Bauteilberechnung und Optimierung mit der FEM
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- Theodor Fleischer
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1 Gerhard Silber, Florian Steinwender Bauteilberechnung und Optimierung mit der FEM Materialtheorie, Anwendungen, Beispiele Mit 148 Abbildungen, 5 Tabellen und zahlreichen Beispielen Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden
2 Inhaltsverzeichnis I Theoretische Grundlagen 15 1 Werkstoff-Phänomenologie Spannungs-Dehnungs-Verhalten Zeit-Verhalten 19 2 Einfuhrung in die Kontinuumsmechanik Eindimensionale Vorbetrachtungen Konfiguration und Bewegung... ; Verschiebung und Längenänderung Geschwindigkeit und Beschleunigung Deformations-und Verschiebungsgradient Spannungsmaße Materialgleichungen Körper und Kontinuum Kinematik Konfiguration und Bewegung Verschiebungs-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfeld Deformations-, Geschwindigkeits- und Verschiebungsgradient Verzerrungstensoren Geometrische Linearisierung von Verzerrungstensoren (Deformator) Spannungszustand Spannungsvektoren Spannungstensoren Hauptspannungen (Eigenwertproblem) Bilanzgleichungen Massebilanz Impulsbilanz Drehimpulsbilanz Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energiebilanz) 94 3 Materialgleichungen (Materialtheorie) Reduzierte Form einer allgemeinen Materialgleichung (Funktionale)... 99
3 Inhaltsverzeichnis Elastizität CAUCHY-Elastizität GREEN- oder Hyper-Elastizität HOOKE-Elastizität (streng-lineare Elastizität) Lineare Viskoelastizität (eindimensional) Rheologische Modell-Elemente (eindimensional) Standard-Versuche MAXWELL-Modell KELVIN-VOIGT-Modell Komplexere Rheologische Modelle Verallgemeinerte Darstellungen Lineare Viskoelastizität (dreidimensional) Dreidimensionales MAXWELL-Modell Verallgemeinerte Darstellungen Spezielle Bewegungsgeschichten Spezielle Relaxationsfunktion in COSMOS/M und ABAQUS Randwertprobleme Feldgleichungsset Grundgleichung der linearen Elastokinetik Grundgleichung der linearen Visko-Elastokinetik Spezielle Tragwerke Äquivalenzbedingungen Linear-thermoelastische Stab- und Balkentheorie Längsproblem (Zug/Druck) Biegeproblem (ebene oder einachsige Biegung) Linear-viskoelastische Stab- und Balkentheorie Längsproblem (Zug/Druck) Biegeproblem (ebene oder einachsige Biegung) Linear-elastische Träger mit ringförmiger Querschnittsform Verschiebungs-, Verzerrungs- und Spannungszustand in Zylinderkoordinaten HOOKEsches Materialgesetz in Zylinderkoordinaten Verschiebungs-Verzerrungs-Gleichungen und Materialgesetz als Funktion der Verschiebungskoordinaten Impulsbilanz (CAUCHY I) in Zylinderkoordinaten Grundgleichung der Elastokinetik in Zylinderkoordinaten 228
4 10 Inhaltsverzeichnis 11 Anwendungen Finite Elemente Methode (FEM) Einführung FEM und Elementtypen in der Strukturmechanik Analyseverfahren Elementtypen Einsatz und Anwendung der FE Methode bei strukturmechanischen Problemen Form der FE-Gleichungen Grundgedanke der FEM am Beispiel eines Stabwerks demonstriert Zusammenfassung der FEM-Systematik Energie-, Arbeits- und Näherungssätze in der FEM Einführung Einfaches Beispiel für das Energieprinzip Totales Potential" Bestimmung des Gesamtgleichungssystems für das in Bild 6.5 abgebildete Beispiel mit Hilfe des Totalen Potentials" Prinzip der virtuellen Arbeit Näherungsansätze Variationsansätze Notwendiges Kriterium für das Vorliegen eines Minimums Variationsverfahren nach RAYLEIGH-RITZ Aufstellen der Systemgleichungen mit Hilfe von Ansatzfunktionen Stabelement Steifigkeitsermittlung mit Hilfe einer Ansatzfunktion Potentielle Energie eines Elements und äquivalente Knotenkräfte Temperatureinfluss und äquivalente Temperaturlasten Gesamtenergie oder totales Potential eines Elements Zusammenbau der Einzelelemente, Minimierung der Gesamtenergie bzw. des totalen Potentials und deren Lösung Anwendung an Beispielen und Vergleich mit den exakten Lösungen FE-Formulierung eines Balkenelements Höherwertige Elemente Höherwertiges Stabelement mit drei Knoten Anwendung des 3-Knoten-Stabelements Isoparametrisches Konzept Beispiel zum Isoparametrischen Konzept Kurzeinführung in die Numerische Integration Numerische Integration von Zeitverläufen NEWMARK-BETA Method CHOLESKY-Verfahren zur Lösung linearer Gleichungssysteme mit symm. Matrizen 331
5 Inhaltsverzeichnis Einblick in die nichtlineare Finite-Element-Methode Einleitung Arten der Nichtlinearitäten Grenzen der Elastizitätstheorie der 1. Ordnung (Beispiele) Einführung in die iterative Lösungsmethode für nichtlineare Probleme NEWTON-RAPHSON-Verfahren Elementwahl, Transfer von CAD- und Messdaten in ein FE-Programm Auswahl zwischen linearen Elementen (constant strain) und Elementen höherer Ordnung Linear-Elemente (constant strain elements) Elemente mit Zwischenknoten (quadratic elements with midside nodes), Elemente höherer Ordnung Transfer von CAD- und Messdaten in ein FE-Programm Formoptimierung eines Aorten-Aneurysmen-Prüfkörpers Strukturverhalten einer Stahlbaukonstruktion Blatt- bzw. Dreiecksfeder Gewichtsoptimierter gelochter Kragträger Viskoelastische Stab- und Balkentragwerke POYNTING-THOMSON-Stab bei wechselnder Dehnrate Analytische Rechnungen FE-Rechnungen MAXWELL-Stab bei harmonischer Dehngeschichte Analytische Rechnungen FE-Rechnungen Stäbe unter zeitlich konstanter Last (Stab-Kriechen) Balken unter konstanter Last (Biege-Kriechen) Analytische Rechnungen FE-Rechnungen Balken unter konstanter Verformung (Biege-Relaxieren) Vier-Punkt-Biegung balkenförmiger Bauteile Rotationssymmetrische linear-elastische Trägerstrukturen Dickwandiger Hohlzylinder unter radialer Druckbelastung Gleichungssatz Randwertproblem Lösung der Verschiebungsdifferentialgleichung -radiale Verschiebungskoordinate Verzerrungs- und Spannungsköordinaten 392
6 12 Inhaltsverzeichnis 9.2 Geschlossener Hohlzylinder unter radialer Druckbelastung Gleichungssatz Randwertproblem Spannungs- und Verschiebungszustand FE-Rechnungen Rotierende Scheibe (Welle-Scheibe-Verbindung) Gleichungssatz Bewegungsgleichung und deren Lösung Spannungen, Dehnungen und radiale Verschiebung FE-Rechnungen Formoptimierung rotierender elastischer Scheiben Optimierungsbedingung Formoptimierte Scheibendicke FE-Rechnungen Viskoelastische Dämmschicht Randwertproblem Gleichungssatz Radiale Verschiebungskoordinate und Spannungskoordinaten FE-Rechnung Polymere Weichschaumstoffe Motivation Materialgesetz Materialidentifikation am Beispiel der uniaxialen Stauchung Kraft-Streckungs-Relation Bestimmung der Materialparameter FE-Simulation 425 A Mathematische Grundlagen 426 A.l Vektor- und Tensoralgebra 426 A.l.i (Einige) Rechenregeln für Vektoren 427 A.l.2 Definition des Tensors (Dyade) 428 A.l.3 Wichtige Rechenregeln für Dyaden und Tensoren 430 A.1.4 Invarianten 434 A.l.5 CAYLEY-HAMILTON-Gleichung (Arthur CAYLEY, engl. Math., , Sir William Rowan HAMILTON, irischer Math., ) A.l.6 Darstellung von Vektoren und Tensoren bezüglich kartesischer Koordinaten 437 A.2 Vektor- und Tensoranalysis 444 A.2.1 Ableitung einer skalarwertigen Tensorfunktion nach der Zeit 444 A.2.2 Ableitung einer skalarwertigen Tensorfunktion nach dem Argumenttensor. 444 A.2.3 Ableitung einer vektorwertigen Vektorfunktion nach dem Argumentvektor. 445 A.2.4 Rechenoperationen mit dem NABLA-Operator 446
7 Inhaltsverzeichnis 13. A.2.5 GAUSSscher Integralsatz (Carl Friedrich Gauß, dt. Mathematiker, ) 448 A.2.6 Vektor- und Tensorfelder in Zylinderkoordinaten 449 Literaturverzeichnis 452 Index 455
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