4. Das Verfahren von Galerkin
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- Waltraud Heinrich
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1 4. Das Verfahren von Galerkin 4.1 Grundlagen 4.2 Methode der finiten Elemente 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-1
2 4.1 Grundlagen Das Verfahren von Galerkin ist ein allgemein anwendbares Verfahren zur numerischen Lösung von Differenzialgleichungen. Ausgangspunkt für die Anwendung des Verfahrens von Galerkin zur Lösung der Gleichungen der linearen Elastizitätstheorie ist das Prinzip der virtuellen Arbeit: V [ v ] T [ ] dv = m für alle [ v e ] [ v me ] T [ F m ] R [ v e ] T [q e ] dr V [ v e ] T [ f e ] dv Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-2
3 4.1 Grundlagen Die exakte Lösung erfüllt die Randbedingungen das Prinzip der virtuellen Arbeit für alle virtuellen Verschiebungen, die die Randbedingungen erfüllen. [ v e ] Numerische Lösung: Lösungsansatz: [u e ] [ u en x, y ]= n n x, y [c n ] Die Funktionen n x, y sind vorgegebene Ansatzfunktionen. Die Koeffizientenmatrizen [c n ] sind zunächst unbekannt. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-3
4 4.1 Grundlagen Die Ansatzfunktionen müssen die folgenden Bedingungen erfüllen: Die Randbedingungen müssen sich erfüllen lassen. Alle Starrkörperbewegungen müssen dargestellt werden können. In Matrix-Schreibweise lautet der Lösungsansatz: x ]=[ [u en c n 0 1 y n][c1 ] c nx c ny en [u ]=[ ] [ c ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-4
5 4.1 Grundlagen Mit dem Lösungsansatz lässt sich das Prinzip der virtuellen Arbeit nicht mehr für alle virtuellen Verschiebungen erfüllen. Die Koeffizienten werden so bestimmt, dass das Prinzip der virtuellen Arbeit für alle virtuellen Verschiebungen der Form für beliebige [d ] [ v e x, y ]=[ x, y ] [d ] erfüllt ist. Dehnungen und Spannungen: [ N x, y ]=[ xy ] [u en x, y ]=[ xy ] [ x, y ] [c]=[ B x, y ] [c ] [ v x, y ]=[ B x, y ] [d ] [ N x, y ]=[C ] [ N x, y ]=[C ] [ B x, y ] [c ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-5
6 4.1 Grundlagen Einsetzen in das Prinzip der virtuellen Arbeit ergibt: [d ] T V =[ d ] T m [ B ] T [C ] [ B ] dv [ c ] [ x m, y m ] T [ F m ] R [ ] T [q e ] dr V [ ] T [ f e ] dv Diese Gleichung ist nur dann für beliebige [d ] erfüllt, wenn gilt: V [ B ] T [C ] [ B ] dv [ c ]= m V [ m ] T [ F m ] R [ ] T [q e ]dr [ ] T [ f e ]dv mit [ m ]=[ x m, y m ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-6
7 Mit der Steifigkeitsmatrix und den Lastmatrizen [ F ]= m 4.1 Grundlagen [ m ] T [ F m ], [ q ]= R lautet das Gleichungssystem [ K ]= V [ B ] T [C ] [ B ] dv [ ] T [ q e ]dr, [ f ]= V [ K ] [c ]=[ F ] [q ] [ f ] In dieses Gleichungssystem müssen noch die Lagerbedingungen eingebaut werden. Danach können daraus die Koeffizienten [c ] ermittelt werden. [ ] T [ f e ] dv Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-7
8 Anmerkung: 4.1 Grundlagen Die Steifigkeitsmatrix ist symmetrisch, da die Materialmatrix symmetrisch ist, und [C ] [ K ]= V [ B ] T [C ] [ B ] dv der gleiche Ansatz für die Lösung und die virtuellen Verschiebungen verwendet wird. Galerkin-Verfahren, die die gleichen Ansatzfunktionen für die Lösung und die virtuellen Verschiebungen verwenden, werden als Bubnow-Galerkin-Verfahren bezeichnet. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-8
9 4.2 Methode der finiten Elemente Die Methode der finiten Elemente ist ein Bubnow-Galerkin-Verfahren, bei dem als Ansatzfunktionen Interpolationsfunktionen gewählt werden. Die Interpolationsfunktionen werden aus lokal definierten Interpolationsfunktionen zusammengesetzt. Dadurch lässt sich die Definition der Ansatzfunktionen leicht formalisieren. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.4-9
10 4.2 Methode der finiten Elemente Interpolationsfunktionen: Das vom zu berechnenden Körper eingenommene Raumgebiet wird durch die Vereinigung von einfachen elementaren Raumgebieten angenähert. Bei ebenen Problemen werden dreieckige oder viereckige elementare Gebiete verwendet. Die elementaren Raumgebiete werden als finite Elemente bezeichnet. Die Schnittpunkte der die finiten Elemente begrenzenden Linien werden als Knoten bezeichnet. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
11 4.2 Methode der finiten Elemente Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
12 4.2 Methode der finiten Elemente Die Interpolationsfunktion N k hat am Knoten k den Wert eins und an allen anderen Knoten den Wert null. 1 N k y x Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
13 4.2 Methode der finiten Elemente Die Interpolationsfunktion N k ist nur in den Elementen von null verschieden, die an den Knoten k angeschlossen sind. Sie ist aus den Interpolationsfunktionen N E der Elemente zusammengesetzt. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
14 Lösungsansatz: 4.2 Methode der finiten Elemente Die Verschiebungen in x- und y-richtung werden zwischen den zu bestimmenden Verschiebungen an den Knoten interpoliert: [u1 x [ u en ] [ = N 1 0 N 2 0 N n 0 n] u 1 y ] 0 N 1 0 N 2 0 N u nx u ny [ u en x, y ] = [ N x, y ] [u ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
15 4.2 Methode der finiten Elemente Die gesuchten Koeffizienten sind gerade die Verschiebungen an den Knoten. Prinzip der virtuellen Arbeit: [c ]=[u ] [d ]=[ v ] [ ]=[ N ] [ m ]=[ N m ]=[ N x m, y m ] Mit,,, und der Verzerrungs-Verschiebungs-Transformationsmatrix [ B ]=[ B ]=[ xy ] [ N ] lautet das Prinzip der virtuellen Arbeit: [ v ] T V [ B ] T [C ] [ B ] dv [ u ]=[ v ] T m [ v ] T V [ N m ] T [ F me ] [ v ]T R [ N ] T [ f e ] dv [ N ] T [q e ] dr Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
16 4.2 Methode der finiten Elemente Bei der Methode der finiten Elemente wird gefordert, dass Einzelkräfte nur an den Knoten angreifen. Wegen N k x k, y k =1 und N l x k, y k =0 für gilt daher: ]=[ l k F 1 x F 2 x ] [ F ]= [ N m ] T [ F me ]= [ N x k, y k ] T [ F ke m k F nx F ny Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
17 4.2 Methode der finiten Elemente Berechnung der Integrale: Die Integrale lassen sich als Summe der Integrale über die finiten Elemente berechnen: [ v ] T V [ v ] T R [ B ] T [C ] [ B ] dv [u ]= E [ N ] T [q e ] dr= E [ v ] T V E [ B ] T [C ] [ B ] dv [ u ] [ v ] T R E [ N ] T [q e ] dr [ v ] T V [ N ] T [ f e ] dv = E [ v ] T V E [ N ] T [ f e ] dv Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
18 4.2 Methode der finiten Elemente Innerhalb eines Elementes gilt: [ N x, y ] [u ]=[ N E x, y ] [u E ]=[ N E x, y ] [a E ] [u ] [ B x, y ] [u ]=[ x, y ]=[ B E x, y ] [u E ]=[ B E x, y ] [a E ] [u ] mit [ B E ]=[ xy ] [ N E ] [ N ] [ v ]=[ N E ] [a E ] [ v ], [ B ] [ v ]=[ B E ] [a E ] [ v ] Wie beim Fachwerk extrahiert die Matrix [a E ] die Matrix mit den Verschiebungen an den Elementknoten aus der Matrix mit den Verschiebungen an allen Knoten. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
19 4.2 Methode der finiten Elemente Für die Integrale folgt: [ v ] T V [ B ] T [C ] [ B ] dv [ u ]=[ v ] T E [a E ] T V E [ B E ] T [C ] [ B E ]dv [a E ] [ u ] [ v ] T R [ N ] T [q e ] dr=[ v ] T E [a E ] T R E [ N E ] T [q e ] dr [ v ] T V [ N ] T [ f e ]dv = [ v ] T E [a E ] V E [ N E ] T [ f e ] dv Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
20 4.2 Methode der finiten Elemente Mit den Element-Steifigkeitsmatrizen [ k E ]= V E [ B E ] T [C ] [ B E ] dv und den Element-Lastmatrizen [q E ]= [ N E ] T [q e ] dr und [ f E ]= R E gilt für die System-Matrizen: V E [ N E ] T [ f e ] dv [ K ]= E [a E ] T [ k E ] [a E ], [ q ]= E [a E ] T [q E ], [ f ]= E [a E ] T [ f E ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
21 4.2 Methode der finiten Elemente Berechnungsablauf: Berechnung der Element-Matrizen: Assemblierung der System-Matrizen [ k E ], [q E ], [ f E ] Partitionierung des Gleichungssystems entsprechend der Randbedingungen: [ [ K ff ] [ K fs ] [ K fs ] T [ K ss ] ][ [ u f ] [0] ] = [ [ F f ] [ F s ] ] [ [ q f ] [ q s ] ] [ [ f f ] Auflösen des Gleichungssystems nach und Berechnung der Dehnungen und Spannungen in den Elementen: [ E ]=[ B E ] [u E ], [ E ]=[C ] [ E ] [ f s ] ] [u f ] [ F s ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
22 Gleichgewicht: 4.2 Methode der finiten Elemente Die Interpolationsfunktionen müssen so gewählt werden, dass Starrkörperbewegungen exakt abgebildet werden können. Dann sind die Gleichgewichtsbedingungen für die frei geschnittene Gesamtstruktur sowie für jedes frei geschnittene finite Element erfüllt. Das lokale Gleichgewicht am infinitesimalen Element ist in der Regel nicht erfüllt. Bei statisch unbestimmten Systemen sind die einzelnen Lagerreaktionen nicht exakt. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
23 4.2 Methode der finiten Elemente Eigenschaften der Näherung: Durch die Vorgabe der Ansatzfunktionen wird die Bewegungsmöglichkeit der Struktur eingeschränkt. Es sind nur Bewegungen möglich, die durch die Ansatzfunktionen beschrieben werden können. Durch diese Einschränkung der Bewegungsmöglichkeit wird die Struktur versteift. Bei der klassischen Methode der finiten Elemente ist das diskrete Finite-Elemente-Modell daher steifer als die tatsächliche Struktur. Verschiebungen sind betragsmäßig kleiner als der exakte Wert. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
24 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Aufgabenstellung: A x L f Der Stab der Länge L ist im Punkt A fest eingespannt. Er wird durch die konstante Volumenkraft f belastet. B u B Gesucht: Verlauf der Verschiebung und der Spannung Daten: Länge L = 1m Querschnittsfläche A = 25mm 2 Elastizitätsmodul E = N/mm 2 Volumenkraft f = 7, N/mm 3 Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
25 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Exakte Lösung: Aus der Festigkeitslehre ist bekannt: u x = f L2 2 E x L 2 x L, u B= f L2 2 E, x = f L 1 x L Zahlenwerte: u B = 7, N /mm mm 2 2 2, N /mm 2 0 = f L=0,75 N /mm 2 =1, mm Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
26 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Stabelement: Verschiebungsansatz: u x E = 1 x E L E Matrix-Darstellung: u 1 x E L E u 2 L E 1 2 x E u x E =[ 1 x E L E x E L E ][ u 1 u 2] = [ N E x E ] [u E ] Starrkörperbewegung: Translation in x-richtung u 1 =u 2 =u 0 u x E =u 0 Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
27 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Verzerrungs-Verschiebungs-Transformationsmatrix: = du dx E Steifigkeitsmatrix: [ B E ]= d dx E [ N E ]= 1 L E [ 1 1 ] [ k E ]= [ B E ] T L E [C ] [ B E 1 ] dv = [ V E 0 L E = EA L E [ 1 1 ] ] E 1 L E [ 1 1 ] A dx E Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
28 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Lastmatrix: [ f E ]= [ N E ] T L E f dv = V E 0 [1 x E L E x E L E ] f Adx E= f A[ [ 2 x x E E 2 L E ]x E =0 [ x E 2 2 L E ]x E =0 x E =L E ] x E = L E = 1 2 f A L E[ 1 1] = 1 2 f V E[ 1 1] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
29 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Lösung mit 1 Element: Steifigkeitsmatrix: L E =L L 1 2 [ K ]= EA L [ ] =5250 N /mm [ ] [ K ff ]=[ K 22 ]=[5250 ] N /mm Lastmatrix: [ f ]= 1 2 f A L [ 1 1] =9,375 N [ 1 1], [ f f ]=[ f 2 ]=[9,375 ] N Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
30 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Verschiebungen: u 1 =0, u 2 = f 2 = 9,375 N K N /mm =1, mm Spannung: =E =E [ B E ] [u E ]= =0,375 N /mm N /mm mm [ 1 1 ] [ 0 mm 1, ] Die Spannung ist konstant. Das lokale Gleichgewicht ist nicht erfüllt: d dx f = f 0 Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
31 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Bewertung: Die Verschiebung für Punkt B ist exakt. Die berechnete Spannung stimmt mit der Spannung an der Stelle x = L/2 überein. Die Verläufe werden nicht korrekt wiedergegeben. Lösung mit 4 Elementen: L E =L/ 4 L Steifigkeitsmatrizen der Elemente: [ k E ]=4 EA L [ ] =21000 N /mm [ ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
32 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Lastmatrizen der Elemente: [ f E ]= 1 8 f A L [ 1 1] =2,34375 N [ 1 1] Steifigkeitsmatrix der Struktur: [ K ]=21000 N /mm[ ] Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
33 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Lastmatrix der Struktur: Partitionierung: [ f ]=2,34375 N [1 1] [ K ff ]=21000 N /mm[ ] , [ f f ]=2,34375 N [2 1] 2 2 Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
34 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Gleichungssystem: [ u ][u u 4 u 5]=1, ] 4 mm[2 2 2 Verschiebungen: [u2 u 3 1,3392 u 4 1,6741 u 5]=[0,7813 1,7857]10 3 mm Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
35 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Spannungen: Die Spannung ist in jedem Element konstant: 1 =0,65625 N /mm 2, 2 =0,46875 N /mm 2 3 =0,28125 N /mm 2, 4 =0,09375 N /mm 2 Die Abbildungen auf der nächsten Seite zeigen: Die Verschiebungen an den Knoten stimmen mit den exakten Verschiebungen überein. Die Spannungen stimmen mit den exakten Spannungen in der Mitte der Elemente überein. Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
36 4.3 Beispiel: Stab mit Volumenkraft Verschiebung: Spannung: Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM
3. Das Gleichungssystem
Lagerung: Damit das Fachwerk Kräfte aufnehmen kann, muss es gelagert werden, Die Lagerung muss so beschaffen sein, dass keine Starrkörperbewegungen oder Mechanismen mehr möglich sind. Die Verschiebungen
Mehr2. Die Steifigkeitsmatrix
. Die Steifigkeitsmatrix Freiheitsgrade der Gesamtstruktur: Bei einem ebenen Fachwerk hat jeder Knoten zwei Freiheitsgrade, nämlich die Verschiebungen u x und u y, zu denen die Kräfte F x und F y gehören.
Mehr1. Das Stabelement. Prof. Dr. Wandinger 1. Fachwerke FEM L x E u 1. u 2
Ein Fachwerk besteht aus einzelnen Stäben, die in den Knoten gelenkig miteinander verbunden sind. Für jeden Stab besteht eine lineare Beziehung zwischen den Verschiebungen seiner Knoten und den Kräften
Mehr3. Das Prinzip der virtuellen Arbeit
3.1 Stab 3.2 Scheibe 3. Das Prinzip der virtuellen Arbeit Prof. Dr. Wandinger 3. Prinzip der virtuellen Arbeit FEM 3.3-1 3.1 Stab Herleitung des Prinzips der virtuellen Arbeit: Am Stab greifen als äußere
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