Δυναμική Μηχανών I. Προσέγγιση Galerkin

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

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

Δυναμική Μηχανών I. Δυναμικά Μοντέλα Συνεχούς Μέσου

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

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιοανυσματική Ανάλυση

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

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιομορφές

Δυναμική Μηχανών I. Σύνοψη Εξεταστέας Ύλης

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

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

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

Δυναμική Μηχανών I. H Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων

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

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

Γενικευμένα Mονοβάθμια Συστήματα

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση Απόκρισης Συχνότητας

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση και Μητρώο Μεταφοράς

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

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

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

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

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

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

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Μαθηματικά

ΑΣΚΗΣΗ 19. έκδοση DΥΝI-EXC a

ΚΑΤΑΣΤΡΩΣΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 55

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Κινηματική και Δυναμική

ΑΣΚΗΣΗ 8. έκδοση DΥΝI-EXC b

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

Αριθμητικές μέθοδοι σε ταλαντώσεις μηχανολογικών συστημάτων

Πολυβάθμια Συστήματα. (συνέχεια)

ΑΣΚΗΣΗ 7. έκδοση DΥΝI-EXC b

ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-ΕΠΙΠΕΔΑ ΠΛΑΙΣΙΑ

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

Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

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

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΜΕΣΟΥ

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

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

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

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

ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-ΕΠΙΠΕΔΑ ΔΙΚΤΥΩΜΑΤΑ

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

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

Δυναμική Μηχανών I. Χρονική Απόκριση Συστημάτων 2 ης Τάξης

Πολυβάθμια Συστήματα. (συνέχεια)

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

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

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Δυναμική Μηχανών Ι. Διδάσκων: Αντωνιάδης Ιωάννης. Απόκριση Συστημάτων 1 ου Βαθμού Ελευθερίας, που περιγράφονται από Σ.Δ.Ε.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΗ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗ ΚΑΙ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ Ι ΙΟΜΟΡΦΩΝ ΣΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΕΠΑΛΛΗΛΙΑΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 22.

Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΛΕΥΘΕΡΩΣΕΙΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΩΝ ΚΟΜΒΩΝ

Εισαγωγή στη Δυναμική Μηχανών

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΜΗΧΑΝΩΝ

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Η ενέργεια ταλάντωσης ενός κυλιόμενου κυλίνδρου

Φυσική για Μηχανικούς

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

10. Εισαγωγή στις Μεθόδους Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ)

ΑΠΟΛΥΤΗΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Δ ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΕΣΠΕΡΙΝΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΕΥΤΕΡΑ 9 ΙΟΥΝΙΟΥ 2003 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΦΥΣΙΚΗ

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

ΕΛΕΥΘΕΡΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 73

E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

Επίλυση Δυναμικών Εξισώσεων

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Δυναμική εργαλειομηχανών

Μάθημα: Στατική ΙΙ 3 Ιουλίου 2012 Διδάσκων: Τριαντ. Κόκκινος, Ph.D. ΛΥΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ

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

Φυσική για Μηχανικούς

Δυναμική Μηχανών I. Μοντελοποίηση Ηλεκτρικών και Υδραυλικών Συστημάτων

ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΛΕΥΘΕΡΩΣΕΙΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΜΗΤΡΩΩΝ ΣΤΙΒΑΡΟΤΗΤΑΣ

ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙ ΑΣ ΤΑΞΗ

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς. Ολοκληρώματα.

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ A. 1 Εισαγωγή στην Ανάλυση των Κατασκευών 3

ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 93

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΟΛΛΩΝ ΒΑΘΜΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ

Δυναμική Μηχανών I. Μοντελοποίηση της Αλληλεπίδρασης. Συστήματος με το Περιβάλλον του

Υπολογισμός της σταθεράς ελατηρίου

ΑΠΟΛΥΤΗΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΕΣΠΕΡΙΝΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΕΥΤΕΡΑ 9 ΙΟΥΝΙΟΥ 2003 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ: ΦΥΣΙΚΗ

9. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. Εξετάζουµε διάφορα µοντέλα ελέγχου αλληλεπίδρασης του βραχίονα µε το περιβάλλον.

Εξαναγκασμένη Ταλάντωση. Αρμονική Φόρτιση (...)

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Γραμμική Διαφορική Εξίσωση 2 ου βαθμού

ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Φυσική (Ε) Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Ενότητα 2: Θεωρία ταλαντώσεων (Συνοπτική περιγραφή) Αικατερίνη Σκουρολιάκου. Τμήμα Ενεργειακής Τεχνολογίας

Απόκριση σε Αρμονική Διέγερση

Σύνθεση ή σύζευξη ταλαντώσεων;

9. Προγραμματισμός Δυναμικής Ανάλυσης ΠΒΣ

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΗΣ

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

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

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

Transcript:

Δυναμική Μηχανών I 8 2 Προσέγγιση Galerkin Χειμερινό Εξάμηνο 214 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ Δημήτριος Τζεράνης, Ph.D.

215 Δημήτριος Τζεράνης, Ph.D Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π. tzeranis@gmail.com Απαγορεύεται οποιαδήποτε αναπαραγωγή χωρίς άδεια

Περιεχόμενα Γενική Ιδέα Προσεγγιστικών Λύσεων ΜΔΕ Προσέγγιση Galerkin Παράδειγμα

Γενική Ιδέα Προσεγγιστικών Λύσεων ΜΔΕ

Επανάληψη: Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ Σε 1D προβλήματα, η απόκριση q x, t είναι επαλληλία των ιδιομορφών n Χ(x) μέσω των συντελεστών συνεισφοράς η n (t): q x, t = n=1 n Χ(x) η n (t) H απόκριση υπολογίζεται λύνοντας μια σειρά από ΣΔΕ 2 ης τάξης, κάθε μια από τις οποίες παρέχει την απόκριση η n (t) Επιπλέον, συνήθως, η απόκριση q x, t κυριαρχείται από λίγες ιδιομορφές που αντιστοιχούν στις πιο αργές ιδιοσυχνότητες q x, t N r n=1 n Χ(x) η n (t)

Ανάγκη Για Αριθμητικές Λύσεις Δυστυχώς, οι ιδιομορφές n Χ(r) μπορούν να υπολογιστούν αναλυτικά μόνο για πολύ απλά μοντέλα (1D, 2D) Χρειαζόμαστε αριθμητικές λύσεις! Η βασική ιδέα των προσεγγιστικών μεθόδων (Galerkin) θα περιγραφεί σε 1D μοντέλα Η μέθοδος Galerkin θα επεκταθεί στην μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (finete element method) Πιο γενική και χρήσιμη μέθοδος, εφαρμόζεται σε συστήματα 1D, 2D, 3D πολύπλοκης γεωμετρίας και ιδιοτήτων υλικών

Λύση ΜΔΕ σε απλές γεωμετρίες Προσέγγιση Galerkin

Μέθοδος Galerkin σε 1D Προβλήματα Βασική ιδέα: η απόκριση q x, t της ΜΔΕ προσεγγίζονται χρησιμοποιώντας συναρτήσεις προσέγγισης n Χ(x) ως: q x, t Ν n=1 n Χ(x) η n (t) Ισοδύναμα, σε μητρωϊκή μορφή: q 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 ιδιομορφών Το διάνυσμα η t είναι οι Β.Ε. ενός νέου μοντέλου διακριτών Β.Ε. που προσεγγίζει το σύστημα συνεχούς μέσου

Μέθοδος Galerkin σε 1D Προβλήματα Συναρτήσεις Προσέγγισης n Χ(x): Πρέπει να ικανοποιούν τις οριακές συνθήκες του προβλήματος Πρέπει να είναι πλήρεις και ανεξάρτητες μεταξύ τους Πολυωνυμικές Συναρτήσεις (τρίγωνο Pascal) Συναρτήσεις egendre Αρμονικές Συναρτήσεις Ιδεατά, προσεγγίζουν τις ιδιομορφές n Χ(x)

Μέθοδος Galerkin: Κινητική Ενέργεια Η κινητική ενέργεια Τ του συστήματος υπολογίζεται ως προς τους Β.Ε. η t Σε 1D μοντέλα (2 ης ή 4 ης τάξης) Τ = dt(x)dx = 1 = 1 2 ηt (t) 2 μ(x) y x, t 2 dx = 1 2 μ(x) X x X(x) T dx Το αντίστοιχο μητρώο αδράνειας είναι: Μ = μ(x) ( X(x) T μ(x) X x X(x) T dx Το στοιχείο M i,j του μητρώου αδράνειας Μ είναι: M i,j = μ(x) i Χ(x) η (t)) T X(x) T η(t) = 1 2 ηt (t) Μ j Χ(x)dx η(t) η(t)dx =

Μέθοδος Galerkin: Δυναμική Ενέργεια Σε 1D προβλήματα 2 ης τάξης, για τον υπολογισμό της δυναμικής ενέργειας χρειάζεται η παράγωγος q x, t, η οποία εκφράζεται ως: q x, t Ν n=1 n Χ(x) η n (t) q x, t Ν n=1 q x, t b(x) T η(t) d dx ( n Χ(x)) η n (t) Οπότε τα στοιχεία του b x είναι οι παράγωγοι των στοιχείων του X x b x = d dx ( 1 Χ x ) d dx ( N Χ x )

Μέθοδος Galerkin: Δυναμική Ενέργεια Η δυναμική ενέργεια U του συστήματος μπορεί να υπολογιστεί ως μια τετραγωνική μορφή του η t Σε 1D μοντέλα 2 ης τάξης U = dv(x)dx = 1 = 1 2 ηt (t) 2 κ(x)y x, t 2 dx = 1 2 Το αντίστοιχο μητρώο ελαστικότητας Κ είναι: κ(x) ( b(x) T η(t)) T b(x) T η(t)dx = κ(x) b x b(x) T dx η(t) = 1 2 ηt (t) Κ η(t) Κ = κ(x) b x b(x) T dx Το στοιχείο Κ i,j του μητρώου ελαστικότητας Κ είναι: Κ i,j = κ(x) i Χ x j Χ x dx

Μέθοδος Galerkin: Δυναμική Ενέργεια Αντίστοιχα, σε 1D προβλήματα 4 ης τάξης, για τον υπολογισμό της δυναμικής ενέργειας χρειάζεται η παράγωγος q x, t, η οποία εκφράζεται ως: q x, t b(x) T η(t) d 2 dx b x = 2 ( 1 Χ x ) d 2 dx 2 ( N Χ x ) Το αντίστοιχο μητρώο ελαστικότητας είναι πάλι Κ = κ(x) b x b(x) T dx Τώρα όμως το διάνυσμα b x περιέχει τις δεύτερες παραγώγους των n Χ x

Μέθοδος Galerkin: Δυνατό Έργο Οι γενικευμένες δυνάμεις ξ που αντιστοιχούν στους Β.Ε. η(t) υπολογίζονται από το δυνατό έργο λόγω των εξωτερικών διεγέρσεων f x, t, το οποίο υπολογίζεται ως Οπότε δw = δq(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

Μέθοδος Galerkin: Αρχικές Συνθήκες Οι αρχικές συνθήκες η() δεν μπορούν να προκύψουν απλά από την y x, X(x) T η() 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 = q x 1, q x Ν, η() υπολογίζονται από τα ίδια σημεία: X(x 1 ) T X(x Ν ) T η() = q x 1, q x Ν,

Μέθοδος Galerkin Συμπερασματικά, η δυναμική του συστήματος 2 ης τάξης μ 2 q t 2 x q κ x = f x, t Προσεγγίζεται μέσω της μεθόδου Galerkin ως q x, t Ν n=1 n Χ x η n t = X(x) T η(t) Όπου η απόκριση των Ν Β.Ε. η t υπολογίζεται από ένα σύστημα Ν ΣΔΕ: Μ η t + Κ η t = ξ Τα μητρώα Μ, Κ, οι γενικευμένες δυνάμεις ξ και οι αρχικές συνθήκες η, η υπολογίστηκαν στα προηγούμενα slides

Μέθοδος Galerkin: Ειδική Περίπτωση Η q x, t εκφράζεται μέσω των μετατοπίσεων n q t = q x n, t σε Ν επιλεγμένα σημεία x n μέσω συναρτήσεων προσέγγισης που ονομάζονται συναρτήσεις μορφής n Ν x q x, t Ν n=1 n x = n Ν x q x n, t 1 Ν x Ν Ν x Ν n=1 n Ν x n q t = n(x) T q(t), q t = n q(t) N q(t) Ιδιότητες συναρτήσεων μορφής: n Ν x 1 n Ν x m =, n m 1, n = m

Προσέγγιση Galerkin Συμπερασματικά, η δυναμική απόκριση q x, t ενός 1D ελαστικού συστήματος συνεχούς μέσου προσεγγίζεται ως q x, t n(x) T q(t) όπου q t είναι η απόκριση της κατασκευής σε Ν επιλεγμένα σημεία, η οποία υπολογίζεται από την απόκριση ενός συστήματος Ν ΣΔΕ: Μ q t + Κ q t = ξ Η μέθοδος εφαρμόζεται πρακτικά μόνο σε 1D προβλήματα. Σε πολύπλοκες 3D κατασκευές είναι δύσκολο να βρεθούν κατάλληλες συναρτήσεις μορφής n(x) για όλη την κατασκευή επόμενο βήμα: μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων

Παράδειγμα Θέμα Νοεμβρίου 213

Λύση: Προσέγγιση Galerkin Η εγάρσια μετατόπιση w(x, t) κάθε σημείου στην δοκό εκφράζεται ως συνάρτηση της μετατόπισης w t = w, t στην άκρη της δοκού w x, t = Ν x w, t = Ν x w t μέσω της συνάρτησης μορφής Ν x = 1 cos( π 2 x) Οι χρονικές και χωρικές παράγωγοι υπολογίζονται ως: w x, t = Ν x w t w x, t = N x w t = π 2 sin( π 2 x) w t w x, t = N x w t = ( π 2 )2 cos( π 2 x) w t

Λύση: Κινητική Ενέργεια Τ = Τ Μ + Τ δοκος = 1 2 M w 2 + = 1 2 M w 2 + 1 2 ρα(ν x 1 2 ρα w(x, t)2 dx = w t ) 2 dx = = 1 2 M + ρα Ν x 2 dx w 2 = 1 M +.227ρΑ 2 Επομένως το μητρώο αδράνειας του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w t είναι: m = M +.227ρΑ w 2

Σχόλιο Λύση: Κινητική Ενέργεια Ενώ η συνολική μάζα της δοκού είναι ρα, η αδράνεια της δοκού ως προς την εγκάρσια κίνηση w t είναι μόλις.227ρα. Ο λόγος είναι ότι η εγκάρσια ταχύτητα της δοκού κοντά στην πάκτωση είναι πάντα μικρότερη από την ταχύτητα w t κοντά στο ελεύθερο άκρο.

Λύση: Δυναμική Ενέργεια Το ελατήριο σταθεράς k στην θέση x = /2 ονομάζεται k 1 Τα τρία ελατήρια στην θέση x = (δύο ελατήρια σταθεράς k στην σειρά, το ισοδύναμο των οποίων είναι παράλληλα με ένα ελατήριο σταθεράς k) αντικαθιστώνται από το ισοδύναμο k 23 = k +.5k = 1.5k Δυναμική ενέργεια: U = U k1 + U k23 + U δοκος = 1 2 k 1(w( 2, t))2 + 1 2 k 23(w(, t)) 2 1 2 EI(w (x, t)) 2 dx

Λύση: Δυναμική Ενέργεια U = 1 2 k(n( 2 )w t ) 2 + 1 2 3k 2 (w t ) 2 + 1 2 EI(N (x)w t ) 2 dx = = 1 2 k(.293w t ) 2 + 1 2 1.5kw t 2 + 1 2 EI N (x) 2 dx w t 2 = = 1 EIπ4.858k + 1.5k + 2 32 3 w t 2 = 1 EI 1.586k + 3.4 2 3 w t 2 Επομένως το μητρώο ελαστικότητας του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w t είναι: k = 1.586k + 3.4 EI 3

Σχόλια Λύση: Δυναμική Ενέργεια Το ελατήριο k 1 συνεισφέρει πολύ λιγότερο στην δυναμική ενέργεια συγκριτικά με τα k 23 λόγω του πολύ μικρότερου εύρους κίνησης του (μόλις το N =.293) συγκρητικά με την w 2 t Από την μηχανική του παραμορφώσιμου στερεού, η παραμόρφωση στο ελεύθερο άκρο ενός πακτωμένου δοκού (, E, I) στο οποίο ασκείται δύναμη F (στο ελεύθερο άκρο) είναι δ = 3 3EI F. Αυτό αντιστοιχεί σε ένα καμπτικό ελατήριο σταθεράς k = 3ΕΙ 3. Παρατηρούμε ότι αυτό είναι πολύ κοντά στην σταθερά ελατηρίου που υπολογίστηκε παραπάνω (3.4 EI 3)

Λύση: Δυναμικές Εξισώσεις Επειδή δεν υπάρχουν εξωτερικές διεγέρσεις ή δυνάμεις απόσβεσης, το γενικευμένο έργο είναι μηδέν ξ = Μέσω της μεθόδου agrange, η δυναμική εξίσωση του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w (t) είναι: t w + U t = ξ m w (t) + k w (t) = H δυναμική εξίσωση του συστήματος είναι μια ΣΔΕ 2 ης ταξης H φυσική κυκλική συχνότητα του συστήματος είναι: ω = k m = 1.586k + 3.4 EI 3 M +.227ρΑ

Επέκταση: Εξωτερική Διέγερση Έστω ότι στην δοκό ασκείται εξωτερική διέγερση f 1 (t) στην θέση x =.75, και f 2 (t) στην θέση x =. Να υπολογιστεί η επακόλουθη γενικευμένη δύναμη ως προς τον Β.Ε. w Λύση Η εγκάρσια κίνηση στα σημεία όπου ασκούνται οι δυνάμεις f 1 (t) και f 2 (t) είναι: w x f1, t = Ν.75 w t =.62 w t w x f2, t = Ν w t = w t Το αντίστοιχο γενικευμένο έργο είναι: δw =.62 δw t f 1 t + δw t f 2 t = = δw t (.62 f 1 t + f 2 t )

Επέκταση: Εξωτερική Διέγερση Οι αντίστοιχες γενικευμένες δυνάμεις είναι: ξ =.62 f 1 t +f 2 t Και οι δυναμικές εξισώσεις του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w (t) είναι: m w (t) + k w (t) =.62 f 1 t +f 2 t