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Numerische Simulation – Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005 Finite element discretisation finite difference and finite difference and finite element finite element discretisation discretisation by Christian Maier
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Numerische Simulation – Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005 Finite element discretisation finite difference and finite element discretisation.

Mar 28, 2015

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Sophia McCall
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Numerische Simulation – Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

Finite element discretisation

finite difference andfinite difference andfinite element finite element discretisationdiscretisation

by

Christian Maier

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Christian Maier 2

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

table of contents

• introduction

• method of FDM

• method of FEM

• lattice

• technical applications

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Christian Maier 3

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

Arbour with torque transfer

D=40mm

T=250Nm

1 2

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Christian Maier 4

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

Arbour with torque transfer

• calculation of the mechanical stress and safety

• drag torsional moment

• shering stress

tW

Tmax

333

37,1256616

*40

16

*mm

mmdWt

2max 89,19mm

N

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Christian Maier 5

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

Arbour with torque transfer

• definition of safety

• determination of the material stress

• safety number

max tBS

22203350*58,0*

mm

N

mm

NRf mtB

20,10S

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Christian Maier 6

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

Arbour with torque transfer

• not considered details:

– dynamic influences

– surface quality (roughness)

– notch sensifity

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Christian Maier 7

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

Complex problem

How can this problem be solved analytically in about one hour?

from: www.i-deus.hu/tablo/tablo7/fem.gif

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Christian Maier 8

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

table of contents

• introduction

• method of FDM

• method of FEM

• lattice

• technical applications

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Christian Maier 9

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The Dirichlet problem for the Poisson equation

• Example: Poisson equation

• Conditions:

– Solve within a rectangle

– Area is:• Open• Not empty• contiguous

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Christian Maier 10

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The Dirichlet problem for the Poisson equation

• given functions:

• searched function:• conditions:

:

:

f

g

:u

within f

on g

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Christian Maier 11

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• the idea:

– searching for an approximate function

• to get a solution

• for the marginal problem

• for a number of finite points

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• what is to do:

– derivative in first condition is replaced by quotients of differences

– second condition must be valid only on latice points

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Christian Maier 13

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• characteristics:– two dimensions in space– Constant mesh size (h>0)– h: truncation parameter

from: Numerik partieller DGL, Knabner/Angermann

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• definition of the latice points:

a = l*h, b = m*h;

• short writing

• all points in the rectangle:

N ml,

lmij xx

hhh :

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finite element discretisation

The finite-difference-method

• form the system of equations: part one

– given

– given

xuhR

h

xuhxuxu

Cu

:2

xuhR

h

hxuxuxu

Cu

:2

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• form the system of equations: part two

– given

– given

xuRh

h

hxuhxuxu

Cu

02

3

2

:

xuRh

h

hxuxuhxuxu

Cu

22

4

2

:

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• lattice points within the rectangle

• lattice points on the boundary of the rectangle

jhihfh

hjihujhihuhjihuh

jhhiujhihujhhiu

,1,,21,

,1,2,1

2

2

jhihgjhihu ,,

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• linear equation for approximate value

• definitions:

jijijijijiji fuuuuuh ,1,,1,,11,2

41

limj

mjligu

mjli

ijij

,...,0,,0

or ,...,0,,0 if

1,...,1;1,...,1

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

the 5 points star of the difference method

from: Numerik partieller DGL, Knabner/Angermann

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finite element discretisation

The finite-difference-method

• dimension of the boundary equation

• form of the equation system

• dimensions

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• shape of the right side of the equation

if point is near the boundary and j is neighbour in 5 points star

in all other cases

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• form of hA

TI

ITI

ITI

IT

hAh 2

1

0

0

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-difference-method

• form of identity matrix

• form of matrix

1,1 llI

T

1,1

41

141

141

14

llT

0

0

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

table of contents

• introduction

• method of FDM

• method of FEM

• lattice

• technical applications

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Christian Maier 25

Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-element-method

• short example for the calculating operations

– given equations:

– testing function:

on 0

inside

u

fu

0 ; Cvxv

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finite element discretisation

The finite-element-method

• next step: integration over the area :

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finite element discretisation

The finite-element-method

• next step: discretisation

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-element-method

• next step: use of a base

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

The finite-element-method

• next step: use of a base

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

table of contents

• introduction

• method of FDM

• method of FEM

• lattice

• technical applications

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

Lattice points

from: Skriptum zur Vorlesung Leichtbau, Prof. Baier

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finite element discretisation

Lattice points

from: Skriptum zur Vorlesung Leichtbau, Prof. Baier

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finite element discretisation

Lattice points

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finite element discretisation

table of contents

• introduction

• method of FDM

• method of FEM

• lattice points

• technical applications– bend guider– parts of a robot arm

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finite element discretisation

the technical application

• two examples:

– bend guider• analytical• numerical

– parts of a robot arm

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finite element discretisation

the technical application

z

x

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finite element discretisation

the technical application

• equation of motion

0*

2

2

4

4

t

w

xEI

xA

x

w

0*2

2

4

4

t

w

EI

A

x

w

const. , xEIxA

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finite element discretisation

the technical application

• solution for this problem

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finite element discretisation

the technical application

• Human robot

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finite element discretisation

the technical application

• arm

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

the technical application

• elbow joint

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Numerische Simulation - Vom Modell zur Visualisierung, Ferienakademie 2005

finite element discretisation

the technical application

• elbow joint

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finite element discretisation

the technical application

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finite element discretisation

the technical application