Главная » Просмотр файлов » Belytschko T. - Introduction

Belytschko T. - Introduction (779635), страница 12

Файл №779635 Belytschko T. - Introduction (Belytschko T. - Introduction) 12 страницаBelytschko T. - Introduction (779635) страница 122017-12-27СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

n The internal nodal forces (2.5.14) are then givenfei nt =∫ B0 PdΩ 0TΩ e0orf I,inte = ∫ B0 I PdΩ0(2.5.16)Ω e0where we have used dΩ 0 = A0 dX and Ω e0 is the initial domain of the element. In thisnotation the deformation gradient F and the one-dimensional strain are given by2-26T. Belytschko, Chapter 2, December 16, 1998ε = B0ue(2.5.17)Box 2.2. Discrete Equations in Total Lagrangian Formulationu( X,t ) = N( X )ue (t ) = Σ N I( X )u Ie (t )I(B2.2.1)in each elementε =∑I∂NI eu = B0 ue∂X I(B2.2.2)evaluate the nominal stress P by constitutive equation∂Nfei nt =∫ ∂X PdΩ0 = ∫ B0 PdΩ 0Ω e0TorΩ e0feIint =∂N IPdΩ0∂XΩe∫(B2.2.3)0feext = ∫Ω e ρ0N TbdΩ 0 +(N T A0 t x ) Γ te(B2.2.4)ρ 0 NT NdΩ0(B2.2.5)00Me = ∫Ω0e˙˙ + f int = f extMu(B2.2.6)Example 2.5.1.Two-Node, Linear Displacement Element.

Consider a twonode element shown in Fig. 3. The element shown is initially of length l 0 and constantcross-sectional area A 0 . At any subsequent time t , the length is l( t ) and the crosssectional area is A(t); the dependence l and A on time t will not be explicitly notedhenceforth. The cross-sectional area of the element is taken to be constant, i.e. independentof X.2-27T.

Belytschko, Chapter 2, December 16, 1998A , A o = constanttALu1Aou212X,xLoFig. 2.3. Two node element in one dimension for total Lagrangian formulation showing the initial,undeformed (reference) configuration and the deformed (current) configuration.Displacement field, strain, and B 0 matrix. The displacement field is given by the linearLagrange interpolant expressed in terms of the material coordinateu( X, t ) =1[X − X ,l0 2u1 (t ) X − X1 ]u2 (t )(2.5.18)where l 0 = X2 – X1 . The strain measure is evaluated in terms of the nodal displacementsby using Eq.

(2.5.18) with (B2.2.2):ε( X, t ) = u, X = l1 [–10u1( t) +1] u2 (t )(2.5.19)The above defines the B 0 matrix to beB0 = l1 [–10+ 1](2.5.20)Nodal Internal Forces. The internal nodal forces are then given by (2.5.16):X2T1  −1PA dXf inte = ∫Ω e B0 PdΩ X = ∫X l 0010  +1(2.5.21a)If we assume that the cross-sectional area and the nominal stress P is constant, theintegrand in (2.5.21a) is then constant, so the integral can be evaluated by taking theproduct of the integrand and the initial length of the element l 0 , which givesf inteint f1 –1=   = A0 P   f 2 e+1(2.5.21b)From the above, we can see that the nodal internal forces are equal and opposite, so theelement internal nodal forces are in equilibrium, even in a dynamic problem.

Thischaracteristic of element nodal forces will apply to all elements for which translation results2-28T. Belytschko, Chapter 2, December 16, 1998in no deformation; it does not apply to axisymmetric elements. Since P = T/A 0, (seeEq. (2.1.1)) the nodal forces are equal to the load T carried by the element.Nodal External Forces. The external nodal forces arising from the body force are givenby (B2.2.3)X 2 ρ  X2 – X feext = ∫Ω e ρ 0NT bA0 dX = ∫ X l 0  bA0 dX010 X – X 1(2.5.22a)If we approximate the body forces b(X,t) by a linear Lagrange interpolantX –XX–Xb( X,t ) = b1 (t )  2l  + b2 ( t )  l 1 00(2.5.22b)and taking A0 to be constant, the evaluation of the integral in (2.5.22a) givesf exte =ρ 0 A0 l 0 2b1 + b2 6 b1 + 2b2 (2.5.22c)The evaluation of the external nodal forces is facilitated by expressing the integral in termsof a parent element coordinateξ = ( X – X1 ) / l0 , ξ =∈[ 0,1](2.5.23)Element Mass Matrix.

The element mass matrix is given by (B2.2.5):1M e = ∫ e ρ0 N TNdΩ0 = ∫ ρ0 NT NA0l 0dξΩ01−ξ = ∫ ρ 0[ 1−ξ0 ξ 10ρ A l  2 1ξ ] A0 l 0 dξ = 0 6 0 0  1 2(2.5.24a)It can be seen from the above that the mass matrix is independent of time, since it dependsonly on the initial density, cross-sectional area and length.The diagonal mass matrix as obtained by the row-sum technique (2.4.26) isMe =ρ 0 A0l 0  1 0  ρ0 A0 l0= 2 I20 1 (2.5.24b)As can be seen from the above, in the diagonal mass matrix for this element, half of themass of the element is ascribed to each of the nodes. For this reason, it is often called thelumped mass matrix.Example 2.5.2.Example of Assembled Equations.

Consider a mesh of twoelements as shown in Fig. 4. The body force b(x) is constant, b. We will develop thegoverning equations for this mesh; the equation for the center node is of particular interestsince it represents the typical equation for the interior node of any one-dimensional mesh.2-29T. Belytschko, Chapter 2, December 16, 19981122L (1)3L (2)Fig. 4The connectivity matrices Le for this mesh are1 0 0 L (1) =  0 1 0 (2.5.25a)0 1 0 L (2) =  0 0 1 (2.5.25b)The global internal force matrix by Eq. (2.5.5) is given in terms of the element internalforces byint 0  f 1 =  f 2  +  f1  0 f  2 (2)(1)intTintf int = LT(1) f int(1) + L (2 )f (2)(2.5.26)which from (2.5.21b) givesfint–1 0 (2 )= A0 P(1 ) +1 + A0 P( 2 )  –1 0 +1( 1)(2.5.27)Similarlyext 0  f 1 =  f 2  +  f1  0 f  2 (2)(1)extextf ext = LT(1) f ext(1) + L(2) f (2)(2.5.28)and using (2.5.22c) with constant body force givesfextbρ0(1) A0(1) l (1)ρ (2) A(2) l (2)00=b + 0 02200bb(2.5.29)The global, assembled mass matrix is given by (2.5.9)M = LT(1) M(1) L(1) + LT(2) M (2) L(2)(2.5.30)2-30T.

Belytschko, Chapter 2, December 16, 1998and by (2.5.24a)M = LT(1)(1) (1)ρ(1)0 A 0 l0621(2) (2) (2)1T ρ0 A0 l0L+L(2)62 (1)2 1  1 2  L(2)(2.5.31)To simplify the form of the assembled equations, we now consider a uniform mesh with(2)(1)(2)(1)(2)constant initial properties, so ρ (1)0 = ρ 0 = ρ 0 , A0 = A0 = A0 , l 0 = l 0 = l 0 and we()(2) (2) (2)(1)define m1 = ( ρ0(1) A(1)0 l 0 ) / 6 , m2 = ρ 0 A0 l 0 / 6 so the assembled mass matrix is2m1m10 M =  m1 2(m1 + m2 ) m2  0m22m2 (2.5.32)Writing out the second equation of motion for this system (which is obtained from thesecond row of M, f ext and f int ) gives16()(1) (1) ˙˙(1) (1) (1)(2) (2) (2) ˙ ˙1˙˙ρ (1)u2 + 16 ρ0(2) A0(2) l (2)0 A0 l0 u1 + 3 ρ 0 A0 l0 + ρ 0 A0 l 00 u3–A P +A P(1)(1)(2)(2)=b2(ρ(1)0A l +ρ A l(1) (1)00(2)0(2) (2)00)(2.5.33)Using uniform properties as before and dividing by A0 l0 , we obtain the following equationof motion at node 2:(2)(1)ρ 0 ( 16 u˙˙1 + 23 u˙˙2 + 16 ˙u˙3 ) + P l– P = ρ 0 b0(2.5.34)If the mass matrix is lumped, the corresponding expression is(2)(1)ρ 0u˙˙2 + P l– P = ρ 0 b0(2.5.35)The above equation is equivalent to a finite difference expression for the momentumequation (2.2.4) with A 0 constant: it is only necessary to use the central differenceexpression P, X ( X2 ) = P (2 ) – P( 1) / l0 to reveal the identity.

Thus the finite elementprocedure appears to be a circuitous way of obtaining what follows simply and directlyfrom a finite difference approximation. The advantage of a finite element approach is that itgives a consistent procedure for obtaining semidiscrete equations when the element lengths,cross-sectional area, and density vary. Furthermore, for linear problems, a finite elementsolution can be shown to provide the best approximation in the sense that the error isminimized in the energy norm (see Strang and Fix); finite difference approximations forirregular grids and varying areas and densities, on the other hand, are difficult to construct.The finite element method also gives the means of obtaining consistent mass matrices andhigher order elements, which are more accurate. But the main advantage of finite elementmethods, which undoubtedly has been the driving force behind its popularity, is the easewith which it can model complex geometries.

This of course is masked in one dimensionalproblems, but it will become apparent when we study multi-dimensional problems.()2-31T. Belytschko, Chapter 2, December 16, 1998Example 2.5.3. Three-node quadratic displacement element. A 3-node elementof length L0 and cross-sectional area A0 is shown in Fig. 4. Node 2 is placed betweennodes 1 and 3; although in this analysis we do not assume it to be midway between thenodes, it is recommended that it be placed midway between the nodes in most models.

Themapping between the material coordinates X and the referential coordinate ξ is given by1X( ξ) = N( ξ)Xe =  ξ(ξ −1) 1– ξ 22 X1  ξ (ξ +1)  X2  2 X3 1(2.5.36)where N(ξ) is the matrix of Lagrange interpolants, or shape functions, and ξ is the elementcoordinate. The displacement field is given by the same interpolantsu(ξ , t ) = N(ξ )ue (t ) =[12ξ( ξ –1)1– ξ21ξ2u1 (t )(ξ + 1) u2 (t ) u (t ) 3 ](2.5.37)By the chain ruleε = F –1= u, X = u,ξξ, X = u,ξ X,ξ−1 =1[ 2ξ –1 – 4ξ2 X,ξ2ξ + 1] ue(2.5.38)We have used the fact that in one dimension, ξ ,x = X,−1ξ . We can write the above asε = B0ue where B0 =1[2ξ–1 – 4ξ2X,ξ2ξ + 1] ue(2.5.39)The internal nodal forces are given by Eq.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
2,14 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6353
Авторов
на СтудИзбе
311
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее