Top Banner
O metodě konečných prvků Lect_01.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Syllabus and introduction
47

O metod ě konečných prvků Lect_01

Jan 13, 2016

Download

Documents

julius gazmen

O metod ě konečných prvků Lect_01.ppt. Syllabus and introduction. M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR , Praha Plze ň , 2010. Syllabus. Deformační varianta MKP Značení Odvození pomocí principu virtuálních prací Diskretizace posuvů, přetvoření a konstitutivních vztahů - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: O metod ě konečných prvků Lect_01

O metodě konečných prvkůLect_01.ppt

M. Okrouhlík

Ústav termomechaniky, AV ČR, PrahaPlzeň, 2010

Syllabus and introduction

Page 2: O metod ě konečných prvků Lect_01

Syllabus

Deformační varianta MKPZnačeníOdvození pomocí principu virtuálních pracíDiskretizace posuvů, přetvoření a konstitutivních vztahůStrukturální prvky – tyč, nosník, membrána, deska, skořepinaAnalytický přístup – zobecněné souřadniceNumerický přístup – isoparametrické prvkySestavení matic tuhosti, tlumení a hmotnostiPředepsání okrajových podmínekTypy řešených úlohŘešení statických úloh Nalezení vlastních čísel a vlastních tvarů kmituŘešení nestacionárních úloh – šíření vlnNumerická matematikaŘešení soustav algebraických rovnicŘešení standardního a zobecněného problému vlastních číselIntegrace obyčejných diferenciálních rovnicMetoda konečných prvků pro nelineární úlohy – stručný úvod do problematiky

Page 3: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 4: O metod ě konečných prvků Lect_01

http://www.colorado.edu/engineering/CAS/courses.d/IFEM.d/Home.html

Page 5: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 6: O metod ě konečných prvků Lect_01

Jak se nemá psát disertační práce

Při výčtu otců zakladatelů metody konečných prvků autor jedné disertační práce věnované MKP (práce byla obhajována v roce 2010 a nebyla z Plzně) uvádí, že

Likewise, Argyris a Kesley, publikovali ve roce 1960 …

O muži jménem Likewise jsem měl od počátku velké pochybnosti, přesto jsem šel hledat poučení na internetu. Na adrese

http://books.google.cz/books?id=dQE-aq6JJlQC&pg=PA3&lpg=PA3&dq=Likewise,+Argyris,+Kesley&source=bl&ots=VwjG_lOPZy&sig=Baaka6PDn0hAKBcfcRtzWiJOtVY&hl=cs&ei=_7koS6nGHZPCmgOGteCwDQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7&ved=0CDYQ6AEwBg#v=onepage&q=&f=false

jsem našel publikaciIntermediate Finite Element Method: Fluid Flow and Heat Transfer Applications

 by Juan C. Heinrich and Darrell W. Proper

Page 7: O metod ě konečných prvků Lect_01

kde v oddíle 1.2 na straně 3 a 4 se uvádí

Likewise, Argyris and Kesley published a text in 1960 …

Jenomže, příslovce „likewise“ – tedy „podobně“ – se v angličtině, na rozdíl od češtiny, odděluje čárkou. Je zde však na začátku věty a je tedy s velkým „L“, což by autora – při pečlivém přebírání informací z cizích pramenů – nemělo přimět k víře, že existuje muž jménem Likewise.

Na přiložené reprodukci je inkriminovaná věta podtržena červeně. Je zřejmé, že dává smysl jen s větou předchozí.

Výše zmíněná publikace autorů Juan C. Heinrich a Darrell W. Proper, z níž autor disertační práce doslova převzal a špatně přeložil citovaný text, není uvedena v seznamu literatury.

Jak je dobré umět anglicky

Page 8: O metod ě konečných prvků Lect_01

Corpus delicti

Page 9: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 10: O metod ě konečných prvků Lect_01

V tomto kursu, mimo jiné, nabídnemePorozumění metodě konečných prvků a numerické matematice,

a to prostřednictvím tvorby jednoduchých prográmků na koleně

367.072 437.711 728.733

964.692 1019.37 1124.58

Frekvence [Hz] a vlastni tvary kmitu pro diagonalni matici hmotnosti

Například nalezení sil v prutech, reakcí, vlastních frekvencí, vlastních tvarů kmitu, apod

Page 11: O metod ě konečných prvků Lect_01

V tomto kursu též nabídneme

• Informaci o práce s daty, jejich zobrazení a seznámíme se se statistickými nástroji pro analýzou výsledků

bio2.ppt

Page 12: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 13: O metod ě konečných prvků Lect_01

Omezíme se na Newtonovskou fyziku – odhlédneme jak od kvantové fyziky, tak od teorie relativity

Page 14: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 15: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 16: O metod ě konečných prvků Lect_01

Pak platí princip superpozice

Page 17: O metod ě konečných prvků Lect_01

Často přidáváme omezující podmínky

Homogenní kontinuum – identické vlastnosti všech materiálových částic

Isotropní kontinuum – některé vlastnosti jsou nezávislé na směru

Page 18: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 19: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 20: O metod ě konečných prvků Lect_01

Moudrost vs. Trivialita

Otázka pravdy ve fyzice

Page 21: O metod ě konečných prvků Lect_01

What are we contributing to?

• No fundamental laws and principles since Newton’s time

• Newtonian physics – low velocities• Continuum mechanics – no quantum

microcosms• Rather more sophisticated models, that either

work or do not …• The question of truth is irrelevant … only the

model proved by a proper experiment is acceptable

Page 22: O metod ě konečných prvků Lect_01

Continuum mechanics_1

1. The notion of continuum is one of possible models of matter.

2. The continuity of a structure as we observe is an illusion.

3. In liquids the molecules are loosely bound together by weak electrical forces. The molecules posses a considerable mobility.

4. In gases the intermolecular forces are even weaker

5. In metals there are relatively strong interatomic forces.

Page 23: O metod ě konečných prvků Lect_01

Continuum mechanics_2• Continuum mechanics ignores all the five details

mentioned above and assumes that the discontinuous structure of real material is considered continuous. So the physical properties of material contained within an infinitesimal element are assumed to be the same as those determined experimentally on samples of finite dimensions.

• Of course in view of the molecular and atomic structure of the matter the last assumption is false.

• So the continuum is a model. It could give you the correct results if it is used within the limits of its applicability.

• Latter on, we will show that FEM is just another model, with its own limits of validity.

• The question is under what circumstances the continuum model provides a valid description of the flow and deformation of real material.

Page 24: O metod ě konečných prvků Lect_01

Continuum mechanics_3It is not possible to give a satisfactory mathematical discussion of the validity of

the continuum theory.

The ultimate justification of the model is empirical.

So in solid continuum mechanics for metals it is assumed that

if the linear dimension of volume element is greater than

10 000 times the interatomic distance, i.e. 1/1 000 000 [m],

then the continuum theory could still be safety used.

HUNTER, S.C.: Mechanics of Continuous Media, Ellis Hornwood Ltd, UK, 1983

Page 25: O metod ě konečných prvků Lect_01

Governing equations of solid continuum mechanics

• Cauchy equations of motion

• Kinematic relations

• Constitutive relations

iij

jit

xfx

0000

0

j

kt

i

kt

i

jt

j

it

ij x

u

x

u

x

u

x

u00002

1angeGreen_Lagr

i

jt

j

it

ij x

u

x

u002

1eng

engengklijklij C Lagrange_Green

klijklij DS

3 equations

6 equations

6 equations

Page 26: O metod ě konečných prvků Lect_01

Number of equations = number of unknowns

There are fifteen equations (3 equilibrium conditions + 6 kinematic relations + 6 constitutive equations) and fifteen unknowns ( ijijiu 6,6,3 ).

This count is valid only if the stress and strain tensors are symmetric, ie. )( jiij .

But the equilibrium conditions of a body in 3D space (having six degrees of freedom) generally require satisfying three force and three moment conditions. In classical continuum mechanics, however, only three force equations are considered – the three moment equations related to equilibrium of force couples are neglected. Thus, the above equations are valid for those continua in which the forces between particles are equal, opposite and collinear, and in which the distributed moments are absent. In other words – it is implicitly assumed that no distributed body or surface couples act on the considered continuum.

Page 27: O metod ě konečných prvků Lect_01

Proč pro rovnováhu materiálového elementu uvažujeme jen 3 rovnice?

When the stress components – associated with individual cube faces – are being defined and evaluated the material element is considered as a 3D body – the cube.

When equilibrium conditions are considered the material element is considered to be a point.

In developing the partial differential equations of motion, only the equilibrium of the forces was considered. The assumption that the resultant of moments of all forces about the origin must be equal zero can only be used to prove the symmetry of the stress tensor.

Page 28: O metod ě konečných prvků Lect_01

And here comes the idea of Cosserat brothers

Besides the force-stress tensors [Pa] there are also couple-stress tensors [Pa m] taken into account when the equilibrium conditions are considered

The Cosserat continuum is usually only effective when there exists a physical motivation for adding couple stresses and microcurvatures as is the case in granular materials.

For a numerical implementation of Cosserat continuum see Sluys and de Borst. See Stein, E., de Borst, R., Hughes, T.J.R.: Encyclopedia of Computational mechanics, Vol. 2, p. 355.

Eugène-Maurice-Pierre Cosserat (4 Mar 1866 – 31 May 1931) was a French mathematician and astronomer. Born in Amiens, he studied at the École Normale Supérieure from 1883 to 1888. He was on Science faculty of Toulouse University from 1889 and director of its observatory from 1908, a position he held for the rest of his life. He was elected to the Académie des Sciences in 1919. His studies included the rings and satellites of Saturn, comets and double stars, but is best remembered for work with his engineer brother François on surface mechanics, particularly problems of elasticity.

Page 29: O metod ě konečných prvků Lect_01

Co otcové zakladatelé?

Teoretické základy mechaniky kontinua jsou známy po více než sto padesát let – Cauchy, Euler, St. Venant, ...

Page 30: O metod ě konečných prvků Lect_01

Cauchy equationsOeuvres complètes d'Augustin Cauchy. Série 2, tome 8 /

publiées ...Cauchy, Augustin-Louis (1789-1857), 1882-1974

http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k90200c.image.f4.langEN

Page 31: O metod ě konečných prvků Lect_01

Strain tensor components

rather body forces

Page 32: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 33: O metod ě konečných prvků Lect_01
Page 34: O metod ě konečných prvků Lect_01

Evolution of stress notations

Todhunter, I. and Pearson, K.: A History of the Theory of Elasticity, Dover Publications, New York, 1960.

Page 35: O metod ě konečných prvků Lect_01

Ekvivalence vs. rovnováha

• Ekvivalence– Jedna soustava sil = Druhá soustava sil

• Rovnováha– Součet sil = 0

itt

it

jt

jitt xfx

0

it

jt

jitt fx

0

itt

it

jt

jitt xfx

Formálně ano, ale …

Použili jsme d’Alambertova principu,Z hlediska inerciálního systému je ta síla je fiktivní …Rovnice platí jen právě teď

Takže bych tomu neříkal podmínky rovnováhy, ale pohybové rovnice

Page 36: O metod ě konečných prvků Lect_01

Back to FEM

Today, approximate methods of solutions prevail They are based on discretization in space and time and

have numerous variants

– Finite difference method– Transfer matrix method– Matrix methods– Finite element method

• Displacement formulation• Force formulation• Hybrid formulation

– Boundary element method– Meshless element method– From CAD and FEA to Isogeometric Analysis. By Cottrell, J.A.,

Hughes, TJ.R., Bazilevs, Z.: Isogeometric Analysis. Towards Integration of CAD and FEA, Wiley, Chichester, 2009.

Page 37: O metod ě konečných prvků Lect_01

Numerical methods in Finite Element Analysis

Equilibrium problems

Space discretization only – Solution of systems of algebraic equations

Steady state vibration problems

Generalized eigenvalue problem

Propagation problems

Space and time discretization – step by step integration in time, for example CD (central differences) or NM (Newmark).

Timestep of integration corresponds to sampling increment in experiment. Nyquist frequency plays the same role both in experiment and in computation.

QqqK )(

0qMK )( 2

Vd, Tintintext σBFFFqM

Robust procedures and their efficient implementation are crucial for solving ‘large sized’ tasks typical for transient FE analysis

Page 38: O metod ě konečných prvků Lect_01

Computability limits of are based on

• Limits of physics– Limits of technology– Instrumental limits of

• computers • experiments

• But first of all on– Validity limits of employed models

• Continuum mechanics is a model• Computational treatment is another model• Experiment is a tool for observing the nature

– but not the nature itself

Page 39: O metod ě konečných prvků Lect_01

Experiments and axioms

Fluegge, S.: (Editor) Encyclopedia of Physics, Vol. III, Principles of Classical Mechanics and Field Theory, Springer, Berlin, 1960 – Truesdell, C. and Toupin, R.: The Classical Field Theories, p. 228

The body of theory furnishes the concept and formulae by means of which the experiment can be conceived and interpreted.

From experiment we may find agreement which develops confidence in the theory – but establish a theory by experiment we never can.

Experiment is a necessary adjunct to a physical theory – but it is an adjunct, not the master.

No experiment can be interpreted without recourse to ideas that are a part of the theory under examination

Adjunct – asistent, výpomocná síla

přídavek, doplněk

Page 40: O metod ě konečných prvků Lect_01

But many people shared a different view in history

Page 41: O metod ě konečných prvků Lect_01

Roger Bacon, (c. 1214–1294), also known as Doctor Mirabilis (wonderful teacher), was an English philosopher and Franciscan friar who placed considerable emphasis on empirical methods. He is sometimes credited as one of the earliest European advocates of the modern scientific method inspired by the works of Plato and Aristotle via early Islamic scientists such as Avicenna and Averroes.

Roger BaconOn Experimental Science (1268)

Experimental science does not receive truth from superior science. She is the mistress and the other sciences are her servants.

… experimental science is a study entirely unknown by the common people …

…no science can be known without mathematics …

From Wikipedia

Page 42: O metod ě konečných prvků Lect_01

The mathematical description is rather difficult – for the efficient development of formulas it is suitable to use the tensor notation.

The tensor notation can be considered as a direct hint for algorithmic evaluation of formulas, however, for the practical numerical computation the matrix notation is preferred.

Note: To a certain extent Maple and Matlab and

old Reduce could handle symbolic manipulation in a tensorial notation.

Tensor and matrix notation

Page 43: O metod ě konečných prvků Lect_01

Example Strain tensor in indicial notation is

ij Its matrix representation is

333231

232221

131211

.

Due to the strain tensor symmetry

a more compact ‘vector’ notation (Voigt's notation) is often being employed in engineering, i.e. T

312312332211 .

Not a vector in a physical or mathematical sense, ie.

the quantity defined by the magnitude and the direction

Page 44: O metod ě konečných prvků Lect_01

The engineering strain – expressed in term of tensor components – is

21

21

12

33

22

11

6

5

4

3

2

1

2

2

2

zx

yz

xy

zz

yy

xx

The reason for the appearance of a ‘strange’ multiplication factor of 2 will

be explained later. You should carefully distinguish between constants in

klijklij C and C .

Page 45: O metod ě konečných prvků Lect_01

Details about tensor and matrix notation, rules and terminology

• Tensor rank• Kronecker delta• Summation rule• Orthogonal transformation• Addition, subtraction• Contraction• Outer and inner products• Scalar and dyadic products

See alsocm_part_1.ppt

Okrouhlík, M., Pták, S.: Počítačová mechanika kontinua I, Základy nelineární mechaniky kontinua, Česká technika, Nakladatelství ČVUT, 2006

Page 46: O metod ě konečných prvků Lect_01

Basic principles of solid continuum mechanics

• Preliminaries• Gradient• Gauss divergence theorem• The generalization of ‘per partes’ integration (integration by parts)• Kinetic and strain energies• Material derivative• Conservation laws• Equilibrium• Cauchy equation of motion

See also all_together_01_05_c4.doc

Okrouhlík, M., Pták, S.: Počítačová mechanika kontinua I, Základy nelineární mechaniky kontinua, Česká technika, Nakladatelství ČVUT, 2006

Page 47: O metod ě konečných prvků Lect_01

Doporučená literatura

• Bathe, K.-J.: Finite Element Procedures, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1996

• Belytschko T., Liu, W.K., Moran, K.: Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures, John Wiley, Chichester, 2000

• Fung, Z.C., Tong, P.: Classical and computational solid mechanics, World Scientific, Singapore, 2001

• Okrouhlík, M., Pták, S.: Počítačová mechanika I, Základy nelineární mechaniky kontinua, Nakladatelství ČVUT, 2006

• Stejskal, V., Okrouhlík, M.: Kmitání s Matlabem, (Vibration with Matlab),

Vydavatelství ČVUT, Praha 2002, ISBN 80-01-02435-0