10.pdf

(404 KB) Pobierz
PRZEDMOWA
10. WYBRANE ZAGADNIENIA STATECZNOŚCI KONSTRUKCJI
1
WYBRANE ZAGADNIENIA STATECZNOŚCI KONSTRUKCJI
Zagadnienia stateczności konstrukcji odbiegają w zasadzie od tematyki niniejszego opracowania, które
poświęcone jest zastosowaniom metody elementów skończonych w liniowej mechanice konstrukcji. Równa-
nia teorii stateczności są bowiem nieliniowe. Dla pewnych zachowań konstrukcji równania te można lineary-
zować, dochodząc do tzw. liniowej teorii stateczności, którą zajmiemy się w niniejszym rozdziale. Przypo-
mnimy krótko podstawy teorii stateczności konstrukcji oraz podamy na przykładzie konstrukcji prętowych i
płytowych sposób analizy liniowej stateczności-metodą elementów skończonych.
10.1 Podstawowe elementy teorii stateczności konstrukcji
Teoria stateczności konstrukcji zajmuje się wyznaczaniem obciążeń i stanów krytycznych konstrukcji,
stanów, którym towarzyszą gwałtowne zmiany postaci jej deformacji lub wartości przemieszczeń pewnych
jej punktów.
W teorii stateczności wyróżnia się dwa typy utraty stateczności (czyli obciążeń wywołujących te sta-
ny): utrata stateczności przez osiągnięcie punktu granicznego (maksimum obciążenia) i utrata stateczności
przez wyboczenie bi-furkacyjne. Oba te stany zilustrowano na rysunku 10.1, gdzie w osiach: parametr obcią-
żenia i przemieszczenie reprezentatywnego stopnia swobody pokazano tzw. ścieżki równowagi. W rzeczy-
wistości takie proste zachowanie nie zawsze jest spotykane. Przedstawione krzywe jednak dobrze ilustrują
wiele przypadków zachowania się modeli konstrukcji. W celu zanalizowania zjawiska osiągnięcia punktu
granicznego (punkt G na rys.10.1) należy badać nieliniowe zachowanie się konstrukcji. W procesie obciąża-
nia sztywność konstrukcji maleje (maleje kąt nachylenia stycznej do wykresu A-d). W chwili osiągnięcia
punktu granicznego krzywa ta osiąga maksimum. Jeżeli intensywność obciążenia nie zmienia się, to następu-
je przeskok do nowej konfiguracji i konstrukcja może ulec zniszczeniu na skutek dużych odkształceń. Przy-
padek ten zachodzi dla mało-wyniosłych łuków i przekryć powłokowych. W punkcie granicznym następuje
przeskok do nowej konfiguracji o przeciwnej krzywiźnie łuku lub powłoki, w związku z czym używamy
również termin: punkt przeskoku.
Rys. 10.1. Możliwe ścieżki równowagi w zagadnieniach stateczności konstrukcji
Termin wyboczenie bifurkacyjne odnosi się do innego typu zjawiska. W punkcie bifurkacji, czyli roz-
dwojenia ścieżki równowagi (punkt B na rys.10.1) konstrukcja zaczyna się deformować w nowej formie,
która jest całkiem odmienna od postaci deformacji przed wyboczeniem (punktem bifurkacji). W przypadku,
gdy nowa forma deformacji charakteryzuje się ujemną styczną do krzywej A-d, to może nastąpić zniszczenie
konstrukcji, podobnie jak dla punktu przeskoku. Obszerne omówienie zastosowań MES do analizy statecz-
Tomasz Łodygowski, Witold Kąkol – Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki
konstrukcji inżynierskich
Alma Mater
10.
269457810.005.png 269457810.006.png
10. WYBRANE ZAGADNIENIA STATECZNOŚCI KONSTRUKCJI
2
ności konstrukcji zawiera praca [24]. W kontekście omawianych zagadnień stateczności można metodę ele-
mentów skończonych zastosować do analizy przynajmniej czterech przypadków:
- nieliniowego zachowania się przedkrytycznego,
- wyznaczeniu punktów bifurkacji,
- wyznaczeniu punktów granicznych,
- analizy pokrytycznej.
Jak wspomnieliśmy wyżej, zajmiemy się wyznaczaniem punktów krytycznych typu biurkacyjnego,
gdyż do analizy punktów granicznych wymagana jest pełna analiza nieliniowa. Stan przedkrytyczny otrzy-
mamy z liniowego zachowania się konstrukcji, pamiętając, że popełniamy w tym miejscu pewien błąd, który
w zasadzie trudno a priori określić. Założymy zatem, że w stanie przed wyboczeniowym można aproksymo-
wać związki geometryczne tylko ich liniowymi członami. Pokażemy również w jaki sposób można zweryfi-
kować otrzymane wyniki, tj. oszacować ewentualny błąd wynikający z linearyzacji stanu przed- krytyczne-
go.
10.2 Stany krytyczne układów zachowawczych
Do analizy stanu krytycznego układów zachowawczych (tj. takich, dla których praca nie zależy od hi-
storii obciążenia) można stosować podejście statyczne, które polega na badaniu sąsiednich położeń równo-
wagi. Podejście statyczne jest na ogól prostsze od podejścia bardziej ogólnego jakim jest podejście dyna-
miczne, w którym analizuje się drgania swobodne układu. Podejście statyczne wystarcza do analizy statecz-
ności większości konstrukcji inżynierskich. Kryterium statyczne bazuje na twierdzeniu Lagrange'a-
Dirichleta, według którego stan równowagi układu zachowawczego jest stateczny wtedy, gdy energia poten-
cjalna jest w tym stanie dodatnio określona (w stanie równowagi występuje minimum energii potencjalnej).
W liniowych układach zachowawczych twierdzenie Lagrange'a-Dirichleta jest koniecznym i wystar-
czającym warunkiem osiągnięcia stanu równowagi statecznej. Nawiązując do tego twierdzenia można okre-
ślić stan krytyczny równowagi na podstawie warunków:
δ i
=
0
δ
2
Π
=
0
(10.1)
które nazywa się kryterium energetycznym. W bliskim otoczeniu stanu krytycznego przyrost energii poten-
cjalnej można zapisać jako
∆Π
=
δ
Π
+
1
δ
2
Π
+
1
δ
3
Π
+
K
(10.2)
2
3
Ponieważ w stanie krytycznym pierwsza i druga wariacja są równe zeru, tzn. δπ = δ 2 π = 0 , to o stateczności
bądź niestateczności stanu krytycznego decydują wyższe wariacje; wówczas
∆Π
=
1
δ
3
Π
+
1
δ
4
Π
+
K
(10.3)
3
4
Kryterium energetyczne, do którego ograniczymy się w obliczeniach określa tylko stan krytyczny równowa-
gi bez informacji, jakiego rodzaju jest ten stan (stateczny czy niestateczny).
Bilans energii potencjalnej można w układach odkształcalnych zapisać w postaci:
Π
(
d
,
λ
)
=
U
(
d
)
−
W
(
d
,
λ
)
,
(10.4)
gdzie przez U oznaczono energię odkształcenia, a przez W - energię obciążeń zewnętrzych.
Praca obciążeń zewnętrznych zależy od wektora parametrów obciążenia A . Dla przypadku obciążenia
jednoparametrowego, do którego ograniczymy się dalej, określonego skalarnym mnożnikiem A , równanie
(10.4) można zapisać w postaci:
Tomasz Łodygowski, Witold Kąkol – Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki
konstrukcji inżynierskich
Alma Mater
269457810.007.png
10. WYBRANE ZAGADNIENIA STATECZNOŚCI KONSTRUKCJI
3
Π
(
d
,
λ −
=
U
(
d
)
λ
*
(
d
)
,
(10.5)
gdzie W jest porównawczą pracą obciążenia zewnętrznego (obliczoną np. dla λ = 1 ). W przypadku zagadnień
liniowej stateczności U i W są formami kwadratowymi.
Podkreślmy jeszcze raz, że opis liniowy pozwala obliczyć jedynie obciążenia krytyczne, bowiem do
analizy stanu pokrytycznego musielibyśmy stosować sformułowanie nieliniowe. Równania (10.1) zatem wy-
znaczają tylko punkty krytyczne na ścieżkach równowagi.
W analizie stateczności wyróżnia się - przy podejściu statycznym - trzy typy punktów bifurkacji: nie-
symetryczny, symetryczny stateczny i symetryczny niestateczny. Punkty te zilustrowano na rysunku 10.2.
Klasyfikacja powyższa dotyczy tzw. układów idealnych, tzn. takich, dla których są spełnione pewne założe-
nia o idealności w odniesieniu do geometrii (prostoliniowość prętów, idealnie płaskie płyty), sposobu obcią-
żenia (brak mimośrodów) oraz właściwości materiałów (jednorodność). Odstępstwa od założeń układu ide-
alnego są nazywane imperfekcjami (niedokładnościami). Imperfekcje mogą wpływać na obniżenie, pod-
wyższenie lub nawet brak obciążeń krytycznych, które zostały obliczone dla konstrukcji idealnych. Na ry-
sunku 10.2 przedstawiono również efekt występowa nią imperfekcji (a) dla układów idealnych. Wykresy te
ilustrują zjawisko braku punktów bifurkacji równowagi w układach rzeczywistych (z imperfekcjami). W
przypadku bifurkacji niestatecznych zastępowane są one przez punkty graniczne (maksimum obciążenia).
Mówimy, że układ jest wrażliwy na imperfekcje, gdy ich narastanie obniża wartość obciążenia krytycznego,
obliczonego dla układu idealnego. Widać więc, że układy charakteryzujące się niestatecznymi punktami bi-
furkacji będą wrażliwe na początkowe imperfekcje.
Rys. 10.2. Klasyfikacja punktów bifurkacji
Wydawać się zatem może, że analiza bifurkacyjna nie ma większego znaczenia praktycznego. Znajo-
mość punktów bifurkacji jest nie tylko bardzo użyteczna w analizie nieliniowej ale daje w wielu przypad-
kach wyniki zbliżone do rzeczywistego zachowania się konstrukcji. Jest przy tym "tania" w porównaniu z
pełną analizą nieliniową i czasem ze względu na ten fakt stanowi jedyną informację o krytycznym zachowa-
niu się konstrukcji.
Przejdźmy teraz do przedstawienia sposobu wyznaczania obciążeń bifurkacyjnych (krytycznych), czy-
li do podstawowego zadania liniowej stateczności konstrukcji. Rozwiązanie problemu prześledzimy na przy-
kładzie wyboczenia konstrukcji prętowych i płytowych.
10.3. Sformułowanie macierzy dla płaskiego elementu belkowego
Przed przystąpieniem do formułowania stosownych macierzy występujących w zagadnieniu stateczno-
ści prętów przypomnijmy, że w liniowej analizie statycznej macierz sztywności elementu belkowego otrzy-
maliśmy, wykorzystując w związkach geometrycznych (e-d) tylko człony liniowe. Aby uwzględnić efekt
działania siły osiowej na zginanie, należy uwzględnić w tych związkach pewne człony nieliniowe, które
wiążą odkształcenie osiowe z obrotem przekroju wywołanym poprzecznymi przemieszczeniami (zginaniem).
Zakładamy ponownie, że obowiązuje hipoteza Bernoulliego. W stanie przedkrytycznym pręt jest obciążony
siłą osiową N , tak że tensor naprężeń redukuje się do naprężenia normalnego <r stałego w przekroju. Od-
kształcenie odpowiadające temu naprężeniu wynosi:
Tomasz Łodygowski, Witold Kąkol – Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki
konstrukcji inżynierskich
Alma Mater
)
W
269457810.008.png
10. WYBRANE ZAGADNIENIA STATECZNOŚCI KONSTRUKCJI
4
ε
= κ
ε
+
y
=
(
u
,
−
v
,
y
)
+
1
u
,
2
+
1
v
,
2
,
(10.6)
0
x
xx
2
x
2
x
gdzie u i v oznaczają przemieszczenia osi pręta.
W wyrażeniu powyższym pojawiły się dodatkowe człony nieliniowe, które można otrzymać z analizy
długości pręta przed wyboczeniem i w chwili wyboczenia (rys. 10.3). Człon 0.5u 2 ,x można w większości
przypadków pominąć, ponieważ przejście pręta ze stanu prostoliniowego (przedkrytycznego) do giętnego na
skutek wyboczenia jest wywołane przede wszystkim zginaniem pręta, w związku z czym człon ten w po-
równaniu z 0.5v 2 ,x jest wielkością małą. Człon 0.5v 2 ,x dx określa przemieszczenie osiowe wywołane obrotem
przekroju pręta.
Rys. 10.3. Duże odkształcenie elementarnego wycinka pręta
Do dalszych rozważań przyjmiemy odkształcenie osiowe w postaci:
ε
u
,
−
v
,
y
+
1
v
,
2
.
(10.7)
x
xx
2
x
Bilans energii dla analizowanego układu wynosić będzie:
1
L
L
1
Π
=
∫∫
E
(
u
,
−
v
,
y
)
2
⋅
dA
⋅
dx
+
∫
N
v
,
2
dx
.
(10.8)
2
x
xx
2
x
0
A
0
Pierwsza całka prowadzi do znanej już nam macierzy sztywności k e . Druga całka przedstawia pracę siły N na
przyroście przemieszczenia - 0.5v 2 ,x dx i otrzymamy z niej tzw. macierz początkowych naprężeń, nazywaną
również macierzą geometryczną.
Przyjmując, podobnie jak w rozdziale 5, aproksymację pola przemieszczeń w postaci
v
1
[
]
φ
v
v
=
Nd
=
N
N
N
N
⋅
1
,
(10.9)
1
2
3
4
2
φ
2
gdzie macierz N zawiera wielomiany Hermita, nieliniową część odkształcenia zapiszemy w postaci:
1
v
,
2
=
1
(
N
,
d
)
2
=
1
d
T
N
,
T
x
N
,
d
.
(10.10)
2
x
2
x
2
x
Tomasz Łodygowski, Witold Kąkol – Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki
konstrukcji inżynierskich
Alma Mater
269457810.001.png 269457810.002.png
10. WYBRANE ZAGADNIENIA STATECZNOŚCI KONSTRUKCJI
5
Zakładając że siła N jest stała, drugi składnik wyrażenia na energię (10.8) zapiszemy jako
1
Nd
T
∫
N
,
T
x
N
,
dx
⋅
d
=
1
d
T
∫
N
,
T
x
σ
N
,
dx
⋅
d
,
(10.11)
2
x
2
x
gdzie macierz o- jest w tym przypadku skalarem.
Stosując teraz twierdzenie o minimum energii potencjalnej, otrzymamamy, podobnie jak w rozdziale
5, wyrażenie
(
k
0 σ
+ )
k
d
=
R
,
(10.12)
gdzie macierz k jest dobrze znaną liniową macierzą sztywności, zaś k jest macierzą początkowych naprężeń,
której współczynniki dla pręta o stałym przekroju poprzecznym wynoszą:
36
3
L
−
36
3
L
N
3
L
4
L
2
−
3
L
−
L
2
k
σ
= ∫
NN
,
T
x
N
,
⋅
dx
=
⋅
.
(10.13)
x
30
⋅
L
−
36
−
3
L
36
−
3
L
3
L
−
L
2
−
3
L
4
L
2
Zauważmy, że macierz k nie zależy od własności sprężystych pręta, lecz jest funkcją geometrii pręta i
wewnętrznych sił (w naszym przypadku siły osiowej). Uzasadniona więc jest stosowana czasem nazwa tej
macierzy: macierz sztywności geometrycznej. Jej wyrazy mają fizyczną interpretację: są to dodatkowe siły
powstające przy jednostkowych przemieszczeniach węzłów powstałe przy obecności siły osiowej N . Macierz
k można uprościć do postaci:
1
0
−
1
0
N
0
0
0
0
k σ
=
⋅
.
(10.14)
L
−
1
0
1
0
0
0
0
0
Przyjmując w (10.10)' v, x = 1/L (d 5 .- d 2 ). v, x oznacza zmianę nachylenia cięciwy łączącej oba węzły.
Zainteresowani Czytelnicy mogliby wykazać, że macierz postaci (10.14) jest równa macierzy geome-
trycznej dla pręta kratownicy płaskiej.
Równanie (10.12) opisuje stan równowagi dla elementu prętowego. Dokonując agregacji elementów,
można ostateczny układ równań zapisać w postaci:
(
k
0 σ
+ )
k
d
=
R
.
(10.15)
Stan krytyczny otrzymamy obliczając wariację (10.15):
δ
2
Π
=
(
k δ
0
+
k
σ
)
d
=
0
,
(10.16)
skąd mamy
det(
K
0
+
K
σ
)
=
0
.
(10.17)
Zgodnie z kryterium energetycznym (10.1) warunkiem koniecznym utraty stateczności układu jest ze-
rowanie się drugiej wariacji energii potencjalnej układu δ 2 n, tzn.
Tomasz Łodygowski, Witold Kąkol – Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki
konstrukcji inżynierskich
Alma Mater
269457810.003.png 269457810.004.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin