Σιδηρές Κατασκευές ΙΙ Διάλεξη 1 Πλευρικός λυγισμός. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 16.

ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ. Γεώργιος Κ. Μπαράκος Διπλ. Αεροναυπηγός Μηχανικός Καθηγητής Τ.Ε.Ι. ΚΑΜΨΗ. 1.

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 17.

ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ Ι ΙΟΜΟΡΦΩΝ ΣΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΕΠΑΛΛΗΛΙΑΣ

Πρόλογος Οι συγγραφείς... 18

ιαλέξεις Τρίτη, 2, Τετάρτη, 3, Παρασκευή 5 komodromos@ucy.ac.cy Πέτρος Κωµοδρόµος

Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

14/2/2008 1/5 ΑΝΤΟΧΗ ΠΛΟΙΟΥ - ΤΥΠΟΛΟΓΙΟ ΓΙΑ ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥ

Στοιχεία Μηχανών. Εαρινό εξάμηνο 2017 Διδάσκουσα: Σωτηρία Δ. Χουλιαρά

ιάλεξη 7 η, 8 η και 9 η

Περιπτώσεις συνοριακών συνθηκών σε προβλήματα γεωτεχνικής μηχανικής

Πειραματική Αντοχή Υλικών Ενότητα:

Κεφάλαιο 1 Βασικές αρχές µελέτης των κατασκευών 1

website:

Επίλυση 2ας. Προόδου & ιάλεξη 12 η. Τρίτη 5 Οκτωβρίου,,

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ (7 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ)

Εξίσωση Κίνησης Μονοβάθμιου Συστήματος (συνέχεια)

υναµ α ι µ κή τ ων Ρ οµ ο π µ ο π τ ο ικών Βραχιόνων

ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Μάθημα: Πειραματική Αντοχή των Υλικών Πείραμα Κάμψης

Υπολογισμός της σεισμικής δυναμικής ή μη-γραμμικής απόκρισης των κατασκευών.

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι Ασκήσεις - 09/11/2017. Άσκηση 1. Να βρεθεί η γενική λύση της διαφορικής εξίσωσης. dy dx = 2y + x 2 y 2 2x

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα. ΔΙΑΛΕΞΗ 21 Κυματική ΦΥΣ102 1

Με βάση την ανίσωση ασφαλείας που εισάγαμε στα προηγούμενα, το ζητούμενο στο σχεδιασμό είναι να ικανοποιηθεί η εν λόγω ανίσωση:

ΕΛΕΥΘΕΡΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 73

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

ιαλέξεις Μέθοδοι των δυνάµεων Πέτρος Κωµοδρόµος Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 1

3. ΥΝΑΜΙΚΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΒΡΑΧΙΟΝΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΤΡΩΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΡΑΒΔΩΤΩΝ ΦΟΡΕΩΝ

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Transcript:

Δυναμική Μηχανών I Διάλεξη 2 Χειμερινό Εξάμηνο 213 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ 1

Ανακοινώσεις Εξέταση Μαθήματος: 1/4/214, 12. Απαιτείται αποδεικτικό ταυτότητας Απαγορεύεται η παρουσία & χρήση κινητού! Κομπιουτεράκι όχι απαραίτητο (ίσως απαγορευθεί) Τυπολόγιο θα αναρτηθεί στην ίστοσελίδα του μαθήματος Κλειστά βιβλία & σημειώσεις Θα ανακοινωθούν έξτρα συνεδρίες για απορίες πριν εξέταση DMmeche213@gmail.com http://cw.mech.ntua.gr/ml2365 Office Hours: Δευτέρα 1-3 μμ, Εργαστήριο Εμβιομηχανικής, Ισόγειο Κτηρίου Μ (21 772-1516) 2

Περιεχόμενα Συστήματα Συνεχούς Μέσου Μοντελοποίηση Αναλυτικές Λύσεις Μονοδιάστατων Μοντέλων Προσεγγιστικές Λύσεις Μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων 3

Συστήματα Συνεχούς Μέσου: Μοντελοποίηση 4

Μοντελοποίηση Συστημάτων Συνεχούς Μέσου Περιγράφουν δυναμική συστημάτων, όπου τα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας (μάζα, ελαστικότητα) και οι διεγέρσεις είναι κατανεμημένα στο χώρο Περιγράφονται μέσω των εξισώσεων ελαστικότητας Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις (ΜΔΕ) 5

Εξισώσεις Ελαστικότητας Περιγράφουν την δυναμική δυνάμεων-μετατοπίσεων: Ισορροπία δυνάμεων ρ 2 u(r, t) t 2 σ = f r, t αδράνεια ελαστικότητα διέγερση Σχέσεις τάσεων-τροπών: ε = ε( u) Καταστατικές εξισώσεις υλικού: σ = σ(ε) Γενικά δεν λύνονται αναλυτικά 6

Απλοποιημένα Προβλήματα Ελαστικότητας Υπό προϋποθέσεις, οι 3D εξισώσεις ελαστικότητας μπορούν να απλοποιηθούν σε πιο απλά προβλήματα Πλήρες 3D πρόβλημα ελαστικότητας 2D Μοντέλα 1D Μοντέλα Plain stress/strain Μεμβράνες Κάμψη δοκού Στρέψη ατράκτου Αξονοσυμμετρικά συστήματα Εφελκυσμός άξονα Παραμόρφωση χορδής 7

Απλοποίηση: Μονοδιάστατα Μοντέλα Μονοδιάστατα (1D) μοντέλα Σε γραμμικούς φορείς Σε κάθε διατομή του φορέα (θέση x), οι μετατοπίσεις περιγράφονται με 1 βαθμό ελευθερίας x 8

Απλοποίηση: 1D Μοντέλα Είδη 1D μοντέλων σε γραμμικούς φορείς Εξαρτώνται από είδος της φόρτισης/μετατόπισης που κυριαρχεί 2 ης Τάξης 4 ης Τάξης Στρέψη ατράκτου Εφελκυσμός άξονα Παραμόρφωση χορδής Κάμψη δοκού θ x (x, t) u(x, t) w(x, t) w(x, t) x x θ x (x, t) u(x, t) w(x, t) w(x, t) 9

Απλοποίηση: 1D Μοντέλα 2 ης Τάξης Γενική μορφή ΜΔΕ: μ 2 y t 2 x y κ x = f x, t ΜΔΕ μετάδοσης κύματος, c = μ κ Στρέψη ατράκτου Εφελκυσμός άξονα Παραμόρφωση χορδής Μεταβλητή y(x, t) Γωνία στρέψης θ x (x, t) Αξονική μετατόπιση u(x, t) Εγκάρσια μετατόπιση w(x, t) Αδράνεια / μήκος μ Ελαστικοτητα /μηκος κ Διέγερση f x, t Καταστατική εξίσωση υλικού ρ I P ρ Α ρ Α Ροπή στρέψης/μήκος G J Ε Α S Α M t = G J θ x Διαμήκη δύναμη/μήκος N = A E u x Εγκάρσια δύναμη/μήκος N = S A w x 1

Απλοποίηση: 1D Μοντέλα 4 ης Τάξης Κάμψη δοκού Euler-Bernoulli μ 2 w t 2 + 2 x 2 μ = ρ Α κ 2 w x 2 κ = E I = q x, t Βαθμοί ελευθερίας: εγκάρσια μετατόπιση w(x, t) Γωνία φ = w x Φορτία: Ροπή κάμψης: M by = E I 2 w x 2 Εγκάρσιες δυνάμεις: Q = M by x Εγκάρσια δύναμη ανά μονάδα μήκους: q = Q z z x 11

