• Nie Znaleziono Wyników

FEM analysis of plates and shells

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "FEM analysis of plates and shells"

Copied!
17
0
0

Pełen tekst

(1)

FEM analysis of plates and shells

Jerzy Pamin e-mail: JPamin@L5.pk.edu.pl

With thanks to:

M. Radwańska, A. Wosatko

ANSYS, Inc. http://www.ansys.com

(2)

Lecture contents

Classification of models and finite elements

Finite elements for plate bending

Finite elements for shells

Theory of moderately large deflections

[1] T. Kolendowicz Mechanika budowli dla architektów. Arkady, Warszawa, 1996.

[2] G. Rakowski, Z. Kacprzyk. Metoda elementow skończonych w mechanice kostrukcji. Oficyna Wyd. PW, Warszawa, 2005.

[3] M. Radwańska. Ustroje powierzchniowe, podstawy teoretyczne oraz rozwiązania analityczne i numeryczne. Wydawnictwo PK, Kraków, 2009.

(3)

Classification of models and finite elements

Reduction of model dimensions:

I bar structures (one-dimensional geometry)

I surface structures (small third dimension)

I volume structures (three-dimensional)

Finite elements for mechanics:

I 1D - truss (kratowy)

I 1.5D - beam (belkowy), frame (ramowy)

I 2D - plane stress - panel (PSN), plane strain (PSO), axial symmetry (symetria osiowa)

I 2.5D - plate/slab (płytowy), shell (powłokowy)

I 3D - volume (bryłowy)

(4)

Plate/slab - 2.5D structure [1]

Bending Transverse shear Torsion

Figures from [1]

(5)

Shell - 2.5D structure

Figures from [1]

ANSYS simulation:

Shell deflection under constant load

(6)

Plate in bending

Fundamental unknown:

deflection w (x , y )

Figures taken from [2] Generalized stresses

(7)

Bending - generalized strains and stresses

Thin plate theory of Kirchhoff-Love

Curvatures and twist (spaczenie) em= {κx, κy, κxy}

Bending and torsional moments m = {mx, my, mxy}

Figures taken from [2]

(8)

Rectangular element for plate bending

Nodal degrees of freedom and forces

Hermite shape functions Figures from [2]

Be careful with imposing boundary conditions (kinematic and/or static)

(9)

Geometry of shell

Figures taken from [2]

(10)

Shell - generalized stresses

Stresses in shell cross-section Figures taken from [2]

Membrane and bending forces (transverse shear neglected)

(11)

Finite elements for plates and shells

Reissner-Mindlin theory of moderately thick shells

Rotation angles

approximated independently

Ahmad finite element - degenerated continuum

Transverse shear taken into account Figures from [2]

(12)

Geometrical nonlinearity

Equilibrium of discretized system [3]:

K ∆d = fextt+∆t− fintt

where tangent stiffness matrix:

K = K0+Ku+Kσ

K0- linear stiffness matrix Ku - initial displacement matrix

(discrete kinematic relations matrix B dependent on displacements) Kσ - initial stress matrix (dependent on generalized stresses)

(13)

Karman theory of moderately large deflections

Deflection of the order of thickness admitted [3]

Medium plane deflections εx = εLx+ εNx =∂u∂x +12 ∂w∂x2 εy = εLy + εNy = ∂v∂y +12

∂w

∂y

2

γxy = γxyL + γxyN = ∂u∂y +∂v∂x +∂w∂x ∂w∂y Curvatures and twist as in linear theory

κx = κLx = −∂x2w2, κy = κLy = −∂y2w2, χxy = χLxy = −2∂x ∂y2w

Two equations of Karman theory for moderately large plate deflections

22F (x , y ) + Eh2L(w , w ) = 0 Dm22w (x , y ) − L(w , F ) − ˆpz= 0 where:

F (x , y ) - stress function (nx = F,yy, ny = F,xx, nxy = −F,xy) L(a, b) = a,xxb,yy− 2a,xyb,xy+ a,yyb,xx

(14)

Theory of moderately large deflections

FEM approximation [3]

Total potential energy (additional membrane state energy) Π˜m= Um+ ˜Un− Wm

Discretization

un=

 u(x , y ) v (x , y )



=

 Nu 0 Nv 0

  dn dm



wm= [w (x , y )] =

0 Nw



 dn dm



Nonlinear kinematic equations B(6×LSSE )= BL(6×LSSE )+ BN(6×LSSE )

BL(6×LSSE )=

 Bn 0 0 Bm



, BN(6×LSSE )=

 0 Bnw 0 0



(15)

Theory of moderately large deflections

FEM approximation [3]

Matrices of discrete kinematic relations

Bn=

Nu,x Nv ,y Nu,y+ Nv ,x

, Bm=

−Nw ,xx

−Nw ,yy

−2Nw ,xy

Bnw =

w,xNw ,x

w,yNw ,y

w,xNw ,y + w,yNw ,x

Deflection gradients

g =

 w,x

w,y



=

 Nw ,x

Nw ,y



dm= Gmdm

(16)

Theory of moderately large deflections

FEM approximation [3]

Element tangent stiffness keT = ke0+ keu+ keσ

ke0= Z Z

Ae

 BnTDnBn 0 0 BmTDmBm

 dA

keu= Z Z

Ae

 0 BnTDnBnw BnTw DnBn 0

 dA

keσ= Z Z

Ae

 0 0

0 GmTSnGm



dA, Sn=

 nx nxy nxy ny



Vector of nodal forces representing stresses

finte = Z Z

Ae

 BnT 0 BnTw BmT

  Sn Sm

 dA

(17)

Square plate [3]

Moderately large rotations

ˆ pz

x

z, w y

a

a C

Dane:

L = Lx = Ly = 2a = 1.0 m h = 0.002 m

E = 200000 MPa, ν = 0.25

Relation deflection-loading:

0.001 0.003

0.30

0.15

0.002

wC [m]

ˆ pz [kPa]

FEM

(geometrical nonlinearity)

wC= 0.00406ˆpzDL4 linear solution:

Cytaty

Powiązane dokumenty

Udział we władzach gminnych przynosił wiele mniej lub bardziej wymiernych korzyś­ ci. Dawał możliwość wyznaczania polityki gminy i kontrolowania jej mieszkańców.

Ireneusza nie doczekała się osobnego większego opracowania, aczkolwiek w wielu leksykonach, antologiach, czy podręcznikach patrystycznych, z których Tomasz Dekert

8 Wniosek - Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady zmieniająca dyrektywę 2003/ 9SVWE w sprawie ponownego wykorzystywania informacji sektora publicznego Bruksela,

Szczególnie wyraźnie uwydatnia się redukcja częściowego bez­ robocia w II półroczu 1933 r. Korzystną również zmianą jest zmniejszanie się w obrębie częściowo

The analytical constant modulus algorithm (ACMA) is a determin- istic array processing algorithm to separate sources based on their constant modulus.. It has been derived

Voor het flexibele deel moet er een keuze worden gemaakt tussen het uitvoeren van transport in het beschouwde tijdvenster of het uitstellen ervan naar een volgend tijdvenster.. Voor

Dookreślając zależność czynów od woli, Arystoteles pisze, że „(...) zależne od woli zdaje się być to, czego przyczyna tkwi w samym dzia­ łającym podmiocie, zdającym

N ato m iast w kenotafium Tarły sens m eta­ foryczny drzwi staw ał się jedynie punktem wyjścia szerszego przesłania, które przedstaw iało się n astępu­ jąco: