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

Σχετικά έγγραφα
Δυναμική Μηχανών I. Προσέγγιση Galerkin

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

Δυναμική Μηχανών I. Δυναμικά Μοντέλα Συνεχούς Μέσου

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

Δυναμική Μηχανών I. H Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων

Δυναμική Μηχανών I. Σύνοψη Εξεταστέας Ύλης

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

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

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

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

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΜΕΣΟΥ

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. Εισαγωγική Ανάλυση και Γραμμικοποίηση. Μη-Γραμμικών Δυναμικών Εξισώσεων

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

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

10. Εισαγωγή στις Μεθόδους Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ)

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΗ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗ ΚΑΙ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

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

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

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

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 Συστήματα Συνήθων Διαφορικών Εξισώσεων με Σταθερούς Συντελεστές

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

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

Γενικευμένα Mονοβάθμια Συστήματα

ΚΑΤΑΣΤΡΩΣΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 55

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

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

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση και Μητρώο Μεταφοράς

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Κινηματική και Δυναμική

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΑΣΚΗΣΗ 19. έκδοση DΥΝI-EXC a

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιομορφές

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιοανυσματική Ανάλυση

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-ΕΠΙΠΕΔΑ ΠΛΑΙΣΙΑ

Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας

Πολυβάθμια Συστήματα

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

Ενότητα: Υπολογισμός διατμητικών τάσεων

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

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

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ A. 1 Εισαγωγή στην Ανάλυση των Κατασκευών 3

Π. Ασβεστάς Γ. Λούντος Τμήμα Τεχνολογίας Ιατρικών Οργάνων

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Η ενέργεια ταλάντωσης ενός κυλιόμενου κυλίνδρου

Κεφ. 6Α: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις - προβλήματα δύο οριακών τιμών

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

Εργαστηριακή Άσκηση 4 Προσδιορισμός του μέτρου στρέψης υλικού με τη μέθοδο του στροφικού εκκρεμούς.

ΕΠΩΝΥΜΟ :... ΟΝΟΜΑ :... ΒΑΘΜΟΣ:

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ- 2015

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ

Απόκριση σε Αρμονική Διέγερση

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΜΗΧΑΝΩΝ

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

ΑΣΚΗΣΗ 7. έκδοση DΥΝI-EXC b

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ- 2015

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

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

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017

Μάθημα: Στατική ΙΙ 9 Φεβρουαρίου 2011 Διδάσκων: Τριαντ. Κόκκινος, Ph.D. Διάρκεια εξέτασης 2:15 ΛΥΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ

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,

ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΕΛΕΥΘΕΡΩΣΕΙΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΜΗΤΡΩΩΝ ΣΤΙΒΑΡΟΤΗΤΑΣ

11. Χρήση Λογισμικού Ανάλυσης Κατασκευών

Διδάσκων: Μ. Γ. Σφακιανάκης ΤΜΗΜΑ ΠΟΛ/ΚΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ Εξέταση : , 12:00-15:00 ΤΟΜΕΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 10. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΕΡΓΟ ΠΟΥ ΠΑΡΑΓΕΙ ΜΙΑ ΣΤΑΘΕΡΗ ΥΝΑΜΗ

ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ & ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΡΑΓΓΩΝ

Δυναμική Μηχανών I. Χρονική Απόκριση Συστημάτων 2 ης Τάξης

ΕΠΙΛΥΣΗ ΥΠΕΡΣΤΑΤΙΚΩΝ ΦΟΡΕΩΝ Μέθοδος Castigliano Ελαστική γραμμή. Διδάσκων: Γιάννης Χουλιάρας

9. Χρήση Λογισμικού Ανάλυσης Κατασκευών

Το πρόγραµµα ALGOR και εφαρµογές σε ναυπηγικές κατασκευές

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΗΣ

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

Ενεργειακές Μέθοδοι Υπολογισμού Μετακινήσεων (συνέχεια)

Διακριτή Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων

Σύνθεση ή σύζευξη ταλαντώσεων;

Ένα εκκρεμές σε επιταχυνόμενο αμαξίδιο

Αριθμητικές μέθοδοι σε ταλαντώσεις μηχανολογικών συστημάτων

ΑΣΚΗΣΗ 8. έκδοση DΥΝI-EXC b

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

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

Υπολογισμός της σταθεράς ελατηρίου

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

Μεταβατική Ανάλυση - Φάσορες. Κατάστρωση διαφορικών εξισώσεων. Μεταβατική απόκριση. Γενικό μοντέλο. ,, ( ) είναι γνωστές ποσότητες (σταθερές)

ΕΠΩΝΥΜΟ :... ΟΝΟΜΑ :... ΒΑΘΜΟΣ:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ. Οι γραμμικοί φορείς. 1.1 Εισαγωγή 1.2 Συστήματα συντεταγμένων

2.1 Παραμορφώσεις ανομοιόμορφων ράβδων

Ενεργειακές Μέθοδοι Υπολογισμού Μετακινήσεων (συνέχεια)

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ

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

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Πρόλογος Οι συγγραφείς... 18

Πολυβάθμια Συστήματα. (συνέχεια)

Transcript:

Δυναμική Μηχανών I Διάλεξη 21 Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ 1

Ανακοινώσεις Εξέταση Μαθήματος: 1/4/2014, 12.00 Απαιτείται αποδεικτικό ταυτότητας (Α.Τ., Διαβατήριο, Διπλ. Οδ.) Απαγορεύεται η παρουσία & χρήση κινητού! Κομπιουτεράκι όχι απαραίτητο (ίσως απαγορευθεί) Τυπολόγιο θα αναρτηθεί στην ιστοσελίδα του μαθήματος Κλειστά βιβλία & σημειώσεις DMmeche2013@gmail.com http://cw.mech.ntua.gr/ml23065 Συνεδρίες Προετοιμασίας: Παρασκευή 28/3, 1-4 μμ, Μέρος θα ανακοινωθεί στο web site Δευτέρα 31/3, 1-3 μμ, Μέρος θα ανακοινωθεί στο web site 2

Περιεχόμενα Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων Επανάληψη: Μέθοδος Galerkin Σύνοψη μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων Πεπερασμένα στοιχεία σε μονοδιάστατους φορείς (εφελκυσμός, στρέψη, κάμψη) Βαθμοί ελευθερίας Μητρώα αδράνειας, ελαστικότητας, γενικευμένες δυνάμεις Κατάστρωση ολικών μητρώων αδράνειας, ελαστικότητας και γενικευμένων δυνάμεων Εφαρμογή οριακών συνθηκών Παράδειγμα: Κατάστρωση δυναμικής δοκού κάμψης μέσω μεθόδου Galerkin 3

Συστήματα Συνεχούς Μέσου: Προσέγγιση Galerkin 4

Εξισώσεις Ελαστικότητας Περιγράφουν δυναμική δυνάμεων-μετατοπίσεων σε κατασκευές: ρ 2 u(r, t) t 2 σ = f r, t αδράνεια ελαστικότητα διέγερση u r, t = u x (r, t) u y (r, t) u z (r, t) ε = ε( u) σ = σ(ε) u: μετατοπίσεις, ε: τροπές, σ: τάσεις Γενικά δεν λύνονται αναλυτικά 5

Απλοποίηση: 1D Μοντέλα σε Γραμμικούς Φορείς ΜΔΕ Στρέψη ατράκτου μ 2 y t 2 x 2 ης Τάξης 4 ης Τάξης Εφελκυσμός άξονα Παραμόρφωσ η χορδής Κάμψη δοκού y κ x = f x, t μ 2 y t 2 + 2 = f x, t y(x, t) θ x (x, t) u(x, t) w(x, t) w(x, t) x 2 μ(x) ρ I P ρ Α ρ Α ρ Α κ(x) G J Ε Α S Α E I κ 2 y x 2 f x, t Δυναμική ενέργεια/μήκος Κινητική ενέργεια/μήκος Δυνατό έργο / μήκος Ροπή στρέψης /μήκος Διαμήκης δύναμη /μήκος Εγκάρσια δύναμη/μήκος Εγκάρσια δύναμη/μήκος 1 2 κ(x)y x, t 2 1 2 κ(x)y x, t 2 1 2 μ(x) y x, t 2 δy(x, t) f x, t 6

Αναλυτική Επίλυση ΜΔΕ Ελαστικότητας Η απόκριση u r, t είναι επαλληλία των ιδιομορφών n Χ(r) μέσω των συντελεστών συνεισφοράς η n (t): u r, t = n Χ(r) η n (t) n=1 Σε μονοδιάστατους φορείς, τα πράγματα απλοποίούνται u x, t = n Χ(x) η n (t) n=1 x 7

Προσέγγιση Galerkin Η απόκριση u x, t προσεγγίζεται μέσω Ν συναρτήσεων μορφής Ν x και μετατοπίσεων σε Ν σημεία: u x, t Ν(x) T u(t) Ν x = 1 Ν x N Ν x, u t = u(x 1, t) u(x N, t) Οι χρονικές και χωρικές παράγωγοι υπολογίζονται ως: u x, t Ν(x) T u(t) u x, t B(x) T u(t) u x, t D(x) T u(t) Όπου n B x = n Ν x = 1 u(t) 1 u(t) n D x = n Ν x 8

Προσέγγιση Galerkin Αντικαθιστώντας την προσέγγιση Galerkin στις σχέσεις των T, V, δw προκύπτουν τα μητρώα Μ, Κ και οι γενικευμένες δυνάμεις ξ ως προς τις μετατοπίσεις u t : ΜΔΕ Μητρώο αδράνειας Μ μ 2 u t 2 x Μητρώο L Ελαστικότητας κ(x) Β x Β(x) T dx Κ 0 Γενικευμένες δυνάμεις ξ 2 ης Τάξης 4 ης Τάξης u κ x = f x, t μ 2 u t 2 + 2 x 2 0 L μ(x) Ν x Ν(x) T dx 0 L 0 L Ν x f x, t dx κ 2 u x 2 = f x, t κ(x) D x D(x) T dx 9

Προσέγγιση Galerkin Συμπερασματικά, η δυναμική απόκριση u x, t ενός 1D ελαστικού συστήματος συνεχούς μέσου προσεγγίζεται ως u x, t Ν(x) T u(t) όπου u t είναι η απόκριση της κατασκευής σε Ν επιλεγμένα σημεία, η οποίαυπολογίζεται βρίσκοντας απόκριση ενός διακριτού δυναμικού συστήματος Ν Β.Ε.: Μ u t + Κ u t = ξ Η ίδια μέθοδος μπορεί θεωρητικά να χρησιμοποιηθεί και σε πολύπλοκες 3D κατασκευές. Πρακτικά δύσκολο να βρεθούν κατάλληλες συναρτήσεις μορφής 10

Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων 11

Βασική Ιδέα Πεπερασμένων Στοιχείων Εφαρμογή της προσέγγισης Galerkin όχι σε ολόκληρη την κατασκευή αλλά σε μικρά «κομμάτια» της κατασκευής (πεπερασμένα στοιχεία) Πολύ πιο έυκολο να βρεθούν κατάλληλες συναρτήσεις μορφής για πεπερασμένα στοιχεία παρά για ολόκληρη την κατασκευή 12

Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων: Σύνοψη 1. Διακριτοποίηση γεωμετρίας: Η κατασκευή χωρίζεται σε πεπερασμένα στοιχεία (ΠΣ) Επιλέγεται το είδος του πεπερασμένου στοιχείου Επιλέγονται οι βαθμοί ελευθερίας u 2. Για κάθε ΠΣ υπολογίζονται τα μητρώα αδράνειας i Μ, ελαστικότητας i K και οι γεν. δυνάμεις i ξ 3. Τα i Μ, i K, και i ξ των ΠΣ συνδυάζονται ώστε να υπολογιστούν τα ολικά μητρώα Μ, Κ, ξ (του συστήματος) 4. Εφαρμόζονται οι οριακές συνθήκες του προβλήματος Προκύπτει ένα σύστημα ΣΔΕ που εκφράζει την δυναμική των αγνώστων μετατοπίσεων Μ q t + Κ q t = ξ 13

1D Πεπερασμένα Στοιχεία Είδος Π.Σ. Εφελκυσμός Στρέψη i x i n(x, t) i x i τ(x, t) i F 1 i F 2 i Τ 1 i Τ 2 i u 1 i u 2 i θ x1 i θ x2 Ιδιότητες Υλικού & γεωμετρία i ρ, i A, B. E i u 1 i u 2 T i θ x1 i θ x2 T i L, i E i ρ, i I P, i L, i G, i J Μητρώο αδράνειας i Μ Μητρώο ελαστ. i K i ρ i E i L i Α 6 i Α i L 2 1 1 2 1 1 1 1 i ρ i G i L i I P 6 i J i L 2 1 1 2 1 1 1 1 Γενικευμένες δυνάμεις i ξ i F 1 (t) i i F 2 (t) + n(t) 2 i L 1 1 i T 1 (t) i i F 2 (t) + τ(t) 2 i L 1 1 14

1D Πεπερασμένα Στοιχεία i M y1 Κάμψη i x i q(x, t) i M y2 i F z1 i F z2 i θ y1 i w 1 i θ y2 i w 2 i ρ, i A, i L, i E, i I z i w 1 i θ y1 i w 2 i θ y2 T i Μ = i ρ i A i L 420 156 22 i L 54 13 i L 4 i L 2 13 i L 3 i L 2 156 22 i L 4 i L 2, i K = i E i I z i L 3 12 6 i L 12 6 i L 4 i L 2 6 i L 2 i L 2 12 6 i L 4 i L 2 i F Z1 1 i L ξ = i M y1 i + F Z2 i M y2 i q(t) 2 i L 6 1 i L 6 15

Πεπερασμένα Στοιχεία - Γενικά 1D Πεπερασμένα στοιχεία (γραμμή) 1(εφελκυσμός, στρέψη) ή 2 Β.Ε. (κάμψη) ανά κόμβο Εφαρμογές: μονοδιάστατα προβλήματα εφελκυσμού, κάμψης, στρέψης 2D Πεπερασμένα στοιχεία (τρίγωνο, τετράγωνο) 2 B.E. Ανά κόμβο Εφαρμογές: επίπεδη τάση/τροπή (plain stress/strain), αξονοσυμμετρικά συστήματα 3D Πεπερασμένα στοιχεία (πυραμίδα, τετράεδρο, οκτάεδρο) 3 B.E. ανά κόμβο Εφαρμογές: τρισδιάστατα τασικά πεδία http://fea-cae-engineering.com/fea-cae-engineering/element_types.htm 16

1) Διακριτοποίηση Γεωμετρίας Μονοδιάστατη: 1D Π.Σ. Διδιάσταση: 2D Π.Σ. ελαστικότητας 17

1) Διακριτοποίηση Γεωμετρίας Παράδειγμα: εφελκυσμός σύνθετης δοκού F(t) Απλούστερη διακριτοποίηση (2 Π.Σ., 3 Κόμβοι) N Κόμβος 1 Κόμβος 2 Κόμβος 3 F(t) Π.Σ. A Π.Σ. B Πιο λεπτομερής διακριτοποίηση (8 Π.Σ., 9 Κόμβοι) N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F(t) A Β Γ Δ Ε Ζ Η Θ 18

2) Υπολογισμός Μητρώων Π.Σ. N Κόμβος 1 Κόμβος 2 Κόμβος 3 F(t) Π.Σ. A Π.Σ. B Π.Σ. Α Π.Σ. Β A u 1 A u 2 T = u 1 u 2 T B u 1 B u 2 T = u 2 u 3 T A M = A K = A ρ A Α A L 6 A E A Α A L 2 1 1 2 1 1 1 1 B M = B K = B ρ B Α B L 6 B E B Α B L 2 1 1 2 1 1 1 1 A ξ = Ν 0 B ξ = 0 F 19

3) Υπολογισμός Ολικών Μητρώων M = 2m A m A 0 m A 2m A + 2m B m B 0 m B 2m B m A = A ρ A Α A L 6 K = k A = A E A Α A L, m B = B ρ B Α B L 6 k A k A 0 k A k A + k B k B 0 k B k B, k B = B E B Α B L Ν 0 F 20 ξ =

4) Εφαρμογή Οριακών Συνθηκών Σε κάθε κόμβο είναι γνωστή είτε η μετατόπιση u είτε η δύναμη F N Κόμβος 1 Κόμβος 2 Κόμβος 3 F(t) Κόμβος 1 Γνωστή: μετατόπιση u 1 = 0 Άγνωστη: δύναμη (αντίδραση) N Κόμβος 2 Π.Σ. A Γνωστή: Δύναμη (0 επειδή δεν ασκείται εξωτερική διέγερση) Άγνωστη: μετατόπιση u 2 Κόμβος 3 Γνωστή: Δύναμη F Π.Σ. B Άγνωστη: μετατόπιση u 3 21

4)Εφαρμογή Οριακών Συνθηκών Εξισώσεις κίνησης όλων των μετατοπίσεων: 2m A m A 0 m A 2m A + 2m B m B 0 m B 2m B u 1 u 2 u 3 + k A k A 0 k A k A + k B k B 0 k B k B u 1 u 2 u 3 = Κρατάμε τις γραμμές που αντιστοιχούν σε άγνωστες μετατοπίσεις (Β.Ε.), εδώ η 2 η και η 3 η : m A 0 u 1 + 2m A + 2m B m B m B 2m B u 2 u 3 + k A 0 u 1 + k A + k B k B u 2 k B k B u 3 Ν 0 F = 0 F Εφαρμόζοντας τις οριακές συνθήκες (u 1 = 0) προκύπτουν οι εξισώσεις κίνησης για τους Β.Ε.: 2m A + 2m B m B u 2 + k A + k B k B u 2 m B 2m B u 3 k B k B u 3 = 0 1 F(t) Αφού υπολογιστούν τα u 2, u 3, η αντίδραση υπολογίζεται: Ν(t) = m A u 2 (t) k A u 2 (t) 22

23

Λύση: Προσέγγιση Galerkin Η εγάρσια μετατόπιση w(x, t) κάθε σημείου στην δοκό εκφράζεται ως συνάρτηση της μετατόπισης w L t = w L, t στην άκρη της δοκού w x, t = Ν x w L, t = Ν x w L t μέσω της συνάρτησης μορφής Ν x = 1 cos( π 2L x) Οι χρονικές και χωρικές παράγωγοι υπολογίζονται ως: w x, t = Ν x w L t w x, t = N x w L t = π 2L sin( π 2L x) w L t w x, t = N x w L t = ( π 2L )2 cos( π 2L x) w L t 24

Λύση: Κινητική Ενέργεια Τ = Τ Μ + Τ δοκος = 1 2 M w L 2 + = 1 2 M w L 2 + L 0 L 1 0 2 ρα(ν x L 1 2 ρα w(x, t)2 dx = w L t ) 2 dx = = 1 2 M + ρα Ν x 2 dx w 2 L = 1 M + 0.227ρΑL 2 0 Επομένως το μητρώο αδράνειας του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w L t είναι: m L = M + 0.227ρΑL w L 2 25

Σχόλιο Λύση: Κινητική Ενέργεια Ενώ η συνολική μάζα της δοκού είναι ραl, η αδράνεια της δοκού ως προς την εγκάρσια κίνηση w L t είναι μόλις 0.227ρΑL. Ο λόγος είναι ότι η εγκάρσια ταχύτητα της δοκού κοντά στην πάκτωση είναι πάντα μικρότερη από την ταχύτητα w L t κοντά στο ελεύθερο άκρο. 26

Λύση: Δυναμική Ενέργεια Το ελατήριο σταθεράς k στην θέση x = L/2 ονομάζεται k 1 Τα τρία ελατήρια στην θέση x = L (δύο ελατήρια σταθεράς k στην σειρά, το ισοδύναμο των οποίων είναι παράλληλα με ένα ελατήριο σταθεράς k) αντικαθιστώνται από το ισοδύναμο k 23 = k + 0.5k = 1.5k Δυναμική ενέργεια: V = V k1 + V k23 + V δοκος = 1 2 k 1(w( L 2, t))2 + 1 2 k 23(w(L, t)) 2 0 L 1 2 EI(w (x, t)) 2 dx 27

Λύση: Δυναμική Ενέργεια V = 1 2 k(n(l 2 )w L t ) 2 + 1 2 3k 2 (w L t ) 2 + 0 L 1 = 1 2 k(0.293w L t ) 2 + 1 2 1.5kw L t 2 + 1 2 EI 0 = 1 2 0.0858k + 1.5k + EIπ4 32L 3 w L t 2 = 2 EI(N (x)w L t ) 2 dx = L N (x) 2 dx w L t 2 = = 1 EI 1.586k + 3.04 2 L 3 w L t 2 Επομένως το μητρώο ελαστικότητας του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w L t είναι: k L = 1.586k + 3.04 EI L 3 28

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 L = 0.293) συγκρητικά με την w 2 L t Από την μηχανική του παραμορφώσιμου στερεού, η παραμόρφωση στο ελεύθερο άκρο ενός πακτωμένου δοκού (L, E, I) στο οποίο ασκείται δύναμη F (στο ελεύθερο άκρο) είναι δ = L 3 3EI 3ΕΙ F. Αυτό αντιστοιχεί σε ένα καμπτικό ελατήριο σταθεράς k = L3. Παρατηρούμε ότι αυτό είναι πολύ κοντά στην σταθερά ελατηρίου που υπολογίστηκε παραπάνω (3.04 EI L 3) 29

Λύση: Μοντέλο Συστήματος Μέσω της μεθόδου Lagrange, οι δυναμικές εξισώσεις του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w L (t) είναι: m L w L (t) + k L w L (t) = 0 H φυσική κυκλική συχνότητα του συστήματος είναι: ω = k L m L = 1.586k + 3.04 EI L 3 M + 0.227ρΑL 30

Επέκταση: Εξωτερική Διέγερση Έστω ότι στην δοκό ασκείται εξωτερική διέγερση f 1 (t) στην θέση x = 0.75L, και f 2 (t) στην θέση x = L. Να υπολογιστεί η επακόλουθη γενικευμένη δύναμη ως προς τον Β.Ε. w L Λύση Η εγκάρσια κίνηση στα σημεία όπου ασκούνται οι δυνάμεις f 1 (t) και f 2 (t) είναι: w x f1, t = Ν 0.75L w L t = 0.62 w L t w x f2, t = Ν L w L t = w L t Το αντίστοιχο γενικευμένο έργο είναι: δw = 0.62 δw L t f 1 t + δw L t f 2 t = = δw L t (0.62 f 1 t + f 2 t ) 31

Επέκταση: Εξωτερική Διέγερση Οι αντίστοιχες γενικευμένες δυνάμεις είναι: ξ = 0.62 f 1 t +f 2 t Και οι δυναμικές εξισώσεις του συστήματος ως προς τον Β.Ε. w L (t) είναι: m L w L (t) + k L w L (t) = 0.62 f 1 t +f 2 t 32