Ενέργεια και Έργο σε Μοντέλα Συνεχούς Μέσου Μοντέλα 2 ης τάξης: Κινητική ενέργεια: Τ = Δυναμική ενέργεια: V = Δυνατό έργο: μ 2 y t 2 x dt(x)dx = dv(x)dx = δw = y κ x 1 1 = f x, t 2 μ(x) y x, t 2 dx 2 κ(x)y x, t 2 dx δy(x, t) f x, t dx 12

Ενέργεια και Έργο σε Μοντέλα Συνεχούς Μέσου Μοντέλα 4 ης τάξης: Κινητική ενέργεια: Τ = Δυναμική ενέργεια: V = Δυνατό έργο: μ 2 w t 2 + 2 x 2 dt(x)dx = dv(x)dx = δw = κ 2 w x 2 1 1 = q x, t 2 μ(x) w x, t 2 dx 2 κ(x)y x, t 2 dx δw(x, t) q x, t dx 13

Συστήματα Συνεχούς Μέσου: Αναλυτική Επίλυση Μονοδιάστατων Μοντέλων 14

Παράδειγμα: Στρέψη Ατράκτου Διαφορική εξίσωση κίνησης ατράκτου: Εξίσωση μετάδοσης κύματος (ΜΔΕ) ρ I P 2 θ t 2 θ G J x x x = μ x, t αδράνεια ελαστικότητα διέγερση Η γωνία θ(x, t) είναι συνάρτηση του χώρου x και χρόνου t Άπειροι βαθμοί ελευθερίας Καταστατική εξίσωση υλικού Ελαστικό: M t x = G J(x) θ x Μέτρο διάτμησης Γεωμετρικός παράγων 15

Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ: ΠΑΣΣ Πρόβλημα Αρχικών και Συνοριακών Συνθηκών Γραμμικό Έστω κ x = κ (ανεξάρτητο του x) μ y κ y = f x, t Διαφορική εξίσωση f 1 (y l 1, t, y l 1, t ) = f 2 (y l 2, t, y l 2, t ) = Οριακές συνθήκες y x, = y x y t x, = u (x) Αρχικές συνθήκες 16

Αναλυτική Επίλυση ΜΔE: Fourier Yπόθεση Fourier: y x, t = X x η(t) Αντικατάσταση στην ομογενή ΜΔΕ: 1 c 2 Χ (x) X x = η(t) η(t) = ω2 Η πρώτη εξίσωση δίνει: Χ x + ω c 2 X x = Μαζί με συνοριακές συνθήκες ορίζουν ένα πρόβλημα συνοριακών συνθηκών (βλέπε Μάθημα Διαφ. Εξισ.) Λύσεις: ιδιοσυχνότητες n ω Ιδιομορφές: αντίστοιχες συναρτήσεις n Χ(x) Για κάθε ιδιοσχυνότητα n ω αντιστοιχεί μια ιδιομορφή n Χ(x) 17

Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ: Ιδιομορφές Οι ιδιομορφές m Χ(x) Υπολογίζονται από την ΜΔΕ και τις οριακές συνθήκες Κάθε συνεχές σύστημα έχει άπειρες ιδιομορφές Είναι «κάθετες» μεταξύ τους: n Χ(x) m Χ(x)dx = n Χ x, m Χ x = Μπορούμε να τις κανονικοποιήσουμε ώστε n Χ(x) m Χ(x)dx = 1, n = m, n m n Χ x, n Χ x = 1 Αντιστοιχούν στα ιδιοανύσματα των διακριτών συστημάτων 18

Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ Αναζητούνται λύσεις της μορφής: y x, t = n=1 n Χ(x) η n (t) Αντικατάσταση στην ΜΔΕ δίνει μια σειρά από ΣΔΕ: η n (t) + n ω 2 η n (t) = μ 1 Με αρχικές συνθήκες: η n = η n = n Χ x f x, t dx = n ψ t, n = 1,2,.. n Χ x y x, dx = n Χ x, y x, n Χ x y t x, dx = n Χ x, y x, 19

Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ μ y κ y = f x, t f 1 y l 1, t, y l 1, t =, f 2 (y l 2, t, y (l 2, t)) = y x, = y x, y x, = u (x) η 1 + 1 ω 2 η 1 = 1 ψ(t) η 1 = 1 Χ x, y x, η 1 = 1 Χ x, y x, η n + n ω 2 η n = n ψ(t) η n = n Χ x, y x, η n = n Χ x, y x, η 1 (t) η n (t) y x, t = n Χ(x) η n (t) n=1 2

Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ Η απόκριση y x, t είναι επαλληλία των ιδιομορφών μέσω των συντελεστών συνεισφοράς η n (t): Παρατηρήσεις y x, t = n Χ(x) η n (t) n=1 Αντίστοιχο με τον ιδιοανυσματικό μ/χ των διακριτών συστημάτων Συνήθως, η y x, t κυριαρχείται από λίγες χαμηλές ιδιομορφές N r y x, t n Χ(x) η n (t) n=1 Μια ΜΔΕ μετατρέπεται σε μια σειρά από ΣΔΕ 2 ης τάξης Το σύστημα περιγράφεται είτε από τα y x, t είτε από τα η n (t) 21

Γενίκευση: Συστήματα Συνεχούς Μέσου Σε κάθε (γραμμικό) σύστημα συνεχούς μέσου, η απόκριση u r, t είναι επαλληλία των ιδιομορφών n Χ(r) μέσω των συντελεστών συνεισφοράς η n (t): u r, t = Μετατόπιση στην θέση r της κατασκευής την χρονική στιγμή t n=1 n Χ(r) η n (t) u r, t = u x r, t u y r, t u z r, t r = Η απόκριση της n-ιοστής ιδιομορφής περιγράφεται από μια ΣΔΕ 2 ης τάξης κυκλικής ιδιοσυχνότητας n ω η n + n ω 2 η n = n ψ(t) x y z 22

Συστήματα Συνεχούς Μέσου: Προσεγγιστικές Μέθοδοι 23

Ανάγκη Για Αριθμητικές Λύσεις Οι ιδιομορφές n Χ(r) μπορούν να υπολογιστούν αναλυτικά μόνο για πολύ απλά μοντέλα (1D, 2D) Χρειαζόμαστε αριθμητικές λύσεις! Η βασική ιδέα (Galerkin) θα περιγραφεί σε 1D μοντέλα μ 2 y t 2 y κ x x Εφαρμογή της μεθόδου agrange = f x, t Η Galerkin θα επεκταθεί στην μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (finete element method) γενική μέθοδος, εφαρμόζεται σε συστήματα 1D, 2D, 3D πολύπλοκης γεωμετρίας και ιδιοτήτων υλικών 24

Μέθοδος Galerkin Oι μετατοπίσεις y x, t προσεγγίζονται ως: y x, t Ν n=1 n Χ(x) η n (t) Ισοδύναμα, σε μητρωϊκή μορφή: y x, t X(x) T η(t) X x = 1 Χ(x) N Χ(x), η t = η 1 (t) η N (t) Διάνυσμα συναρτήσεων προσέγγισης Διάνυσμα απόκρισης Οι συναρτήσεις προσέγγισης n Χ(x) πρέπει να ικανοποιούν τις οριακές συνθήκες του προβλήματος 25

Μέθοδος Galerkin Η κινητική ενέργεια Τ του συστήματος μπορεί να υπολογιστεί ως μια τετραγωνική μορφή του η t Παράδειγμα σε 1D μοντέλα δεύτερης τάξης = 1 2 Τ = dt(x)dx = μ(x) ( X(x) T 1 2 μ(x) y x, t 2 dx = η (t)) T X(x) T η(t)dx = = 1 2 ηt (t) μ(x) X x X(x) T dx η(t) = 1 2 ηt (t) Μ Το στοιχείο M i,j του μητρώου αδράνειας Μ είναι: i M i,j = μ(x) Χ(x) j Χ(x)dx η(t) 26

Μέθοδος Galerkin Η δυναμική ενέργεια V του συστήματος μπορεί να υπολογιστεί ως μια τετραγωνική μορφή του η t Παράδειγμα σε 1D μοντέλα δεύτερης τάξης V = = 1 2 dv(x)dx = 1 2 κ(x)y x, t 2 dx = κ(x) ( Β(x) T η(t)) T Β(x) T η(t)dx = = 1 2 ηt (t) κ(x) Β x Β(x) T dx η(t) = 1 2 ηt (t) Κ η(t) Το στοιχείο Κ i,j του μητρώου αδράνειας Κ είναι: i Κ i,j = κ(x) Β(x) j Β(x)dx 27

Μέθοδος Galerkin Σχόλιο: Για τον υπολογισμό της δυναμικής ενέργειας χρειάστηκε η χωρική παράγωγος y x, t, η οποία εκφράστηκε μέσω του διανύσματος Β(x): y x, t Ν n=1 n Χ(x) η n (t) y x, t Ν n=1 y x, t B(x) T η(t) d dx ( n Χ(x)) η n (t) Οπότε τα στοιχεία του Β x είναι οι παράγωγοι των στοιχείων του X x d dx ( 1 Χ x ) Β x = d dx ( N Χ x ) 28

Μέθοδος Galerkin Οι γενικευμένες δυνάμεις ξ που αντιστοιχούν στους Β.Ε. η(t) υπολογίζονται από το δυνατό έργο Το δυνατό έργο λόγω των εξωτερικών διεγέρσεων f x, t υπολογίζεται ως Οπότε δw = δy(x, t) f x, t dx = δw = δη(t) T ξ = δη(t) T X x f x, t dx X x f x, t dx = δη(t) T ξ X x f x, t dx 29

Μέθοδος Galerkin Οι αρχικές συνθήκες η() δεν μπορούν να προκύψουν απλά από την : y x, X(x) T η() Διότι δεν είναι δυνατών να βρεθούν Ν στοιχεία η() που να ικανοποιούν την σχέση αυτή για κάθε x Τα η() υπολογίζονται με βάση αρχικές συνθήκες σε Ν σημεία: Παρόμοια, τα X(x 1 ) T X(x Ν ) T η = y x 1, y x Ν, η() υπολογίζονται από τα ίδια σημεία: X(x 1 ) T X(x Ν ) T η() = y x 1, y x Ν, 3

Μέθοδος Galerkin Συμπερασματικά, η δυναμική του συστήματος προσεγγίστηκε ως y x, t μ 2 y t 2 x Ν n=1 y κ x = f x, t n Χ x η n t = X(x) T η(t) Όπου η απόκριση των Ν Β.Ε. η t υπολογίζεται από ένα διακριτό δυναμικό σύστημα Ν Β.Ε.: Μ η t + Κ η t = ξ Τα μητρώα Μ, Κ, το διάνυσμα ξ και οι αρχικές συνθήκες η, η υπολογίστηκαν στα προηγούμενα slides 31

Μέθοδος Galerkin Ειδική περίπτωση: Οι μετατοπίσεις y x, t εκφράζονται μέσω των μετατοπίσεων n y t σε Ν επιλεγμένα σημεία x n μέσω των συναρτήσεων μορφής n Ν x y x, t Ν n=1 n Ν x y x n, t = Ν n=1 y x, t Ν(x) T y(t) n Ν x n y t X x = 1 Ν x Ν Ν x, y t = n y(t) N y(t) Ιδιότητες συναρτήσεων μορφής n Ν x 1 n Ν x m =, n m 1, n = m 32

Συστήματα Συνεχούς Μέσου: Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων 33

Περιορισμοί Μεθόδου Galerkin Η μέθοδος Galerkin μετασχηματίζει ΜΔΕ σε ΣΔΕ Ν Β.Ε. χρησιμοποιώντας Ν συναρτήσεις μορφής n Ν x y x, t Ν(x) T y(t) Η Galerkin χρησιμοποιεί n Ν x που περιγράφουν την παραμόρφωση ολόκληρης της κατασκευής! Απλές περιπτώσεις: μπορούν να βρεθούν μερικές «καλές» n Ν x Δύσκολες κατασκευές πολύ δύσκολο να βρεθούν n Ν x 34

Από την Galerkin στα Πεπερασμένα Στοιχεία Παρατήρηση: είναι πολύ πιο εύκολο να βρει κάποιος συναρτήσεις μορφής για ένα μικρό κομμάτι μιας κατασκευής, παρά για ολόκληρη την κατασκευή 35

Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων: Σύνοψη Η κατασκευή χωρίζεται σε μικρά (πεπερασμένα) στοιχεία Επιλέγονται ως Β.Ε. μετατοπίσεις q στα όρια των ΠΣ Για κάθε πεπερασμένο στοιχείο (ΠΣ) Η μετατόπιση σε κάθε σημείο του ΠΣ εκφράζεται ως συνάρτηση των μετατοπίσεων στα όρια του μέσω συν. μορφής Ν(x) Υπολογίζονται τα μητρώα αδράνειας i Μ, ελαστικότητας i K και οι γεν. δυνάμεις i ξ του ΠΣ μέσω εξισ. ελαστικότητας & των Ν(x) Τα μητρώα i Μ, i K, και i ξ των ΠΣ συνδυάζονται ώστε να υπολογιστούν τα μητρώα Μ, Κ και ξ του συστήματος! Εφαρμόζονται οι οριακές συνθήκες του προβλήματος Προκύπτει ένα γραμμικό σύστημα Ν Β.Ε.: Μ q t + Κ q t = ξ 36

Πεπερασμένα Στοιχεία για 1D Μοντέλα Κάθε Π.Σ. περιγράφεται από ένα δυναμικό μοντέλο i Μ i q t + i Κ i q t = i ξ Οι βαθμοί ελευθερίας του ΠΣ i q t είναι οι αντίστοιχες μετατοπίσεις στα άκρα του Τα μητρώα i Μ, i K προκύπτουν από πίνακες ανάλογα με το είδος του προβλήματος (στρέψη, κάμψη, μεμβράνη, 3D ελαστικότητα) Το διάνυσμα i ξ υπολογίζεται ως συνάρτηση της χωρικής κατανομής της φόρτισης και των συναρτήσεων μορφής 37

Πεπερασμένα Στοιχεία για 1D Μοντέλα Παράδειγμα: Πεπερασμένo στοιχείo εφελκυσμού i x i f(x, t) i F 1 i F 2 i ρ, i A, i, i E i u 1 Βαθμοί ελευθερίας: μετατοπίσεις στα άκρα κατά τον άξονα x: i u 2 i q t = i u 1 Συναρτήσεις μορφής: i u 2 i u i x, t = 1 x i u 1 + x i u 2 = 1 x = Ν(x) T x i u 1 i u 2 i q t 38

Πεπερασμένα Στοιχεία για 1D Μοντέλα Για την δεδομένη επιλογή Ν(x), προκύπτουν τα μητρώα: i Μ = i Κ = i i i ρ i E i Α Ν x Ν(x) T dx = i Α Β x Β(x) T dx = i ρ i E i i Α 6 i Α i 2 1 1 2 1 1 1 1 Και η διέγερση (περίπτωση ομοιόμορφης i f x, t = i f(t)) i ξ(t) = i F 1 (t) i F 2 (t) + i Ν x i f t dx = i F 1 (t) i i F 2 (t) + f(t) 2 Δυναμικές εξισώσεις Π.Σ. εφελκυσμού: i Μ i q t + i Κ i q t = i ξ i 1 1 39