wikitelaio2016:elemento_tria3_bis
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Linea 1: | Linea 1: | ||
+ | **Continuazione Elemento Triangolare** | ||
+ | === Argomenti lezione === | ||
+ | * Riassunto lezione precedente | ||
+ | * Assemblaggio matrici | ||
+ | * Definizione scrittura locale e globale | ||
+ | === Riassunto Lezione === | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Nella lezione precedente si è visto come si costruisce la matrice di rigidezza tramite il Principio dei Lavori Virtuali, partendo da un elemento finito triangolare i cui nodi seguono la numerazione //i,j,k// o //1,2,3// e attraverso una definizione a priori del campo degli spostamenti all' | ||
+ | |||
+ | * Spostamento in x di un punto generico U(x,y) = N< | ||
+ | * Spostamento in y di un punto generico V(x,y) = N< | ||
+ | |||
+ | ovvero come combinazioni lineari delle funzioni di forma degli spostamenti nodali (funzioni scelte ad arbitrio). Dopodichè, svolgendo gli opportuni passaggi e le opportune integrazioni, | ||
+ | |||
+ | Gli spostamenti sopra rappresentati, | ||
+ | Quindi, all’interno dell’elemento rappresentato, | ||
+ | |||
+ | È necessario ricordare che l’unica teoria esatta è la Teoria dei Tubi, dove lo stato tensionale è 1/ | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Nel campo //xy// (oppure utilizzando le coordinate polari) lo stato tensionale non è lineare: se si studia un tubo agli elementi finiti usando l’elemento triangolare in sezione piana, lo stato nella sezione è costante e non si possono vedere gli stati massimi e minimi ma solo i valori medi. | ||
+ | L’utilizzo dell’elemento più idoneo per la nostra applicazione è a libera scelta. | ||
+ | |||
+ | Fatta questa assunzione, è stato possibile scrivere quanto segue: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | dove: | ||
+ | * la matrice delle F< | ||
+ | * la matrice delle K< | ||
+ | * la matrice delle δ< | ||
+ | |||
+ | Attraverso l’uguaglianza tra il lavoro virtuale interno e il lavoro virtuale eterno è possibile scrivere la matrice di rigidezza K: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | dove: | ||
+ | |||
+ | * **B**: matrice che lega le **ε** alle **U**. Nel piano si ottiene dalle derivate parziali di U, con le U scelte ad arbitrio: quindi, che la matrice B sia costante o una funzione, dipende da come sono state scelte le __funzioni di forma__. Essendo delle derivate rispetto a //x// o //y// incrociate, con ε< | ||
+ | * **D**: matrice che lega le **ε** alle **σ** (vista a lezione solo per materiali isotropi, omogenei e lineari). Viene identificata da due soli parametri: Modulo di Young **E** e coefficiente di Poisson **ν** (se fosse ortotropa cambierebbe). | ||
+ | Questa matrice contiene il cuore del materiale ed è complicabile a piacimento inserendo diversi parametri nella matrice. | ||
+ | |||
+ | Come già visto la matrice **B** si ottiene da U(//x,y//): α< | ||
+ | |||
+ | La derivata di questa funzione rispetto a //x// forniva come risultato ε< | ||
+ | La soluzione degli α< | ||
+ | |||
+ | Se si arricchisse con | ||
+ | |||
+ | U(x,y) = … + α< | ||
+ | |||
+ | V(x,y) = … + α< | ||
+ | |||
+ | si dovrebbe aggiungere un nodo, magari al centro. | ||
+ | Ciò giustifica la presenza di triangoli a tre nodi o triangoli a sei nodi, conseguenza del fatto che vengono arricchite le funzioni di forma U,V. | ||
+ | Avere funzioni di forma diverse non dà soluzioni esatte o meno ma semplicemente forniscono spostamenti in //x// o //y// con gradi diversi. | ||
+ | Se la funzione di forma avesse un grado superiore, si otterrebbe un’equazione di ε e σ diversa, non più costante o lineare ma di grado superiore. | ||
+ | Triangoli di questo tipo, con stato tensionale costante, più piccoli sono, più vicina sarà la soluzione che danno rispetto alla soluzione reale. | ||
+ | Facciamo un esempio. | ||
+ | Foro in una lastra forata sottoposta a trazione | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | È noto che il valore massimo dello stato tensionale si trova sul bordo del foro, in corrispondenza della sezione minima perpendicolare al carico con l’andamento rappresentato in figura (lato destro). | ||
+ | Si osservi il caso in cui venga utilizzato un elemento finito triangolare per rappresentare lo stato tensionale. | ||
+ | Lo stato tensionale dell’elemento finito fornirà il valore medio costante dell’andamento reale poiché è costante l’elemento. Come output si ha che lo stato tensionale è quello rappresentato perché σ è costante e dovrà equilibrare il carico quindi sarà la tensione media: P/2*Sezione minima. | ||
+ | |||
+ | Si osservi ora il caso in cui vengano utilizzati due elementi finiti. | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Lo stato tensionale reale è lo stesso del caso precedente, essendo la stessa lastra caricata allo stesso modo. | ||
+ | È possibile osservare i due andamenti dello stato tensionale, uno leggermente sopra il valore medio e uno di poco sotto di esso, dove la media dei due stati tensionali rappresentati è lo stesso valore della media fornito da un unico elemento finito. | ||
+ | E’ evidente l’analogia con l’integrale, | ||
+ | L’approssimazione compiuta con un elemento finito triangolare è legata al fatto che si ha uno stato tensionale costante all’interno dell’elemento: | ||
+ | Se non vi fosse il foro nella lastra, si potrebbe utilizzare un unico elemento finito triangolare e la soluzione ottenuta sarebbe esatta. | ||
+ | Dopo queste considerazioni, | ||
+ | Si osservi ora un esempio pratico. | ||
+ | Finora è stato possibile scrivere il problema in termini di forze e spostamenti all’interno di un unico triangolo (cioè un solo elemento finito) ma come si è visto dell’esempio precedente, non si utilizzerà mai un elemento unico per descrivere un corpo, ma sarà necessario eseguire una MESHATURA, ovvero creare un insieme di elementi triangolari. | ||
+ | Si osservi nello spazio di lavoro //x//-//y// il caso di tre elementi triangolari. | ||
+ | |||
+ | === Assemblaggio Matrici === | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | In questo caso la mesh si compone di tre elementi (quelli cerchiati), diversi dai nodi che vanno da 1 a 5, ovvero i vertici dei triangoli. | ||
+ | Ad ogni triangolo all’interno dello stesso è stata assegnata una nomenclatura, | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | Questo elemento ha un’area pressoché nulla e 1/A tende ad infinito, rendendo singolari i termini della matrice **B**. Ritorniamo al nostro problema. | ||
+ | Essendo noto il modo in cui scrivere la matrice di rigidezza per ogni elemento, __per l’elemento 1__ si avrà: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | Nel caso di elemento N le forze saranno F< | ||
+ | L’obiettivo è quello di scrivere tutti gli indici giusti di ogni singolo elemento andando successivamente ad inserirli in un’unica matrice dell’intera mesh, che sarà un problema di questo tipo: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | La difficoltà consiste nell’inserire in maniera corretta il valore del singolo elemento nella //matrice globale//. | ||
+ | Come si vede, se si ha una mesh con //n// nodi nel piano, si avrà una matrice di dimensione 2//n// x 2//n//; nel nostro caso i nodi sono 5 quindi la matrice sarà 10 x 10. | ||
+ | Nel caso tridimensionale la matrice globale di una mesh con //n// nodi sarà di dimensioni 3//n// x 3//n//. | ||
+ | La regola per passare da un globale ad un locale (pari lungo //y// e dispari lungo //x//) ha una numerazione globale ed è per questo che si parlerà sempre di numerazione globale. | ||
+ | Si associa allo spostamento lungo //x// la numerazione 2n-1 con n il numero del nodo di numerazione globale e lo spostamento lungo //y// la numerazione 2n: ciò significa che per il nodo 4 globale si avranno due spostamenti indicizzati nella matrice globale come: | ||
+ | |||
+ | lungo x: 2*4-1=7 | ||
+ | / lungo y: 2*4=8 | ||
+ | |||
+ | Otterremo quindi per il nodo 4: | ||
+ | |||
+ | x) F< | ||
+ | y) F< | ||
+ | |||
+ | ...e così via per tutti i nodi della mesh. | ||
+ | Dunque, è possibile riscrivere la matrice dell’elemento 1 non più con la numerazione locale ma con la numerazione globale, in quanto la numerazione globale prevale sulla locale, detta anche **regola di assemblaggio**. | ||
+ | Si osservino ora, sempre per l’elemento 1, le matrici di forze e spostamenti con la numerazione globale. | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | Per i K< | ||
+ | Sarà, quindi, la combinazione dei contributi di tutti gli elementi della mesh che andranno a comporre la matrice di rigidezza globale. | ||
+ | Procediamo ora nella determinazione dell’equilibrio del nodo 2, il quale avrà una parte derivante da F< | ||
+ | Sia fissata la matrice di rigidezza dell’elemento 1. | ||
+ | Analogamente, | ||
+ | Sulla base della conoscenza della matrice di rigidezza di ogni singolo elemento della mesh, si vuole scrivere il problema nella sua forma globale. | ||
+ | Successivamente, | ||
+ | Dagli spostamenti δ si andranno a calcolare in cascata ε e σ. | ||
+ | E’ per questo motivo che i problemi agli elementi finiti si dicono “problemi agli spostamenti” perché gli spostamenti δ sono le incognite primarie. | ||
+ | Che il problema sia lineare o meno o che le tecniche di soluzione numerica siano adatte o meno dipende dalla tipologia di problema: se si hanno problemi lineari è possibile invertire la matrice e risolverla direttamente oppure risolverla con il metodo iterativo di Gauss ecc. | ||
+ | Una volta noti gli spostamenti, | ||
+ | |||
+ | Matrice dell’elemento 2 con scrittura locale | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Matrice dell' | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Si osservi ora l’equilibrio del nodo 2 lungo //x//, che si può vedere come appartenente all’elemento 1 e all’elemento 2. | ||
+ | Si avrà quindi una forza derivata dall’elemento 1, ovvero una F< | ||
+ | Si analizzi il nodo 2 visto dall’elemento 1 e si consideri solo le forze derivanti dall’elemento 1; nel nostro caso, vi è solamente F< | ||
+ | Si ottiene, quindi: | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | Analizziamo ora il nodo 2 visto dall’elemento 2, ottenuto dal prodotto tra la prima riga della matrice di rigidezza per la colonna degli spostamenti. | ||
+ | Otteniamo quindi: | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | Sul nodo 2 la forza agente sarà la somma delle due forze, ovvero il contributo dell’elemento 1 sommato al contributo dell’elemento 2: | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | È importante osservare che l’elemento 3 non influisce sull’equilibrio del nodo 2. | ||
+ | |||
+ | Inseriamo F< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | (gli elementi non segnati sono indeterminati) | ||
+ | |||
+ | Per capire come inserire in maniera rapida tutti i termini all’interno della matrice di rigidezza, si osservi l’elemento 1: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | === Definizione scrittura locale e globale === | ||
+ | |||
+ | Nella numerazione globale, l’elemento 1 assume i seguenti valori: | ||
+ | |||
+ | * //i// = 4 | ||
+ | * //j// = 5 | ||
+ | * //k// = 2 | ||
+ | |||
+ | Si ricorda che la regola dell’assemblaggio prevede di associare allo spostamento lungo //x// la numerazione 2n-1 (dove n è il numero del nodo di numerazione globale) e allo spostamento lungo //y// la numerazione 2n. | ||
+ | Dunque: | ||
+ | |||
+ | * //i// = 4 : 7 - 8 | ||
+ | * //j// = 5 : 9 - 10 | ||
+ | * //k// = 2 : 3 - 4 | ||
+ | |||
+ | Seguendo questa regola e con l’aiuto dell’immagine, | ||
+ | * K< | ||
+ | * K< | ||
+ | * K< | ||
+ | * K< | ||
+ | |||
+ | È bene ricordare che per comporre tale numerazione è necessario scrivere prima l’indice di riga e poi l’indice di colonna associato all’elemento K< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
+ | **__Attenzione__: | ||
+ | Se la matrice fosse piena di elementi, si dovrebbero fare troppi calcoli. Ad esempio, per analizzare un crash test completo vengono spese dalle 24 alle 48 ore, nonostante i dati vengano elaborati da più computer che lavorano in parallelo. | ||
+ | Dunque, si ha interesse a rendere alcuni elementi nulli, senza toccare gli elementi diagonali i quali rimarranno sempre diversi da zero. | ||
+ | La matrice ottenuta sarà sempre **simmetrica e semidefinita positiva** e ciò la renderà **non invertibile** poiché il suo determinante è nullo. | ||
+ | Il fatto che la matrice sia simmetrica e semidefinita positiva ha un significato fisico: dal punto di vista statico, il problema non è risolvibile poiché non vi sono vincoli. Si nota, infatti, che la forza P< | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Si può fare un ragionamento analogo anche nel caso di un tubo in pressione con risultante nulla: | ||
+ | |||
+ | {{: | ||
+ | |||
+ | P< | ||
+ | |||
+ | P< | ||
+ | |||
+ | Entrambe le pressioni agiscono su volumi chiusi e generano “spostamenti deformativi” a meno di spostamenti rigidi, ovvero deformano il tubo (“spostamento deformativo”) in egual modo ovunque si trovi il tubo nello spazio dimensionale. | ||
+ | Questa situazione non è risolvibile al FEM poiché la struttura non risulta vincolata. | ||
+ | |||
+ | Dunque, come si vincola una struttura dal punto di vista matriciale? | ||
+ | Quando si inserisce un carrello od una cerniera in una struttura, si impone che lo spostamento in un determinato punto della struttura stessa sia uguale a zero. | ||
+ | Si consideri una mesh con 97 nodi (194 gradi di libertà): | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Immaginiamo di vincolare 1 g.d.l., ovvero di rendere nullo uno spostamento: | ||
+ | Scriviamo F< | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | Ora, si annullino tutti i termini K della riga 105 tranne il termine K< | ||
+ | |||
+ | K< | ||
+ | |||
+ | Inoltre, si ponga F< | ||
+ | In questo modo, si ottiene: | ||
+ | |||
+ | 0 = δ< | ||
+ | |||
+ | L’obbiettivo è stato raggiunto poiché ora δ< | ||
+ | Così facendo, però, si è persa la simmetria della matrice. | ||
+ | Per ripristinare la simmetria, dovrei annullare anche tutti gli elementi della colonna che contiene K< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | È possibile annullare tutti gli elementi della colonna 105 (tranne l’elemento diagonale) poiché è stato imposto δ< | ||
+ | Si analizza ora il caso di vincolo cedevole, imponendo δ< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Si pone F< | ||
+ | |||
+ | 10 = 1 * δ< | ||
+ | In questo caso non è possibile annullare i termini della colonna 105 poiché, ad esempio: | ||
+ | |||
+ | F< | ||
+ | |||
+ | Se si annullasse K< | ||
+ | Infatti si avrebbe: K< | ||
+ | Per evitare questo problema, si portano a sinistra i vari termini K< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | È necessario prestare attenzione alla riga 105: | ||
+ | |||
+ | K< | ||
+ | |||
+ | Va inserito il numero 10 e non K< | ||
+ | |||
+ | ====Autori==== | ||
+ | Stefano Codognotto, Andrea Hawila, Michele Pagura, Nicolò Salgaro. | ||
+ | |||
+ | ====Tabella di monitoraggio carico orario==== | ||
+ | Ore-uomo richieste per la compilazione della pagina. | ||
+ | |||
+ | ^ Autore/ | ||
+ | | Codognotto | ||
+ | | Hawila | ||
+ | | Pagura | ||
+ | | Salgaro | ||
+ | | Revisore 1 | --- | 0.75 | ||
+ | | Revisore 2 | --- | --- | --- | --- | --- | | ||
+ | | Revisore 3 | --- | --- | --- | --- | --- | | ||
+ | | Revisore 4 | --- | --- | --- | --- | --- | | ||
+ | | **Totale** | ||
+ | |||
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+ | |||
+ | ~~DISCUSSION~~ |