Bernoulli-balken er et sentralt element i strukturell analyse og brukes til å modellere bøyning i balkestrukturer. Beregningen av stivhetsmatrisen for et Bernoulli-balkelement er essensiell for å forstå de elastiske egenskapene til en struktur under belastning. Denne prosessen krever en grundig forståelse av både analytisk og numerisk integrasjon, samt transformasjoner av formfunksjoner. I denne teksten gjennomgås hvordan stivhetsmatrisen for et Bernoulli-balkelement kan beregnes, og hva som skjer når man bruker numeriske metoder i stedet for analytiske metoder.
Formelen for stivhetsmatrisen til et Bernoulli-balkelement kan utledes ved å analysere de deriverte som er introdusert i den relevante ligningen. Etter analytisk integrasjon av polynomene får man den elementære stivhetsmatrisen som:
Denne matrisen representerer stivheten til balken i et system der bøyning og torskeforhold spiller en viktig rolle. Beregningene for stivhetsmatrisen som utføres analytisk, er imidlertid ikke alltid mulige i kommersielle finite element programmer, som ofte benytter tradisjonelle programmeringsspråk som Fortran. I slike tilfeller benyttes numerisk integrasjon, for eksempel Gauss-Legendre kvadratur.
Formfunksjonene, som beskriver de elastiske deformasjonene i balken, blir deretter transformert fra de kartesiske koordinatene til de naturlige koordinatene . Denne transformasjonen er viktig for å kunne implementere integrasjonsreglene i numerisk format. De resulterende formfunksjonene for forskyvning og rotasjon er gitt ved:
Ved å bruke disse formfunksjonene, kan de nødvendige andrederiverte for og enkelt beregnes, som for eksempel:
Disse deriverte kan deretter brukes i de relevante ligningene for stivheten til balken. Videre, gjennom numerisk integrasjon med Gauss-Legendre kvadratur, kan den samlede stivhetsmatrisen beregnes med høy presisjon, noe som gir det samme resultatet som analytisk integrasjon i idealiserte tilfeller.
I tillegg til stivhetsmatrisen, er det også nødvendig å beregne lastmatrisen for balkeelementet. Dette involverer integrasjon av de eksterne belastningene som virker på strukturen. Eksempelvis, når det er konstante belastninger, kan lastmatrisen uttrykkes som en integral av formfunksjonene multiplisert med belastningen:
Her vil representere de ytre belastningene som virker på balken, og integrasjonen gir et uttrykk for de tilsvarende ekvivalente nodale lastene. Når lastene er fordelt langs balken, kan metoden for beregning av lastmatrisen tilpasses til ulike typer belastningsfordelinger, inkludert konstante og varierende belastninger.
Den generelle finite element-ligningen for et Bernoulli-balkelement med konstant bøyningsstivhet kan skrives som:
hvor er forskyvningen og rotasjonen ved nodene. Denne ligningen kan deretter brukes i strukturelle analyser for å beregne hvordan balken reagerer på eksterne belastninger og hvordan den vil deformeres under disse belastningene.
Det er viktig å merke seg at i den finite element-metoden kan enhver type last bare introduseres i nodene til den diskretiserte strukturen. Dermed må lastene som virker kontinuerlig på balken, transformeres til ekvivalente nodale krefter ved hjelp av den ovennevnte integralformen. Dette gjør det mulig å håndtere komplekse belastningsforhold ved å bruke relativt enkle numeriske metoder.
En annen viktig komponent i analysen er beregningen av de interne reaksjonene, som skjærkrefter og bøyemomenter . Disse reaksjonene kan finnes ved å analysere deformasjonene og de resulterende kreftene som virker på balken. For eksterne laster som påføres ved endene av balken, kan de interne kreftene bestemmes ved å reversere fortegnene ved den venstre grensen, mens de positive retningene for de interne reaksjonene opprettholdes ved høyre grense.
Å forstå denne matematiske strukturen og numeriske tilnærmingen er viktig for at leseren skal kunne bruke Bernoulli-balkelementet effektivt i finite element-metoden. Ved å mestre de nødvendige transformasjonene, integrasjonene og tolkningene av lastmatrisene, kan man modellere og analysere komplekse strukturelle systemer på en presis og effektiv måte.
Hvordan bruke metoden for endelige differenser i elastiske bjelker
Metoden for endelige differenser er et viktig verktøy i numerisk analyse, spesielt når det gjelder å løse differensialligninger som beskriver elastiske bjelkers atferd under belastning. Ved å bruke en diskret tilnærming kan vi omforme kontinuerlige problemstillinger til et sett med algebraiske ligninger, som deretter kan løses ved hjelp av numeriske metoder. Denne tilnærmingen er spesielt nyttig for å analysere strukturer som bjelker, hvor forskjellige belastninger og støtteforhold kan føre til kompleks bøyning.
I metoden for endelige differenser er det essensielt å approximere de deriverte som finnes i de opprinnelige differensialligningene. For eksempel, en fjerde ordens differensiallikning som beskriver bøyning av en Bernoulli-bjelke kan tilnærmes med en finitt differenseskjema. Dette innebærer at vi for hvert punkt (node) på bjelken setter opp en ligning som relaterer forskyvningen i noder med nabolagspunktene.
For en Bernoulli-bjelke som er lastet med en variabel distribuert belastning , kan den relevante differensialligningen være:
Der er Youngs modul og er bjelkens andre moment av arealet, som representerer dens stivhet. Denne ligningen kan deretter tilnærmes ved hjelp av et sentrert differenseskjema, hvor den andre deriverte blir tilnærmet ved:
Når dette utvides til den fjerde deriverte, får vi en ligning som inneholder de fysiske parameterne og nabolagsnoder på bjelken. Dette gir et system med lineære ligninger som kan løses numerisk.
Når vi vurderer spesifikke tilstander for bjelken, som for eksempel en bjelke som er støttet på begge ender eller en kantbjelke, endres grensebetingelsene. For eksempel, i et system med en fritt endepunkt, kan momentet ved enden av bjelken settes til null, som fører til ytterligere forenklinger i systemet av ligninger.
Ved hjelp av denne tilnærmingen kan vi beregne forskyvningene i de ulike nodene og analysere hvordan bjelken reagerer på påførte laster. Et eksempel på dette kan være en Bernoulli-bjelke med en enkel kraft på midten (for en støttet bjelke) eller på enden (for en kantbjelke). Ved å bruke et passende finitt differenseskjema kan vi estimere forskyvningene i disse punktene.
For eksempel, for en støttet bjelke som er lastet i midten, kan vi sette opp følgende ligninger for noder 2, 3 og 4 i en 5-punkts diskretisering:
-
Node 2:
-
Node 3:
-
Node 4:
Ved å bruke de passende grensebetingelsene, kan vi løse dette systemet og finne forskyvningene ved de ulike nodene.
En annen viktig del av metoden for endelige differenser er håndteringen av distribuerte laster. Den ekvivalente nodale kraften som følger av en distribuert belastning kan beregnes ved hjelp av et integralskjema, og for grensenoder (som de ved endene) må spesifikke tilpasninger gjøres for å fordele lasten riktig.
For å oppsummere, gir metoden for endelige differenser en effektiv måte å analysere bjelkers respons på eksterne belastninger ved å bruke diskretisering av kontinuerlige problemstillinger. Den viktigste fordelen med denne metoden er dens evne til å håndtere komplekse belastninger og støtteforhold som kan være vanskelige å løse analytisk. Selv om denne tilnærmingen gir et godt overslag over løsningen, er det viktig å være klar over feilkilder, spesielt når det gjelder valg av gridstørrelse og tilnærmingen til differensiering. Feilene kan minimeres ved å bruke en tilstrekkelig fin diskretisering og nøye tilpasning av grensebetingelsene.
Hvordan Finite Difference-metoden kan Anvendes på Bjelker med Variabel Bøyestivhet
Finite Difference-metoden er en essensiell teknikk i numerisk beregning, særlig i studiet av bjelker som utsettes for forskjellige typer laster og har varierende materialegenskaper. Når en bjelke har en bøyningsstivhet som endrer seg langs lengden, er det spesielt viktig å bruke metoder som kan håndtere disse variasjonene nøyaktig. I dette avsnittet undersøkes en enkel støttet Bernoulli-bjelke med en bøyningsstivhet som varierer langs lengden, og hvordan den kan analyseres ved hjelp av Finite Difference-metoden.
Anta at en Bernoulli-bjelke med lengde har en bøyningsstivhet , der er materialets Youngs modul, er bjelkens tverrsnitts moment av treghet, og er den langsiktige koordinaten på bjelken. Bjelken er utsatt for bøyningsmomenter på begge ender.
Finite Difference-metoden innebærer å dele bjelkens lengde opp i flere noder, og ved å bruke et sett med differensialligninger kan den vertikale forskyvningen bestemmes. I dette tilfellet brukes fem ekvidistante noder med en avstand for approksimasjonen. Den relevante differensialligningen for bøyingen av bjelken er gitt ved:
der er det påførte momentet. Denne differensialligningen gir oss en måte å bestemme forskyvningen på ulike steder langs bjelken, og ved å bruke denne metoden kan vi få en numerisk løsning for forskyvningen ved midten av bjelken, , og også sammenligne denne med den analytiske løsningen for å vurdere feilmarginen.
Ved å sammenligne den numeriske løsningen med den analytiske, kan vi også beregne den relative feilen, som gir et mål for nøyaktigheten av Finite Difference-tilnærmingen. Det er viktig å merke seg at nøyaktigheten kan forbedres ved å bruke flere noder (f.eks. ved å øke antall noder fra fem til et høyere antall som 13 eller 17), noe som vil redusere den numeriske feilen betydelig.
Det er også viktig å forstå hvordan Finite Difference-metoden fungerer når det gjelder mer komplekse bjelkekonfigurasjoner, som bjelker som er festet i begge ender. I tilfelle av en Timoshenko-bjelke, som har en mer kompleks belastning og bøyemodul, vil metoden fortsatt være anvendbar, men det vil være nødvendig å bruke flere noder og gjøre flere beregninger for å oppnå en nøyaktig løsning. Ved å bruke flere noder, for eksempel i stedet for , kan man oppnå bedre konvergens og dermed mer pålitelige resultater.
En annen viktig observasjon er hvordan nøyaktigheten forbedres når flere noder benyttes i analysen. Dette kan visualiseres grafisk ved å plotte den relative feilen som en funksjon av antallet noder. For eksempel, ved å bruke 5, 13, 23, 33, 53, 73 og 103 noder, kan man studere hvordan feilen avtar etter hvert som flere noder benyttes, og dermed få en bedre forståelse av hvordan metoden konvergerer til den eksakte løsningen.
I de tilfellene der man arbeider med mer komplekse bjelketyper, som en cantilever-bjelke eller en Timoshenko-bjelke med forskjellige belastningsforhold, er det viktig å bruke en differensialapproksimasjon som tar hensyn til både bøyningsmoment og skjærkraft ved grensebetingelsene. For eksempel, ved å benytte bakover-differensiale metoder eller sentrerte differensiale metoder, kan man effektivt håndtere både skjær- og bøyningsdeformasjoner samtidig.
I praksis er det derfor viktig å være oppmerksom på at flere faktorer påvirker nøyaktigheten av resultatene, inkludert valg av antall noder, typer differensialmetoder og hvilken type bjelke eller last som analyseres. Jo mer nøyaktig man kan modellere materialegenskapene og belastningene, desto mer presise vil de numeriske løsningene bli.
Når det gjelder spesifikke teknikker for forbedring av løsningens nøyaktighet, kan man bruke tilnærminger som inkluderer høyere ordens differensialmetoder for bedre presisjon ved grensebetingelsene eller ved å kombinere forskjellige tilnærminger for å evaluere både bøynings- og skjærkrefter på en effektiv måte. Dette er et viktig aspekt ved numerisk analyse som krever både teoretisk forståelse og praktisk erfaring med de ulike metodene og teknikkene som finnes tilgjengelige i Finite Difference-rammeverket.
Det er også nødvendig å gjøre en grundig vurdering av lastens innvirkning på bjelken, spesielt når bjelken er under konstant last eller når momentene på endene varierer. Når man ser på elasto-plastiske materialegenskaper, bør man ta hensyn til hvordan deformasjonen endres med forskjellige lagstrukturer og hvordan disse kan påvirke den endelige forskyvningen og stressfordelingen i materialet.
Hvordan beregne og bruke kroppskraftmatrisen i det generelle tre-dimensjonale tilfelle?
For å forstå hvordan kroppskraftmatrisen fungerer i sammenhengen med de mekaniske analysene av materialer og strukturer, er det viktig å først definere hvordan de ulike komponentene i matrisene spiller sammen. I utgangspunktet består den høyre delen av den svake utsagnet, som inneholder kroppskraftmatrisen, av en rekke kropps- og belastningskrefter som virker på elementene i en struktur.
La oss begynne med å vurdere det spesifikke tilfellet hvor alle elementene i kolonnematrisen for kroppskrefter er konstante, for eksempel . Dette resulterer i en generell formel for kroppskraftmatrisen, hvor den integrerte vekten av krefter er fordelt på elementene, gitt at de er knyttet til et sett av formfunksjoner. For en hexaedrisk element, som i dette tilfellet, vil integrasjonen over de forskjellige formfunksjonene være avgjørende for å finne de ekvivalente nodale lastene.
Når vi integrerer over de enkelte formfunksjonene, vil vi bruke en numerisk tilnærming som involverer koordinattransformasjon for å utføre integrasjonen. En vanlig metode for numerisk integrasjon er Gauss-Legendre kvadratur, som muliggjør en presis tilnærming for volumintegrasjonene som oppstår når krefter som virker på elementer beregnes.
For eksempel, i tilfelle hvor elementene er organisert i et hexaedrisk gitter, kan den totale kroppsreaksjonen til hvert element beregnes som et produkt av kroppsbelastningen og volumberegningen , som deretter fordeles jevnt på nodene, basert på antall noder i elementet. Dette er en enkel, men kraftig tilnærming for å forstå hvordan krefter distribueres gjennom et gitt system.
I tilfelle av et regelmessig hexaedrisk element, som en kube med kantlengde , kan den integrerte formen for krefter og den nødvendige koordinattransformasjonen for å gjøre om til det kartesiske koordinatsystemet være relativt rett frem. For denne spesifikke geometrien er Jacobianen for integrasjonen , noe som forenkler beregningen betraktelig.
For å beregne de ekvivalente nodale kreftene i dette tilfellet, benyttes en åtte-punkts Gauss-Legendre kvadratur, som gir en presis tilnærming av integrasjonen. Dette innebærer at integrasjonen utføres ved å vekte hvert element med passende vekter , som er spesielt valgt for å gi best mulig nøyaktighet ved evalueringen av integralen.
Det er viktig å merke seg at den samme tilnærmingen kan benyttes ved analytisk integrasjon, spesielt når elementene har enkel symmetri. Dette krever at man uttrykker formfunksjonene i et kartesisk koordinatsystem og deretter evaluerer integrasjonene direkte. For en kube med kantlengde innebærer dette å integrere over det spesifikke området av elementet ved hjelp av de gitte formfunksjonene.
Et annet viktig aspekt ved denne typen analyse er håndteringen av plastisk deformasjon, som krever spesifikke numeriske metoder for å bestemme hvordan materialets tilstand endrer seg under belastning. For å finne løsningen i slike tilfeller, anvendes ofte fullstendig implisitt bakover-Euler-algoritme for isotrop hardening. Denne metoden forutsetter at alle plastiske endringer i materialet kan beregnes ut fra den tidligere tilstanden og den påførte lasten. Beregningen involverer iterasjoner som søker etter løsningen der både de elastiske og plastiske komponentene i stressen og hardingens variabler er i balanse.
En av de viktige forskjellene mellom elastisk og plastisk respons i materialer er måten hardingsparametrene utvikler seg på. Disse parametrene, som for eksempel den isotrope hardingen og de kinamatiske parameterne , kan bidra til å modellere den langsiktige endringen i materialets ytelse under pågående belastning.
Den numeriske integrasjonen for plastisk analyse innebærer at man evaluerer stressen og hardingen ved hvert trinn i belastningen, og korrigerer for eventuelle avvik fra den elastiske tilstanden. Dette gjøres ved hjelp av den implisitte bakover-Euler-algoritmen, som itererer for å finne den endelige tilstanden av stress og harding ved hvert belastningstrinn.
For den praktiske bruken av disse teknikkene, er det viktig å forstå hvordan de kan tilpasses for forskjellige geometriske former og belastningsforhold, samt hvordan nøyaktigheten av den numeriske tilnærmingen kan påvirkes av valg av integrasjonspunkter og kvadraturmetoder. I tillegg er det nødvendig å vurdere hvordan ulike materialmodeller, inkludert viskoelastiske og plastiske materialer, kan tilpasses i en numerisk analyse for å oppnå realistiske resultater for både små og store belastninger.
Hvordan endringer i lastbelastning, reversert belastning og syklisk belastning påvirker plastisk deformasjon og skadeutvikling i materialer
I forrige kapitler ble det hovedsakelig tatt for seg monotone laster, både i strekk- og kompresjonsområdene. Nå skal vi kort se på tilfellene der lastretningen kan endres, slik som under tøyning og reversert belastning. Figur 2.9a viser et tilfelle med elastisk belastning (0 → 1) og elastisk-plastisk belastning (1 → 2), etterfulgt av elastisk avlasting (2 → 3) og elastisk omlasting (3 → 2). I tilfelle som vises i figur 2.9b, skjer elastisk avlasting (2 → 3), etterfulgt av reversert belastning (3 → 4). En viktig egenskap ved slike lastforløp er at avlastingsfasen (2 → 3) kan beskrives ved hjelp av Hookes lov, som uttrykkes i ligning (2.3).
Videre ser vi på syklisk belastning, hvor et prøvemedium utsattes for varierende belastninger, som illustrert i figur 2.10. I denne konteksten er det flere viktige stress-begreper å forstå. Stressområdet Δσ er forskjellen mellom maksimums- og minimumspenningen, Δσ = σmax − σmin. Stressamplituden σa er halvparten av stressområdet: σa = Δσ/2. Stressforholdet R, ofte brukt for å karakterisere belastningsnivået i sykliske tester, defineres som R = σmin / σmax. Verdien R = -1 beskriver en fullt reversert lastsyklus, R = 1 representerer statisk belastning, mens R = 0 refererer til en tilstand hvor den gjennomsnittlige stressen er positiv og lik stressamplituden.
Sykliske tester benyttes ofte for å bestemme utmattingslevetiden til komponenter og strukturer. I slike tester finner man kritiske nivåer av spenning som materialet kan håndtere over tid, før det når et bruddpunkt på grunn av gradvis skadeutvikling. For å forstå materialets oppførsel under slike belastninger, er det viktig å analysere hvordan de elastiske og plastiske komponentene av responsen samhandler i syklisk belastning.
I tillegg til belastning og avlastning er utviklingen av skade en viktig aspekt ved materialets oppførsel under slike forhold. Lemaitres skade modell, som oppsummerer begrepene bak duktil skade, er sentral for forståelsen av materialer som gjennomgår plastisk deformasjon. Modellen antar at et materiale, etter hvert som det deformeres, utvikler mikrosprekkdannelse og hulrom som svekker materialets mekaniske egenskaper.
For en ideell uniaxial strekkprøve, der materialet kun deformeres i sin lengderetning, kan skadebeskrivelsen settes opp ved hjelp av en skadevariabel D. Denne skadevariabelen kan uttrykkes som forholdet mellom den totale tverrsnittsarealet og arealet som er påvirket av mikrosprekker og hulrom, og den defineres som:
Etter hvert som materialet utsettes for plastisk deformasjon, vil effekten av skade føre til en reduksjon i materialets elastiske egenskaper. Dette kan uttrykkes ved en effektiv stress, der den effektive stressen er relatert til den vanlige stressen gjennom skadevariabelen D:
Når materialet er i et skade-tilstand, kan dette uttrykkes ved en modifisert versjon av Hookes lov, hvor materialets stivhet påvirkes av skadeprogresjonen. Den elastiske modulus for et skadet materiale kan uttrykkes som:
Lemaitre-modellen gir en strukturert tilnærming til hvordan skaden utvikler seg i et materiale under belastning, og hvordan dette kan kvantifiseres. Modellen introduserer en evolusjonsligning for skadevariabelen D, som tar hensyn til materialets respons på plastiske deformasjoner og påfølgende skadeutvikling. Denne modellen brukes for å forutsi levetiden til materialer under varierende belastning, og gir en matematisk ramme for å forstå hvordan mikrosprekker og hulrom påvirker materialets mekaniske integritet.
Det er også viktig å forstå at skadeutviklingen i et materiale under belastning ikke alltid er lineær, og avhenger sterkt av faktorer som belastningstype, materialets mikroskopiske struktur og temperatur. Derfor er det nødvendig å utføre omfattende tester og målinger under forskjellige forhold for å få en nøyaktig modell for skadeutvikling. Skadevariasjoner kan føre til en betydelig svekkelse i materialets ytelse, og kan forårsake tidlige feil i komponenter som er utsatt for dynamiske eller vekslende belastninger.
I tillegg til det tekniske grunnlaget for skadebeskrivelse, er det viktig å merke seg at teoriene om plastisitet og skadeutvikling, som Lemaitre-modellen, er forankret i de grunnleggende prinsippene for kontinuerlig mekanikk. En grundig forståelse av de elastiske og plastiske aspektene ved materialers oppførsel, samt hvordan disse prosessene interagerer med skadeutvikling, er avgjørende for design og analyse av strukturer og komponenter som er utsatt for varierende og sykliske belastninger.

Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский