Metoda elementów skończonychmilenin/Dydaktyka/MES/MES2005a.pdf · Metoda Elementów Skończonych...
Transcript of Metoda elementów skończonychmilenin/Dydaktyka/MES/MES2005a.pdf · Metoda Elementów Skończonych...
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda elementów skończonych
Wykłady: prof. dr hab. inŜ. Andrzej Milenin
Pok. B5 710
E-mail: [email protected]
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Literatura
• M. Pietrzyk Metody numeryczne w przeróbce plastycznej metali // AGH, Kraków, 1992
• O.C.Zienkiewicz, R.L.Taylor The Finite Element Method// Butterworth Heinemann, 3 vol, 5-th Edition, London, 2000
• Zienkiewicz O.C., Metoda elementów skończonych, Arkady, Warszawa, 1972.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
1. Główna koncepcja metody elementów skończonych
2. Dyskretyzacja ośrodka, typy elementów skończonych
3. Podstawy rachunku wariacyjnego
4. Rozwiązanie stacjonarnych i niestacjonarnych zadań, w których niewiadomą jest funkcja skalarna
5. Rozwiązanie zadań, w których niewiadomą jest funkcja wektorowa
6. Opracowanie programu do symulacji procesów przeróbki plastycznej za pomocą MES
SPIS TREŚCI
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
- Metoda elementów skończonych (MES) jest metodęrozwiązywania równań róŜniczkowych, spotykanych w fizyce i technice.
- Powstanie tej metody jest związane z rozwiązywaniem zagadnieńbadań kosmicznych (1950 r.).
- W obecnej chwili MES jest wykorzystywana praktycznie we wszystkich dziedzinach nauki (transport masy, transport ciepła, przepływ cieczy, pola napręŜeń).
Po raz pierwszy metoda ta była opublikowana w pracy :Turner M.J., Clough R.W., Martin H.C., Topp L.J. Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures // J.Aeronavt. Sci., 1956, #23, p. 805-824.
Wstęp
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Przykład z technologii kucia matrycowego
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Przykład z technologii walcowania
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Główna idea MES polega na tym, Ŝe dowolną ciągłą wartość (np. temperaturę) moŜna zamienić na model dyskretny.
Model ten jest oparty na ograniczonej ilości węzłów, które tworząograniczoną ilość elementów skończonych
1. Główna koncepcja metody elementów skończonych
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
1. W rozpatrywanym ośrodku bierzemy pod uwagę ograniczoną ilość punktów(węzłów).
2. Wartości temperatury (lub innej funkcji) w kaŜdym węźle definiujemy jako parametr, który musimy wyznaczyć.
3. Strefa wyznaczenia temperatury dzieli się na ograniczoną ilość pod-stref, które nazywamy elementami skończonymi.
4. Temperaturę aproksymuje się na kaŜdym elemencie za pomocą wielomianu, który wyznaczony jest za pomocą węzłowych wartości temperatury. Wyznacza się go w taki sposób, aby zachować warunek ciągłości temperatury na granicach elementów.
5. Węzłowe wartości temperatury muszą być dobrane w taki sposób, aby zapewnićnajlepsze do rzeczywistego przybliŜenie pola temperatury. Taki dobór wykonywany jest za pomocą minimalizacji funkcjonału, który odpowiada róŜniczkowemu równaniu przewodzenia ciepła.
1.1. Algorytm MES
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
1.2 WaŜniejsze zalety MES w porównaniu do innych metod
1. Własności materiału elementów niekoniecznie muszą być jednakowe. To daje moŜliwość wykorzystania MES do materiałów wielofazowych, jak równieŜ do materiałów, których własności są funkcją temperatury.
2. Ośrodek o skomplikowanym kształcie moŜe być zaproksymowana z duŜądokładnością za pomocą elementów krzywoliniowych.
3. Wymiary elementów mogą być objętościowo róŜne. To daje moŜliwośćpowiększania lub zmniejszania wymiarów elementów w pewnych strefach rozpatrywanej objętości.
4. Za pomocą MES moŜna uwzględniać nieliniowe warunki brzegowe.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
1.3. Typy rozpatrywanych zadań
Rozwiązanie zadań, w których niewiadomą jest funkcja skalarna
1. Przypływ ciepła w stanie ustalonym 2. Niestacjonarny przepływ ciepła 3. Dyfuzji składnika w ciałach stałych4. Dyfuzja w czasie krzepnięcia materiałów dwufazowych5. Przypływ ciepła w czasie krzepnięcia materiałów
Rozwiązanie zadań, w których niewiadomą jest funkcja wektorowa
1. Stan napręŜeń spręŜystych w ciałach o skomplikowanym kształcie obciąŜonych siłami2. NapręŜenia cieplne w ciałach o skomplikowanym kształcie3. Zadania teorii płynów 4. Zadania teorii plastyczności
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
2. Dyskretyzacja ośrodka
Rozkład temperatury w jednowymiarowym pręcie
Główna koncepcja MES moŜe być pokazana na jednowymiarowym przykładzie aproksymacji ciągłego pola temperatury w pręcie
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Rozpatrzmy ciągły rozkład temperatury t(x) na odcinku 0L wzdłuŜosi X analizując pięćwęzłowych punktów na odcinku 0L
2.1 Dyskretyzacja ośrodka jednowymiarowego
Punkty węzłowe (a) i ewentualni wartości t(x) (b).
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
•Rozdzielenie ośrodka 0L na elementy moŜna wykonać na róŜne sposoby.
•Na przykład moŜna wykorzystaćdwa sąsiednie węzły.
•Wtedy otrzymamy cztery elementy, lub rozdzielić strefę na dwa elementy, z których kaŜdy zawiera trzy węzły.
Rozdzielenie ośrodka na elementy
Podział ośrodka na elementy pierwszego (a) i drugiego (b) stopnia.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Wielomian aproksymujący wyznaczamy na podstawie wartości temperatury w węzłach elementu. W przypadku rozdzielenia rozpatrywanej strefy na cztery elementy, kaŜdy element zawiera dwa węzły i funkcja aproksymująca będzie liniową względem osi X.
Inny sposób rozdzielenia strefy na dwa elementy z 3 węzłami powoduje wykorzystanie wielomianu aproksymującego drugiego stopnia. W tym przypadku ostatecznym wariantem aproksymacji będzie siatka z dwóch elementów skończonych drugiego stopniu.
Aproksymacja pola temperatury
Aproksymacja pola temperatury przez funkcję liniową i kwadratową
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Przy opracowaniu dwu- lub trzywymiarowego modelu dyskretnego temperatury główną koncepcję MES wykorzystuje się w sposób analogiczny.
Funkcje elementów dla zadania dwuwymiarowego pokazane są na rysunku.
2.2 Dyskretyzacja ośrodka dwuwymiarowego
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
2.3 Element jednowymiarowy Jednowymiarowy simpleks-element jest to prosty odcinek o długości L. Oznaczmy węzły literami i, j, węzłowe wartości temperatur – przez t
ii tjodpowiednie.
Funkcja aproksymująca dla tego elementu ma postać:
Xaat 21 +=Współczynniki a1 i a2 moŜna wyznaczyć za pomocąwarunków w punktach węzłowych:
jj
ii
XXprzytt
XXprzytt
==
==
Te warunki powodują następujący układ równań:
+=
+=
jj
ii
Xaat
Xaat
21
21
rozwiązanie których daje:
L
XtXta
ijji −=1
L
tta
ij −=2
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Funkcji kształtu elementu jednowymiarowego
XL
tt
L
XtXtt
ijijji
−+
−=
ji
i
jt
L
XXt
L
XXt
−+
−=
Funkcje liniowe od X nazywa się funkcjami kształtu. Oznaczymy ty funkcji przez N. KaŜda funkcja kształtu powinna miecz dolny indeks dla identyfikacji węzła, do którego ona naleŜę.
L
XXN
j
i
−=
L
XXN i
j
−=
[ ]{ }tNtNtNt jjii =+=
[ ] [ ]jiNNN ={ }
=j
i
t
tt Wykresy funkcji kształtu Ni i Nj
11
=∑=
n
Nβ
β
L
XXN
j
i
−=
L
XXN i
j
−=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Ogólne właściwości funkcji kształtu
Zarówno funkcje kształtu, otrzymane powyŜej dla dwóch typów elementów, jak i funkcje kształtu dowolnego elementu skończonego mają następujące wspólne własności:
1. Suma funkcji kształtu elementu w jego dowolnym punkcie równa jest jeden.Dla elementu jednowymiarowego tą właściwość moŜna przedstawić w postaci ogólnej:
1==−
=−
+−
=+L
L
L
XX
L
XX
L
XXNN
ijij
ji
Otrzymany wynik nie zaleŜy od X, dlatego ten warunek spełniony jest dla wszystkich punktów elementu.
2. Dowolna funkcja kształtu równa jeden w odpowiednim jej węźle i równa zeru w pozostałych węzłach tego elementu. Dla elementu jednowymiarowego ta własność jest oczywista. Na przykład, dla węzła i mamy
1==−
=−
=L
L
L
XX
L
XXN
ijj
i
3. Na granicach pomiędzy elementami funkcji kształtu są ciągłe.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zadanie 1. Określić wartość temperatury w zadanym punkcie b
Schemat do zadania 1.
ti = 110 0C, tj = 230
0C, Xb = 4 mm
Rozwiązanie:
Obliczenie funkcji kształtu w punkcie b:
Kontrola wartości funkcji kształtu:
Wartość temperatury w punkcie b:
( ) ;75.037
47=
−
−=
−
−=
ij
bjb
iXX
XXN
( ) .25.037
34=
−−
=−
−=
ij
ibb
jXX
XXN
125.075.0 =+=+ ji NN
CNtNtt jjiib
01405.575.8225.023075.0110 =+=⋅+⋅=+=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Simpleks-element dwuwymiarowy –jest to trójkąt z trzema węzłami dla aproksymacji pola temperatury (lub innej funkcji)
Rozpatrzmy numerację węzłów w kierunku przeciwnym do strzałki zegara i oznaczymy je jako i, j, k.
2.4. Element dwuwymiarowy
Kolejność numeracji węzłów w simpleks- elemencie dwuwymiarowym
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Wartości współczynników α1 α2 α3 otrzymamy wychodząc z warunków w węzłach elementu:
Funkcji kształtu elementu dwuwymiarowego
Schemat do wyznaczenia funkcji kształtu w simpleks- elemencie dwuwymiarowym
++=⇒===
++=⇒===
++=⇒===
kkkkkk
jjjjjj
iiiiii
YaXaatttYYXXprzy
YaXaatttYYXXprzy
YaXaatttYYXXprzy
321
321
321
,,
,,
,,
Następnie po rozwiązaniu układu równańotrzymamy wzory dla α1, α2 i α3 :
( ) ( ) ( )[ ]kijjijkiikijkkj tYXYXtYXYXtYXYXA
−+−+−=2
11α
( ) ( ) ( )[ ]kjijikikj tYYtYYtYYA
−+−+−=2
12α
( ) ( ) ( )[ ]kijjkiijk tXXtXXtXXA
−+−+−=2
13α
kijkijikjikj
kk
jj
ii
YXYXYXYXYXYX
YX
YX
YX
A −−−++==
1
1
1
2
gdzie: А – pole elementu skończonego
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
{ } { }ϕϕϕϕϕ ⋅=++= T
kkjjii NNNN
( )YcXbaA
N iiii ++=2
1
( )YcXbaA
N jjjj ++=2
1
( )YcXbaA
N kkkk ++=2
1
jki
kji
jkkji
XXc
YYb
YXYXa
−=
−=
−=
kij
ikj
kiikj
XXc
YYb
YXYXa
−=
−=
−=
ijk
jik
ijjik
XXc
YYb
YXYXa
−=
−=
−=
Funkcji kształtu elementu dwuwymiarowego
{ } { }tNNtNtNttT
kkjjii ⋅=++=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Określić wartość napręŜenia w zadanym punkcie B Zadanie 2
σσσσi = 2 MPa
Xi = 0 mm
Yi= 0 mm
σσσσj = 4 MPa
Xj= 4 mm
Yj= 0.5 mm
σσσσk = 7 MPaXk= 2 mm
Yk= 5 mm
XB=2 mm
YB=1.5 mm
σσσσB = ?
kkjjii NNN σσσσ ++=
242
5.455.0
195.0254
−=−=−=
−=−=−=
=⋅−⋅=−=
jki
kji
jkkji
XXc
YYb
YXYXa
220
505
05002
−=−=−=
=−=−=
=⋅−⋅=−=
kij
ikj
kiikj
XXc
YYb
YXYXa
404
5.05.00
0045.00
=−=−=
−=−=−=
=⋅−⋅=−=
ijk
jik
ijjik
XXc
YYb
YXYXa
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( )19
7
2
1=++= YcXba
AN iiii
( )19
7
2
1=++= YcXba
AN jjjj
( )19
5
2
1=++= YcXba
AN kkkk
19
1
1
1
2 =−−−++== kijkijikjikj
kk
jj
ii
YXYXYXYXYXYX
YX
YX
YX
A
119
5
19
7
19
7=++=++ kji NNN
4.394619
534
19
740
19
7
)()()(
=++=
=++= B
kk
B
jj
B
iiB NNN σσσσ
Określić wartość napręŜenia w zadanym punkcie B
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Rozwiązanie zadań, w których niewiadomą jest funkcja skalarna
1. Przypływ ciepła w stanie ustalonym 2. Niestacjonarny przepływ ciepła 3. Dyfuzji składnika w ciałach stałych4. Dyfuzja w czasie krzepnięcia materiałów dwufazowych5. Przypływ ciepła w czasie krzepnięcia materiałów
( ) ( ) ( ) 0=
∂∂
−+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
τρ
tcQ
z
ttk
zy
ttk
yx
ttk
xeffzyx
( ) ( ) ( ) 0=
∂∂
−+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
τu
AQz
uuk
zy
uuk
yx
uuk
xzyx
u – stęŜenie (dyfuzja), wilgotność (zw. w atmosferze), temperatura ...
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
3. Symulacja stacjonarnych procesów cieplnych za pomocą MES
( ) ( ) ( ) 0=
∂∂
−+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
τρ
tcQ
z
ttk
zy
ttk
yx
ttk
xeffzyx
Zjawiska cieplne zachodzące w stanie ustalonym opisuje równanie Furiera w postaci:
k - anizotropowe współczynniki przewodzenia ciepła (W/mK) w zaleŜności od temperatury t (K), Q – prędkość generowania ciepła (W/m3)
Zadanie rozwiązania równania Furiera sprowadza się do poszukiwania minimum takiego funkcjonału, dla którego równanie Furiera jest równaniem Eulera. Według rachunku wariacyjnego funkcjonał taki będzie miał postać:
dVQtz
t
y
t
x
ttkJ
V
∫
−
∂∂
+
∂∂
+
∂∂
=222
2
)(
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Warunki brzegowe
Funkcja t(x,y,z) musi spełniać określone warunki brzegowe na powierzchni metalu:
- na powierzchni metalu zadana jest temperatura t;
- na powierzchni metalu zadany jest strumień cieplny q według prawa konwekcji:
( )∞−=
∂∂
+∂∂
+∂∂
ttaz
ta
y
ta
x
ttk konwzyx α)(
- na powierzchni metalu zadany jest strumień cieplny q według prawa wymiany radiacyjnej:
( )44)( ∞−=
∂∂
+∂∂
+∂∂
ttaz
ta
y
ta
x
ttk radzyx σ
σrad - współczynnik wymiany ciepła przez radiacje (W/m2K4).
αkonw - współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła (W/m2 K);
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Warunki brzegowe w funkcjonale Bezpośrednie wprowadzenie warunków brzegowych do funkcjonału nie jest moŜliwe. W praktyce narzuca się ten warunek poprzez dodanie do funkcjonału całki w postaci:
( ) ∫∫ +− ∞
SS
qtdSdStt2
2
α
gdzie: S – powierzchnia na której zadane są warunki brzegowe.
W rezultacie otrzymujemy:
( ) ∫∫∫ +−+
−
∂∂
+
∂∂
+
∂∂
= ∞SSV
qtdSdSttdVQtz
t
y
t
x
ttkJ
2222
22
)( α
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( ) ∫∫∫ +−+
∂∂
= ∞
SS
2
V
2
dS2
1dS
2dV
2
1tqtt
x
tkJ
α
Zadanie jednowymiarowe
Siatka elementów
02
2
=dx
tdk
0=+ qdx
dtk
0)( =−+ ∞ttdx
dtk α , przy X=0;
, przy X=L
Warunki brzegowi :
Podstawowe równanie :
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Wybór typu aproksymacji i
elementów skończonych.
Funkcje kształtu
( ) ( ) [ ] { }ϕϕϕ
ϕ
⋅=+
=+==
NXNXN
XCCt
jjii
10
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Funkcje kształtu
( ) ( ) [ ] { }ϕϕϕ
ϕ
⋅=+
=+==
NXNXN
XCCt
jjii
10
Ni przyjmuje wartość zero w kaŜdym węźle z wyjątkiem węzła i, w którym przyjmuje wartość 1.
ij
ij
XX
XXN
−−
=
;ij
j
iXX
XXN
−
−=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
[ ]∫∫ ∞−++
=VV
dSttqtdVdx
dtkJ 2
21
2
)(2
α
2)1(
21)1(
1)1( tNtNt +=
3)2(
32)2(
2)2( tNtNt +=
.
;
L
XXN
L
XXN
i
j
j
i
−=
−=
[ ] {}tNNtNtt jjii ⋅=+=
( )11)1(
1L
XXN
−=( )1
2)1(2
L
XXN
−=
( )22)2(
2L
XXN
−=
)2(3)2(
3L
XXN
−=
Zastosowanie metody elementów skończonych
Funkcje kształtu:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
∫ =1
11)(s
SqtdSxqt
)1(21
)1( )(
L
tt
dx
dt +−=
)2(32
)2( )(
L
tt
dx
dt +−=
[ ]∫∫ ∞−++
=SV
dSttqtdVdx
dtkJ 2
21
2
)(2
α
[ ] ( )23
23
32
2)(
23
∞∞∞ +−=−∫ ttttS
dStxtS
αα
( ) 2322
2212
2
2 )()(2
)2()2(
1
)1()1(
ttttdVLSK
V
LSK
dxdtK +−++−=∫
Obliczenie składowych funkcjonału
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
)2(2
)2()2(
23
23
311
2332
222
2221
212
)2()1(
∞∞ +−+
++−++−=
ttttS
tqS
ttttttttJ CC
α
)2(
)2()2()2(
)1(
)1()1()1(
L
KSC
L
KSC
=
=
W rezultacie otrzymujemy funkcjonał:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( )
( )
=−++−=∂∂
=−++−=∂∂
=+−=∂∂
∞ 0
0
0
3)2(
2)2(
3
3)2(
2)2()1(
1)1(
2
2)1(
1)1(
1
AttACtCt
J
tCtCCtCt
J
qStCtCt
J
αα
−
=
+ −
− + −
−
∞ αSt
qS
t
t
t
α C C
C C C C
C C
0
0
0
3
2
1
) 2 ( ) 2 (
) 2 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 1 (
) 1 ( ) 1 (
Minimalizacja funkcjonału sprowadza się do obliczenia pochodnych cząstkowych tego funkcjonału względem wartości
węzłowych temperatury:
[ ]{ } { } 0=+ PtH
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zadanie
K =75 W/cm0С,
αααα = 10 W/cm2 0С, S = 1 cm2,
L = 7.0 cm,
L1= 3.5 cm,
L2= 3.5 cm,
q = -150 W/cm2,t∞∞∞∞= 40 0С
=
−
−−
−
400
0
150
30200
204020
02020
3
2
1
t
t
t
t={70, 62.5 , 55}
C(1)= 75 / 3.5 = 20 = C(2)
ααααS(3) = 10
-qS(1) = -(-150) = 150
ααααS(3) t∞∞∞∞= 10 40 = 400
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Symulacja stacjonarnych procesów cieplnych za pomocą MES. Ogólne zasady.
( ) ( ) ( ) 0=+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
Qz
ttk
zy
ttk
yx
ttk
xzyx
Zjawiska cieplne zachodzące w stanie ustalonym opisuje równanie Furiera w postaci:
dVQtz
t
y
t
x
ttkJ
V
∫
−
∂∂
+
∂∂
+
∂∂
=222
2
)(
( ) ∫∫∫ +−+
−
∂∂
+
∂∂
+
∂∂
= ∞SSV
qtdSdSttdVQtz
t
y
t
x
ttkJ
2222
22
)( α
Wprowadzenie warunków brzegowych:
Zadanie rozwiązania równania Furiera sprowadza się do poszukiwania minimum funkcjonału:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dyskretyzacja przedstawionego problemu
Dyskretyzacja przedstawionego problemu polega na podzieleniu rozpatrywanej strefy na elementy i przedstawieniu temperatury wewnątrz elementu jako funkcji wartości węzłowych zgodnie z zaleŜnością:
{ } { }∑=
==n
i
T
ii tNtNt1
Wprowadzając zaleŜności t i dt/dx do funkcjonału otrzymamy:
{ } { } { } { } { } { } { } { } { } { }( ) { } { } .22
)( 2222
∫∫∫ +−+
−
∂∂
+
∂∂
+
∂∂
= ∞
S
T
S
T
V
T
TTT
dStNqdSttNdVtNQtz
Nt
y
Nt
x
NtkJ
α
{ } { }( ) { } { }tx
NtN
xx
tT
T
∂∂
=∂∂
=∂∂
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Minimalizacja funkcjonału Minimalizacja funkcjonału sprowadza się do obliczenia pochodnych cząstkowych tego funkcjonału względem wartości węzłowych temperatury, Ŝe w rezultacie prowadzi do następującego układu równań:
{ }{ } { } { } { } { } { } { } { } { } { }( ){ } { } .)( ∫∫∫ +−+
−
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
=∂∂
∞
SS
T
V
TTT
dSNqdSNttNdVNQtz
N
z
N
y
N
y
N
x
N
x
Ntk
t
Jα
Ten układ równań zapisany w postaci macierzowej ma postać:
[ ]{ } { } 0=+ PtH
[ ] { } { } { } { } { } { } { }{ } ,)( ∫∫ +
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
=S
T
V
TTT
dSNNdVz
N
z
N
y
N
y
N
x
N
x
NtkH α
{ } { } { }∫ ∫−−= ∞
S V
dVNQdStNP .α
Minimalizacja funkcjonału moŜe być równieŜ wykonana przez bezpośredni dobór węzłowych wartości temperatury.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Symulacja niestacjonarnych procesów cieplnych za pomocą MES. Ogólne zasady.
Równanie Furiera dla procesu niestacjonarnego ma postać:
( ) ( ) ( ) 0=
∂∂
−+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
+
∂∂
∂∂
τρ
tcQ
z
ttk
zy
ttk
yx
ttk
xeffzyx
W określonej chwili czasu pochodne temperatury mogą być traktowane jako funkcje tylko współrzędnych x,y,z. Wtedy rozwiązanie równania Furiera jest prowadzone analogicznie jak dla procesu stacjonarnego przyjmując całe wyraŜenie w nawiasie jako parametr Q.
[ ]{ } [ ] { } { } 0=+∂∂
+ PtCtHτ
[ ] { } { }∫=V
T
eff dVNcNC ρ[ ]{ } { } 0=+ PtH
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Uwzględnienie czasu za pomocą metody waŜonych residuum
W ogólnym przypadku wartości temperatury w węzłach {t} zaleŜą od czasu. Przyjmując, Ŝe wektor {t0} reprezentuje temperatury węzłowe w chwili τ=0, to w przedziale czasu ∆τwektor ten będzie wyznaczony równaniem:
{ } { } { }{ }
=1
010 ,
t
tNNt
W tym równaniu {N0} i {N1} są funkcjami kształtu zaleŜnymi od czasu. Przyjmując, Ŝe dla małych przedziałów ∆τ zaleŜność temperatur węzłowych od czasu jest liniowa, funkcje kształtu przyjmą postać:
τττ
∆−∆
=0N
ττ∆
=1N
{ } { }{ }
{ } { }{ }
−∆
=
∂
∂
∂
∂=
∂∂
1
0
1
010 1,11
,t
t
t
tNNt
ττττ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dyskretyzacja czasowaPoniewaŜ wektor temperatur węzłowych jest znany, dla przeprowadzenia całkowania równania Furiera względem czasu naleŜy wprowadzić tylko jedną waŜoną residualną zgodnie z zaleŜnością:
[ ]{ } { }{ }
{ }{ }
{ } 0,,1
010
1
010
0
1 =
+
∂∂
∂∂
+
∫∆
τττ
τ
dPt
tNNC
t
tNNHN
Wprowadzając funkcje kształtu N0 i N1 do tego równania otrzymamy:
[ ] { } { } { } { }( ) { } 01010
0
=
++−
∆+
∆+
∆−∆
∆∫∆
τττ
ττττ
τττ
dPttC
ttH
[ ] [ ] { } [ ] [ ] { } { } 0333
2 01 =+
∆
−+
∆
+ PtCt
HtCt
H
Otrzymane wyraŜenie jest układem liniowych równań algebraicznych pozwalających obliczyćwartości temperatur węzłowych {t1} po czasie ∆t przy zadanych temperaturach {t2} w chwili τ=0
[ ]{ } [ ] { } { } 0=+∂∂
+ PtCtHτ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zagadnienie wyznaczenia nieustalonego pola temperatury we wsadzie o przekroju okrągłym
Pole temperaturowe we wsadzie o przekroju okrągłym.
Schemat obliczeniowy do wyznaczenia nieustalonego pola temperatury we wsadzie o przekroju okrągłym.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Proces minimalizacji funkcjonału dla jednego elementu
∫∫∫ ∞−+−
=SVV
dSttQtdVdVdx
dtkJ 2
21
2
)(2
α
Temperatura wewnątrz elementów zdefiniowana jest następnym wzorom:
21
12
22111
tr
rrt
r
rrtNtNtNt
nodn
i
ii ∆−
+∆−
=+==∑=
Ni– funkcji kształtu węzłów, t
1i t2– temperatury w węzłach rozpatrywanego
elementu.
Wyznaczymy pochodną temperatury względem r:r
ttt
r
Nt
r
N
r
t
∆−
=∂∂
+∂∂
=∂∂ 12
22
11
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Obliczymy całkę objętościową w funkcjonale
∫∫∫ ∞−+−
=SVV
dSttQtdVdVdx
dtkJ 2
21
2
)(2
α
rLdrdV π2=
LrdSS
max2π=∫
L – długość wsadu, rmax
– promień wsadu
( )∑∫∫ ∑∫==
∆−
=
∆−
=
∂∂
=
pnodn
p
pp
r
r
r
r
n
i
ii
V
Jwrr
ttLkrdr
r
ttkLrLdrt
r
NkdV
dx
dtk
1
2
12
2
12
2
1
2
det222
2
1
2
1
πππ
gdzie: detJ – wyznacznik macierzy Jacobiego, który jest Jakobianem transformacji układu współrzędnych ( ), w – współczynniki wagi w punktach całkowania Gaussa rp
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Transformacja układu współrzędnych
Dla rozpatrywanego przypadku (jednowymiarowego) transformacja wyznaczona jest następującym wzorem
( ) ( ) 2122111
12
11
2
1rrrNrNrNr
nodn
i
ii ξξ ++−=+==∑=
ξ - współrzędna lokalna
Wartość wyznacznika macierzy Jacobiego:22
detdet 122
21
1 rrrr
Nr
N
d
drJ
∆=
−=
∂∂
+∂∂
=
=
ξξξ
( ) ( )∑∑∫==
∆−∆
=
∆−
=
pp n
p
pp
n
p
pp
V
wrr
ttrLkJwr
r
ttLkdV
dx
dtk
1
2
12
1
2
12
2
2det
2ππ
( ) ( ) 2122111
12
11
2
1rrrNrNrNr pppp
n
i
iipp
nod
ξξ ++−=+==∑=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Całkowanie numeryczne i analityczne
∫∫
∆
−=
∆
− 2
1
2
1
2
12
2
12
r
r
r
r
rdrr
ttkrdr
r
ttk
( ) ( ) ;482
119
2
1
2
1 21
22
2
1
=⋅=−⋅=−⋅=∫ rrrdr
r
r
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )( )
( ) 02.404.82
13577.1433.03433.0577.1
2
1
13577.011577.013577.011577.012
1
det12
11
2
1det
2
121
2
1
2
1
=⋅=⋅++⋅+
=⋅⋅++⋅−+⋅−+⋅+
=
++−== ∑∑∫==
p
p
ppp
p
ppp
r
r
JwrrJwrrdr ξξ
( ) ( ) 2122111
12
11
2
1rrrNrNrNr pppp
n
i
iipp
nod
ξξ ++−=+==∑=22
detdet 122
21
1 rrrr
Nr
N
d
drJ
∆=
−=
∂∂
+∂∂
=
=
ξξξ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dyskretyzacja czasowaWartość współczynnika Q moŜna wyznaczyć następująco:
τρd
dtcQ =
( )( )
( ) ( )( )[ ] ,2
2
12211202101
22211
122112021012211
∑
∑∫∫
=
=
++−+∆∆
=
=∆+−−+∆
==
p
p
n
p
pp
n
p
pp
VV
wrtNtNtNtNtNtNrLc
rwrtNtNtNtNtNtNLc
tdVd
dtcQtdV
τρπ
τρπ
τρ
{ }{ } 2021010
2211
tNtNt
tNtNt
+=
+=
( ) ( )ττ ∆
+−+= 2021012211 tNtNtNtN
d
dt
{ } { }{ }
{ }{ }{ }
−∆
=
∂
∂
∂
∂=
∂∂
t
t
t
tNNt 0010 1,11
,ττττ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dyskretyzacja ośrodka
( )22max2
21 )( ∞∞ −=−∫ ttLrdStt
S
απαLrdSS
max2π=∫
( ) ( ) ( )( )[ ] ( ) ,2
22
2max1
22112021012
22111
2
12∞
==
−+++−+∆∆
−
∆−∆
= ∑∑ ttLrwrtNtNtNtNtNtNrLc
wrr
ttrLkJ
pp n
p
pp
n
p
ppe απτρπ
π
( ) ( ) ( )( )[ ] ( ) .2
22
2max1
22112021012
22111
2
12∞
==
−+++−+∆∆
−
∆−∆
= ∑∑ ttrwrtNtNtNtNtNtNrc
wrr
ttrkJ
pp n
p
pp
n
p
ppe ατρ
=∂∂
=∂∂
0
0
2
1
t
J
t
J
e
e
Dla minimalizacji funkcjonału wykorzystamy warunek ekstremum funkcji:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Proces minimalizacji funkcjonału
( ) ( )( ) .0221
1120210112211
1
12
1
=+−+∆∆
−
∆−
∆−
∆=∂∂ ∑∑
==
pp n
p
pp
n
p
ppe wrNtNtNNtNtN
rcwr
rr
ttrk
t
J
τρ
( ) .02
44
11202101
121
12
1
21
11
1
=+∆∆
+
+
∆∆
−∆
−+
∆∆
−∆
=∂∂
∑
∑∑∑∑
=
====
p
pppp
n
p
pp
n
p
pp
n
p
pp
n
p
pp
n
p
ppe
wrNtNtNrc
wrNNrc
wrr
ktwrN
rcwr
r
kt
t
J
τρ
τρ
τρ
( ) .022
244
max1
2202101
max1
22
12
121
11
2
=−+∆∆
+
+
+
∆∆
−∆
+
∆∆
−∆
−=∂∂
∞=
====
∑
∑∑∑∑
trwrNtNtNrc
rwrNrc
wrr
ktwrNN
rcwr
r
kt
t
J
p
pppp
n
p
pp
n
p
pp
n
p
pp
n
p
pp
n
p
ppe
ατρ
ατρ
τρ
Analogiczne dla t2:
Po zróŜniczkowaniu funkcjonału względem temperatury t1 w węzłach, otrzymamy:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Równania w postaci macierzowej
=
2
1
2221
1211
2
1
P
P
HH
HH
t
t
∑∑== ∆
∆−
∆=
pp n
p
pp
n
p
pp wrNrc
wrr
kH
1
21
111
2
τρ
∑∑== ∆
∆−
∆−=
pp n
p
pp
n
p
pp wrNNrc
wrr
kH
121
112
2
τρ
∑∑== ∆
∆−
∆−=
pp n
p
pp
n
p
pp wrNNrc
wrr
kH
112
121
2
τρ
max1
22
122 2
2rwrN
rcwr
r
kH
pp n
p
pp
n
p
pp ατρ
+∆∆
−∆
= ∑∑==
( )∑=
+∆∆
−=pn
p
ppwrNtNtNrc
P1
12021011
2
τρ
( ) ∞=
++∆∆
−= ∑ trwrNtNtNrc
Ppn
p
pp max1
22021012 22
ατρ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Układ równań dla całego ośrodkaW celu otrzymania układu równań dla całego ośrodka naleŜy dodawać do elementów globalnej macierzy odpowiednie elementy lokalnej macierzy wszystkich elementów:
[ ] [ ]∑=
=en
e
eg HH1
Przystępując do budowy macierzy sztywności dla całego ośrodka naleŜy w pierwszej kolejności zmienić indeksy zgodnie z numeracją o numerach stopni swobody całego ośrodka. W tym celu konieczna jest informacja o numerach punktów węzłowych, przylegających do kaŜdego z elementów. Dla elementu numer trzy informacja taka zakodowana jest w macierzy:
Schemat podziału na elementy ilustrujący globalną i lokalną numerację węzłów
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Miejsce komponentów macierzy elementu
Dla ośrodka przedstawianego na rys miejsce komponentów macierzy elementu trzeciego pokazano w tabele
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Przykład opracowania oprogramowania i obliczeń
Rozpatrywane w poprzednim rozdziale zadanie przedstawione jest poniŜej w postaci oprogramowania TEMP1d, napisanej w języku FORTRAN 90. Program główny słuŜy jedynie do wczytywania danych do obliczeń z pliku DataInpTemp1d.txt. Wczytywane są następujące dane:
Rmin - promień minimalny wsadu, m
Rmax - promień maksymalny wsadu, m
AlfaAir - współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła (W/m2 C)
TempBegin - temperatura początkowa, C
TempAir - temperatura środowiska, C
TauMax - czas procesu, s
C - efektywne ciepło właściwe, J/(kg*C)
K - współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mC)
Ro - gęstość metalu, kg/(m3).
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dane do obliczeń testowych
Dane do obliczeń testowych z pliku DataInpTemp1d.txt przedstawiony są poniŜej:
**************************************************************************
0.0 Rmin, m
0.05 Rmax , m
300 AlfaAir, W/m2 K;
100 TempBegin C;
1200 TempAir C;
700 C J/(kg*Ę);
7800 Ro kg/(m3);
25 K W/(mĘ)
1800 TauMax s;
**************************************************************************
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Wyniki obliczenia procesu nagrzewania wsadu
Wyniki obliczenia procesu nagrzewania wsadu o przekroju okrągłym,1 – warstwa powierzchniowa, 2 – punkcie centralnym przekroju wsadu.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zadania praktyczne Obliczyć globalną macierz układu równań dla siatki elementów, pokazanej na rys. za pomocąprogramu TEMP1d.
Dla pierwszego elementu macierz H równa jest:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Miejsce komponentów macierzy elementu pierwszego
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Miejsce komponentów macierzy elementu drugiego
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Macierz globalna
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Rozwiązanie zadań, w których niewiadomąjest funkcja wektorowa
•Teoria plastyczności •Teoria spręŜystości •Teoria płynów
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Podstawy teorii plastyczności Teoria plastycznego płynięcia metali
a) ZaleŜność między prędkościami płynięcia metalu ta prędkościami odkształceń:
( )ijjiij vv ,,2
1+=ε&
b) Równania równowagi: 0, =jijσ
c) ZaleŜność między prędkościami
odkształceń i napręŜeniami:ij
i
p
ijij εε
σσδσ &
&2
30 +=
d) Warunek stałej objętości: 00 =ε&
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Warunki brzegowi
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Warunki brzegowi
• S1
• S2
• S3
• S4
• P1
• P2
( )xfric
x
xfricxyfrictooly vsign
v
vvv σσστ ===−= ;
??;;0;0 ===== yxxynx vvσσσ
?;0;0 === xyxy vvσ
?;0;0 === yxxy vvσ
0;0;0 === xyyx vv σ
0;;0 =−== xytoolyx vvv σ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Teoria małych spręŜysta-plastycznych odkształceń
a) ZaleŜność między przemieszczeniami metalu ta odkształceniami:
( )ijjiij uu ,,2
1+=ε
b) Równania równowagi:
c) ZaleŜność między odkształceniami i napręŜeniami:
ij
i
p
ijij k εεσ
εδσ2
30 +=
0, =jijσ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Sformułowanie zadania teorii plastyczności przez metodęwariacyjną
Funkcjonał – jest określony, jeŜeli kaŜdej funkcji pewnej klasy odpowiada określona liczba.
Funkcjonał – to funkcja, w której role zmiennej niezaleŜnej spełniają krzywe albo funkcje.
W modelowaniu procesów plastycznej przeróbki metali energia odkształcenia plastycznego moŜna traktować jako funkcjonał zaleŜny od składowych przemieszczenia metalu ux(x,y,z), uy(x,y,z), uz(x,y,z).
Zadaniem rachunku wariacyjnego jest określenie funkcji ux(x,y,z), uy(x,y,z), uz(x,y,z), dla jakich funkcjonał (energia odkształcenia plastycznego) osiąga minimum
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
→≠−+= ∫ ∫ ∫ min20 0
1V V S
fricii dSudVkdVJ ττεεσ
( ) 042 421 1
20
0
≡−−−−+= ∫ ∫∫ ∫ ∫ ∫∫− −SS SS
nn
V V S S
nnfricii dSudSudSudSudVkdVJi
τττ
ε
σσστεεσ
Energia odkształcenia plastycznego (funkcjonał)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dla teorii plastycznego płynięcia metali funkcjonał ma postać:
→≠−+= ∫ ∫ ∫ stac
V V S
fricii dSvdVdVJ 01
0 ττεσεσ &&
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
W innym sformułowaniu moŜna funkcjonał przedstawisz w sposób następny:
→≠−+= ∫ ∫ ∫ min20 0
1V V S
fricpenii dSvdVKdVJ ττεεσ &&
gdzie Kpen – duŜy współczynnik kary
00 →
∞→
ε&penK
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zalety metody wariacyjnej1. Mniejsi stopień pochodnych w sformułowaniu zadania brzegowego;
2. Mamy nie duŜo (15) równań, a jedne (funkcjonał);
3. Wygodne zadanie warunków brzegowych;
Problemy
1. Konieczność rozwiązania zadania wariacyjnego (określenie funkcji, dla jakich funkcjonał osiąga minimum).
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Ritza
Rozwiązanie zadania wariacyjnego według metody Ritza sprowadza się do załoŜenia postaci funkcji opisujących składowe pola prędkości.
Najwygodniej jest załoŜyć, Ŝe funkcje te są wielomianami:
+++++=
+++++=
+++++=
...
...
...
243210
243210
243210
xczcycxccv
xbzbybxbbv
xazayaxaav
z
y
x
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Wartość współczynników a, b, c w równaniach wyznacza się szukając minimum mocy odkształcenia uwzględniając, ze pole prędkości musi spełniaćwarunki brzegowe na obwiedni strefy odkształcenia.
Sprowadza się to do wyeliminowania części parametrów wariacyjnych poprzez warunki brzegowe, a następnie do rozwiązania układu równań powstałego przez róŜniczkowanie funkcjonału mocy względem pozostałych parametrów wariacyjnych:
=∂∂
=∂∂
=∂∂
0
0
0
i
i
i
c
J
a
J
b
J
ni ...1=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Przykład 1.4.1.
?),(
?),(
0
=
=
=
==
=
zxv
zxv
m
const
z
x
pfric
pi
y
στ
σσ
ε&
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
→≠−+= ∫ ∫ ∫ min02 0
1V V S
fricpenii dSvdVKdVJ ττεεσ &&
→−= ∫ ∫ minV S
fricii dSvdVJ ττεσ &
→−=−= ∫∫ ∫ min0
21
0 0
)(b
xp
h b
ip JJdSvmdzdxJ σεσ &
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
−
−+=
2
2
2
2
21 31
31
b
x
h
zxaxavx
−
−+=
∂∂
=2
2
2
2
21 13
1b
x
h
zaa
x
vxxε&
−
−+−=−= 2
2
2
2
21 13
1b
x
h
zaaxz εε &&
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
)(13
1 2
2
2
2
21 xb
x
h
zzazadzv zz ϕε +
−
−+−== ∫ &
Przy x=z=0; vx=z=0; vxx=v=vzz=0; =0; ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕϕϕϕϕ((xx)=0)=0
−+
−−=
=
−+
−−=
∂∂
+∂∂
=
2
2
222
2
22
22
2
222
2
2
12
13
21
61
2
1
2
1
h
z
b
zxa
b
x
h
zxa
b
x
h
zza
h
z
b
xxa
x
v
z
v zxxzγ
(1.4.8)
(1.4.9)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
+−=
−
−+= ∫ 9
2
231
31
222
2
21
02
2
2
2
212
baba
bamdx
b
x
h
zxaxamJ p
b
p σσ
∫ ∫∫ ∫ =+−+==h b
xzxzzz
h b
ip aafdzdxdzdxJ0 0
21222
0 0
1 );(33
4γεεεεεσ &&&&&&
=∂∂
+∂∂
=∂∂
=∂∂
+∂∂
=∂∂
0
0
2
2
2
1
2
1
2
1
1
1
a
J
a
J
a
J
a
J
a
J
a
J
−=∂∂
∂∂
=∂∂
=∂∂
∂∂
=∂∂
2
2
2
2
21
2
1
2
1
2
1
21
1
1
9
7
;);(
2
;);(
bma
J
a
aaf
a
J
bm
a
J
a
aaf
a
J
p
p
σ
σ
2
2
2
2
1
2
1
026.0648.0213.0
2416.0
h
b
h
bh
bma
a
h
va tool
++=
=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Podstawowym mankamentem metody jest trudność w określeniu granicy strefy plastycznej w przypadku procesów o duŜej nierównomierności odkształcenia.
JeŜeli zastosuje się podział na większa ilość elementów i opisze pole prędkości wielomianami niŜszego stopnia, to trudności te mogą zostać wyeliminowane.
Zasada ta zrealizowana jest w metodzie elementów skończonych.
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
PODSTAWY METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH
-Dyskretyzacja
-Wybór pryncypia wariacyjnego
-Wybór typu aproksymacji i elementów skończonych
-Realizacja pryncypia wariacyjnego
-Uwzględnienie warunków brzegowych
-Rozwiązanie układu równań algebraicznych
-Obliczenie odkzstalcen i napręŜeń
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Typy elementów skończonych
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Symulacja procesów wymiany ciepła za pomocą metodąelementów skończonych
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
2.2. Elementy dwuwymiarowi (trójkąty)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
ϕϕϕϕ = αααα1 + αααα2Х + αααα3Y
Przy Х=Хi , Y=Yi ϕϕϕϕ = ϕϕϕϕi , ⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕi = αααα1 + αααα2Хi + αααα3Yi;
przy Х=Хj , Y=Yj ϕϕϕϕ = ϕϕϕϕj , ⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕj = αααα1 + αααα2Хj + αααα3Yj,
przy Х=Хk, Y=Yk ϕϕϕϕ = ϕϕϕϕk , ⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕk = αααα1 + αααα2Хk + αααα3Yk
( ) ( ) ( )[ ]kijjijkiikijkkj YXYXYXYXYXYXA
ϕϕϕα −+−+−=2
11
( ) ( ) ( )[ ]kjijikikj YYYYYYA
ϕϕϕα −+−+−=2
12
( ) ( ) ( )[ ]kijjkiijk XXXXXXA
ϕϕϕα −+−+−=2
13
kijkijikjikj
kk
jj
ii
YXYXYXYXYXYX
YX
YX
YX
A
−−−++=
==
1
1
1
2
Funkcje kształtu:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
X
U xx ∂
∂=ε
Y
U y
y ∂
∂=ε
∂
∂+
∂
∂=
X
U
Y
U yxxy 2
1ε
kxkjxjixix NUNUNUU ++=
kykjyjiyiy NUNUNUU ++=
( )kxkjxjixi
k
xk
j
xj
i
xi
x
x bUbUbUAX
NU
X
NU
X
NU
X
U++=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂=
2
1ε
( )kykjyjiyi
k
yk
j
yj
i
yi
y
y cUcUcUAY
NU
Y
NU
Y
NU
Y
U++=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂=
2
1ε
( )kykjyjiyikxkjxjixi
k
yk
j
yj
i
yi
k
xk
j
xj
i
xi
yx
xy
bUbUbUcUcUcUA
X
NU
X
NU
X
NU
Y
NU
Y
NU
Y
NU
X
U
Y
U
+++++
=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+
∂
∂=
4
1
2
1
2
1ε
Zadanie 2
Obliczyć komponenty odkształcenia w elemencie skończonym:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zadanie 4 Obliczyć komponenty odkształcenia w elemencie skończonym
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Uxi = 10 mm
Uyi = -1 mm
Xi = 5 mm
Yi= 3 mm
Uxj = 10 mm
Uyj = 0 mm
Xj= 5 mm
Yj= 0 mm
Uxk = 15 mm
Uyk = -0.5 mm
Xk= 10 mm
Yk= 2 mm
εεεεx εεεεy εεεεxy = ?
Obliczyć komponenty odkształcenia w elemencie skończonym
( )kxkjxjixi
k
xk
j
xj
i
xi
x
x bUbUbUAX
NU
X
NU
X
NU
X
U++=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂=
2
1ε
( )kykjyjiyi
k
yk
j
yj
i
yi
y
y cUcUcUAY
NU
Y
NU
Y
NU
Y
U++=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂=
2
1ε
( )kykjyjiyikxkjxjixi
k
yk
j
yj
i
yi
k
xk
j
xj
i
xi
yx
xy
bUbUbUcUcUcUA
X
NU
X
NU
X
NU
Y
NU
Y
NU
Y
NU
X
U
Y
U
+++++
=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+
∂
∂=
4
1
2
1
2
1ε
5510
220
−=−=−=
−=−=−=
jki
kji
XXc
YYb
5105
7310
−=−=−=
=−=−=
kij
ikj
XXc
YYb
055
303
=−=−=
=−=−=
ijk
jik
XXc
YYb
15
1
1
1
2
=−−−++=
==
kijkijikjikj
kk
jj
ii
YXYXYXYXYXYX
YX
YX
YX
A
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
∫∫∫ ∆−+=SV
20
V
2 dSVV2
1ττσξµ VdKdHJ pen
( )ijijij
H
tHTεσδσ &
,,20
Λ+=
( ) ( ) ( ) ( )222222 63
2zxyzxyxzzyyxH ξξξξξξξξξ +++−+−+−=
1
1 ),,(−
− Λ=
p
pp
H
tHTµ
∫=Λτ
τ0
Hd3p
Tσ
=iH ε&3=
2.3.Zastosowanie MES do modelowania procesów przeróbki
plastycznej 2.3.1. Podstawowe zasady:
100
010
001
=ijδ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
∑ ∫∫∑==
+==
e
e
e
e
n
i
epenee
n
i
e dKdHJJ1 V
20
V
2
1
VV2
1ξµ
2.3.2. Przykłady obliczeń (spęczanie)
Dyskretyzacja ośrodka lepkoplastycznego:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
X1=-1 Y1=1
X2=1 Y2=1
X3=1 Y3=0
X4=1 Y4=-1
X5=-1 Y5=-1
X6=-1 Y6=0
X7=0 Y7=0
Status1 = 1
Status2 = 1
Status3 = 0
Status4 = 1
Status5 = 1
Status6 = 0
Status7 = 0
nh=7n
e=6
nop(1,1)=1; nop(2,1)=7; nop(3,1)=2;
nop(1,2)=7; nop(2,2)=3; nop(3,2)=2;
nop(1,3)=3; nop(2,3)=7; nop(3,3)=4;
nop(1,4)=7; nop(2,4)=5; nop(3,4)=4;
nop(1,5)=7; nop(2,5)=6; nop(3,5)=5;
nop(1,6)=6; nop(2,6)=7; nop(3,6)=1.
Vx(1)=0; Vy(1)=Vup;
Vx(2)=0; Vy(2)=Vup;
Vx(3)=0; Vy(3)=0;
Vx(4)=0; Vy(4)=Vdown;
Vx(5)=0; Vy(5)=Vdown;
Vx(6)=0; Vy(6)=0;
Vx(7)=0; Vy(7)=0 ;
Dyskretyzacja ośrodka lepkoplastycznego:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( ) →
+== ∑ ∫∫∑
== yx
e
e
e
e VV
n
i
epenee
n
i
e dKdHJJ,
min1 V
20
V
2
1
VV2
1ξµ
kxkjxjixix NVNVNVV ++=
kykjyjiyiy NVNVNVV ++=
( )kxkjxjixi
k
xk
j
xj
i
xi
x
x bVbVbVAX
NV
X
NV
X
NV
X
V++=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂=
2
1ξ
( )kykjyjiyi
k
yk
j
yj
i
yi
y
y cVcVcVAY
NV
Y
NV
Y
NV
Y
V++=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂=
2
1ξ
( )kykjyjiyikxkjxjixi
k
yk
j
yj
i
yi
k
xk
j
xj
i
xi
yx
xy
bVbVbVcVcVcVA
X
NV
X
NV
X
NV
Y
NV
Y
NV
Y
NV
X
V
Y
V
+++++
=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+
∂
∂=
4
1
2
1
2
1ξ
( ) ( ) ( ) ( )2222 63
2xyxyyxH ξξξξξ +++−=
20yx ξξ
ξ+
=
Obliczenie funkcionalu:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
(((( ))))∑∑∑∑∑∑∑∑========
++++========e
e
e
e
n
i
eepeneee
n
i
e AKAHJJ1
2
0
2
1 2
1ξξξξµµµµ
1000...1
1
=
=
pen
e
K
µ
kijkijikjikj
kk
jj
ii
e
YXYXYXYXYXYX
YX
YX
YX
A
−−−++=
==
1
1
1
2
Całkowanie
funkcionalu:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
program MES_1;
{
Учебная программа по курсу
«Метод конечных элементов»
Автор – профессор Миленин А.А.
CopyRight 2002
}
USES Crt,Printer;
CONST
nh=7; { Число узлов сетки }
ne=6; { Число конечных элементов сетки }
dVel=0.0001;
{ Малое приращение скорости }
VAR
Vx : array[1..nh] of real; { Массив скорости Vx }
Vy : array[1..nh] of real; { Массив скорости Vy }
X : array[1..nh] of real; { Массив координат узлов X }
Y : array[1..nh] of real; { Массив координат узлов Y }
Ex : array[1..ne] of real; { Массив скорости деформации Ex }
Ey : array[1..ne] of real; { Массив скорости деформации Ey }
Exy : array[1..ne] of real; { Массив скорости деформации Exy }
Ei : array[1..ne] of real; { Массив интенсивности скорости деформации Ei }
Sx : array[1..ne] of real; { Массив напряжений Sx }
Sy : array[1..ne] of real; { Массив напряжений Sy }
Sxy: array[1..ne] of real; { Массив напряжений Sxy }
S0: array[1..ne] of real; { Массив среднего напряжения S0 }
Status : array[1..nh] of integer; { Массив статусов узлов }
nop: array[1..3,1..ne] of integer; { Массив –список узлов каждого элемента }
Kpen,M : real; { Штрафной множитель и вязкость металла }
Exe,Eye,Exye,Sxe,Sye,Sxye : real;
Ae,bi,ci,bj,cj,bk,ck : real; { Площадь элемента е и коэффициенты }
Xi,Yi,Xj,Yj,Xk,Yk : real; { Координаты узлов элемента е }
Vxi,Vyi,Vxj,Vyj,Vxk,Vyk : real; { Скорости узлов элемента е }
Je,Eie,E0e,S0e : real; { Значение функционала элемента е и др. параметры}
JPrev, JNext, Jsum : real; { Вспомогательные переменные }
Jp : real;
ie,ih : integer;
Vxih,Vyih,Vtool : real;
Programna
realizacja
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
BEGIN
{ Начало главной программы }
ClrScr;
InputData;
REPEAT{ Начало итераций по минимизации }
Funkcional;
Jp:=Jsum;
for ih:=1 to nh do begin{ Начало цикла по узлам }
if (Status[ih]=0) then begin{ Проверка статуса }
Vxih := Vx[ih];
Vyih := Vy[ih];
Funkcional;{ Расчет функционала (4.75) }
Jprev := Jsum;
Vx[ih] := Vxih + dVel;{ Приращение скорости }
Funkcional;{ Расчет функционала (4.75) }
if (Jprev<Jsum) then Vx[ih] := Vxih - dVel;{ Проверка – возрастает или убывает функционал }
Funkcional;
Jprev := Jsum;
Vy[ih] := Vyih + dVel;
Funkcional;if (Jprev<Jsum) then Vy[ih] := Vyih - dVel;
end;
end;
Funkcional;
GoToXY(30,10);
WriteLn('Funkcional = ', Jp:10:6, ' MPa*m2 ');
UNTIL (abs(Jp-Jsum)<=0.000001);
ClrScr;
{ Вывод результатов расчета }
WriteLn(' Velosity in nodes of FE grid, mm/s');
WriteLn(' ==========================');
WriteLn(' I i I Vx I Vy I');
for ih:=1 to nh do begin WriteLn(' I ' ,ih, ' I ', Vx[ih]:7:4, ' I ',Vy[ih]:7:4,' I '); end;
WriteLn(' ==========================');
ReadLn;
ClrScr;
WriteLn(' Strains in finite elements 1/s);
WriteLn(' =========================');
WriteLn(' I ie I Ex I Ey I');
for ie:=1 to ne do begin WriteLn(' I ',ie,' I ', Ex[ie]:6:4, ' I ',Ey[ie]:6:4,' I '); end;
WriteLn(' =========================');
ReadLn;
ClrScr;
WriteLn(' Stress in finite elements, MPa');
WriteLn(' ==========================');
WriteLn(' I ie I Sx I Sy I');
for ie:=1 to ne do begin WriteLn(' I ',ie,' I ', Sx[ie]:7:4, ' I ',Sy[ie]:7:4,' I '); end;
WriteLn(' ==========================');
ReadLn;
END.
Program główny
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
PROCEDURE InputData;
{ Процедура ввода исходных данных }
BEGIN
M:= 1;
Kpen := 100;
Vup:= - 0.1;
Vdown:= 0.1;
X[1] :=-1; Y[1] := 1; Status[1]:=1; Vx[1]:=0; Vy[1]:= Vup;
X[2] := 1; Y[2] := 1; Status[2]:=1; Vx[2]:=0; Vy[2]:= Vup;
X[3] := 1; Y[3] := 0; Status[3]:=0; Vx[3]:=0; Vy[3]:=0;
X[4] := 1; Y[4] :=-1; Status[4]:=1; Vx[4]:=0; Vy[4]:= Vdown;
X[5] :=-1; Y[5] :=-1; Status[5]:=1; Vx[5]:=0; Vy[5]:= Vdown;
X[6] :=-1; Y[6] := 0; Status[6]:=0; Vx[6]:=0; Vy[6]:=0;
X[7] := 0; Y[7] := 0; Status[7]:=0; Vx[7]:=0; Vy[7]:=0;
nop[1,1]:=1; nop[2,1]:=7; nop[3,1]:=2;
nop[1,2]:=7; nop[2,2]:=3; nop[3,2]:=2;
nop[1,3]:=3; nop[2,3]:=7; nop[3,3]:=4;
nop[1,4]:=7; nop[2,4]:=5; nop[3,4]:=4;
nop[1,5]:=7; nop[2,5]:=6; nop[3,5]:=5;
nop[1,6]:=6; nop[2,6]:=7; nop[3,6]:=1;
END;
Program
InputData
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Ae := Xj*Yk + Xi*Yj + Yi*Xk - Yi*Xj - Yj*Xk - Xi*Yk;
Exe := (bi*Vxi + bj*Vxj + bk*Vxk)/(2*Ae);
Eye := (ci*Vyi + cj*Vyj + ck*Vyk)/(2*Ae);
Exye:=(bi*Vyi + bj*Vyj + bk*Vyk + ci*Vxi + cj*Vxj + ck*Vxk )/(4*Ae);
Eie:=(2.0/3.0) * sqrt( Exe*Exe + Eye*Eye - 2*Exe*Eye + 6*Exye*Exye );
E0e := 0.5*(Exe+Eye);
S0e := E0e*K;
Sxe := S0e + 1.5*Gs*(Exe-E0e);
Sye := S0e + 1.5*Gs*(Eye-E0e);
Sxye := 1.5*Gs*Exye;
Je := 0.5*M*Eie*Eie*abs(Ae) + Kpen*E0e*E0e*abs(Ae);
{ Расчет функционала по формулам (4.75) }
Jsum := Jsum + Je;
Ex[ie]:=Exe;
Ey[ie]:=Eye;
Exy[ie]:=Exye;
Ei[ie]:=Eie;
Sx[ie]:=Sxe;
Sy[ie]:=Sye;
Sxy[ie]:=Sxye;
S0[ie]:=S0e;
end;
END;
PROCEDURE Funkcional;
BEGIN
Jsum:=0;
for ie:=1 to ne do begin
Xi := X[ nop[1,ie] ];
Yi := Y[ nop[1,ie] ];
Xj := X[ nop[2,ie] ];
Yj := Y[ nop[2,ie] ];
Xk := X[ nop[3,ie] ];
Yk := Y[ nop[3,ie] ];
Vxi := Vx[ nop[1,ie] ];
Vyi := Vy[ nop[1,ie] ];
Vxj := Vx[ nop[2,ie] ];
Vyj := Vy[ nop[2,ie] ];
Vxk := Vx[ nop[3,ie] ];
Vyk := Vy[ nop[3,ie] ];
bi:=Yj-Yk;
ci:=Xk-Xj;
bj:=Yk-Yi;
cj:=Xi-Xk;
bk:=Yi-Yj;
ck:=Xj-Xi;
Program
Funkcional
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Vx(1)=0; V
y(1)= -0.1000;
Vx(2)=0; V
y(2)= -0.1000;
Vx(3)= 0.0967; V
y(3)= -0.0001;
Vx(4)=0; V
y(4)= 0.1000;
Vx(5)=0; V
y(5)= -0.0001;
Vx(6)= -0.0967; V
y(6)=0;
Vx(7)=0; V
y(7)=0.
1000
1
=
=
pen
e
K
µ
Wyniki symulacji
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Wyniki symulacji prezes inne oprogramowanie
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Adaptacja siatki elementów
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Elementy wyŜszego stopnia
x
Vxxx
i
p
x ∂∂
=+= εεεσ
σσ &&&
;2
3
1. Błąd aproksymacji
2. Błąd róŜnickowanja
3. Locking
DOF = 2*10+7=27
Ncond = ne = 30
DOF<Ncond
jS∆ ∑∆=∆jN
jSS
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Element czworokąty
xyyx 4321 ααααϕ +++=
114131211 yxyx ααααϕ +++=
224232212 yxyx ααααϕ +++=
334333213 yxyx ααααϕ +++=
444434214 yxyx ααααϕ +++=
44332211 ϕϕϕϕϕ NNNN +++=
Funkcje kształtu ?
consty
constx
≠∂∂
≠∂∂
ϕ
ϕ
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
ϕϕϕϕ = αααα1 + αααα2Х + αααα3Y
Przy Х=Хi , Y=Yi ϕϕϕϕ = ϕϕϕϕi , ⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕi = αααα1 + αααα2Хi + αααα3Yi;
przy Х=Хj , Y=Yj ϕϕϕϕ = ϕϕϕϕj , ⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕj = αααα1 + αααα2Хj + αααα3Yj,
przy Х=Хk, Y=Yk ϕϕϕϕ = ϕϕϕϕk , ⇒⇒⇒⇒ ϕϕϕϕk = αααα1 + αααα2Хk + αααα3Yk
( ) ( ) ( )[ ]kijjijkiikijkkj YXYXYXYXYXYXA
ϕϕϕα −+−+−=2
11
( ) ( ) ( )[ ]kjijikikj YYYYYYA
ϕϕϕα −+−+−=2
12
( ) ( ) ( )[ ]kijjkiijk XXXXXXA
ϕϕϕα −+−+−=2
13
kijkijikjikj
kk
jj
ii
YXYXYXYXYXYX
YX
YX
YX
A
−−−++=
==
1
1
1
2
Funkcje kształtu:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Element prostokątny
ab
a
b
4
4
4
4
43214
43213
43212
43211
ϕϕϕϕα
ϕϕϕϕα
ϕϕϕϕα
ϕϕϕϕα
−+−=
++−−=
−++−=
+++=
xyyx 4321 ααααϕ +++=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
xyyx 4321 ααααϕ +++=
44332211 ϕϕϕϕϕ NNNN +++=
( )( )yaxbab
N −−=4
11
( )( )yaxbab
N −+=4
12
( )( )yaxbab
N ++=4
13
( )( )yaxbab
N +−=4
14
Funkcje kształtu
( )( )yaxbab
N −−=4
11
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( )( ) ( )( )ηξ −−=
−
−=−−= 114
111
4
1
4
11
a
y
b
xyaxb
abN
( )( ) ( )( )ηξ −+=
−
+=−+= 114
111
4
1
4
12
a
y
b
xyaxb
abN
( )( ) ( )( )ηξ ++=
+
+=++= 114
111
4
1
4
13
a
y
b
xyaxb
abN
( )( ) ( )( )ηξ +−=
+
−=+−= 114
111
4
1
4
14
a
y
b
xyaxb
abN
Funkcje kształtu
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Odbicie (przekształcenie)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Formuły przekształcenia :
θθ
sin
cos
ry
rx
=
=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
ηηη
ξξξ
∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
=∂∂
∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
=∂∂
y
y
Nx
x
NN
y
y
Nx
x
NN
iii
iii
∂∂∂∂
=
∂∂∂∂
y
Nx
N
JN
N
i
i
i
i
η
ξ
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
=
ηη
ξξyx
yx
J
∂∂∂∂
=
∂∂∂∂
−
η
ξi
i
i
i
N
N
J
y
Nx
N
1
∂∂
∂∂
−
∂∂
−∂∂
=−
ξη
ξηxx
yy
JJ
det
11
∫ ∫∫− −
=1
1
1
1
detdxdy ηξdJdS
Obliczenie pochodnych:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
4433221
11 xNxNxNxNxNxnodesN
i
ii +++== ∑=
4433221
11 yNyNyNyNyNynodesN
i
ii +++== ∑=
Przekształcenie izoparametriczne (1-go stopnia)
( )( )ηξ −−= 114
11N
( )( )ηξ −+= 114
12N
( )( )ηξ ++= 114
13N
( )( )ηξ +−= 114
14N
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Zadanie 1
X1 = 1 mm
Y1 = 1 mm
X2 = 3 mm
Y2 = 1 mm
X3 = 4 mm
Y3 = 4 mm
X4 = 0.5 mm
Y4 = 4 mm
ξξξξB=0.5ηηηηB=0.5
XB, YB = ?
( )( )16
111
4
11 =−−= ηξN
( )( ) ( )( )16
35.015.01
4
111
4
12 =−+=−+= ηξN
( )( ) ( )( )16
95.015.01
4
111
4
13 =++=++= ηξN
( )( ) ( )( )16
35.015.01
4
111
4
14 =+−=+−= ηξN
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
2.593755.016
34
16
93
16
31
16
1443322
111 =+++=+++== ∑
=
xNxNxNxNxNxnodesN
i
iiB
3.25416
34
16
91
16
31
16
1443322
111 =+++=+++== ∑
=
yNyNyNyNyNynodesN
i
iiB
116
3
16
9
16
3
16
14321 =+++=+++ NNNN
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Określić wartość napręŜenia w zadanym punkcie B Zadanie 2
σσσσ1 = 40 MPa
X1 = 1 mm
Y1 = 1 mm
σσσσ2 = 34 MPa
X2 = 3 mm
Y2 = 1 mm
σσσσ3 = 46 MPaX3 = 4 mm
Y3 = 4 mm
σσσσ4 = 32 MPaX4 = 0.5 mm
Y4 = 4 mm
ξξξξB=0.5ηηηηB=0.5
σσσσB , XB, YB = ?
40.7516
332
16
946
16
334
16
140
44332211
=+++
=+++= NNNNB σσσσσ
( )( )16
111
4
11 =−−= ηξN
( )( ) ( )( )16
35.015.01
4
111
4
12 =−+=−+= ηξN
( )( ) ( )( )16
95.015.01
4
111
4
13 =++=++= ηξN
( )( ) ( )( )16
35.015.01
4
111
4
14 =+−=+−= ηξN
2.593755.016
34
16
93
16
31
16
1443322
111 =+++=+++== ∑
=
xNxNxNxNxNxnodesN
i
iiB
3.25416
34
16
91
16
31
16
1443322
111 =+++=+++== ∑
=
yNyNyNyNyNynodesN
i
iiB
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Określić wartość napręŜenia w zadanym punkcie B Zadanie 3
σσσσ1 = 40 MPaX1 = 1 mmY1 = 1 mm
σσσσ2 = 34 MPaX2 = 3 mmY2 = 1 mm
σσσσ3 = 46 MPaX3 = 4 mmY3 = 4 mm
σσσσ4 = 32 MPaX4 = 0.5 mmY4 = 4 mm
XB=2.5YB=3.25
σσσσB , ξξξξ B, ηηηη B = ?
44332211 NNNNB σσσσσ +++=
( )( )ηξ −−= 114
11N
( )( )ηξ −+= 114
12N
( )( )ηξ ++= 114
13N
( )( )ηξ +−= 114
14N
2.54433221
11 =+++== ∑=
xNxNxNxNxNxnodesN
i
iiB
3.254433221
11 =+++==∑=
yNyNyNyNyNynodesN
i
iiB
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( )[ ]4321432143214321
43214433221
11
4
1
114
111
4
111
4
111
4
1
xxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxNxNxNxNxNx
BBBB
BBBBBBBB
N
i
iiB
nodes
−+−+−++−+++−−++++=
=+−++++−++−−=+++== ∑=
ηξξη
ηξηξηξηξ
( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( )[ ]4321432143214321
43214433221
11
4
1
114
111
4
111
4
111
4
1
yyyyyyyyyyyyyyyy
yyyyyNyNyNyNyNy
BBBB
BBBBBBBB
N
i
iiB
nodes
−+−+−++−+++−−++++=
=+−++++−++−−=+++== ∑=
ηξξη
ηξηξηξηξ
( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )[ ]5.15.55.05.84
15.04315.04315.04315.0431
4
15.2 BBBBBBBB ηξξηηξξη +++=−+−+−++−+++−−++++=
( ) ( ) ( )[ ] [ ]BBBBBBBB ηξξηηξξη 006104
14411441144114411
4
125.3 +++=−+−+−++−+++−−++++=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )[ ]5.15.55.05.84
15.04315.04315.04315.0431
4
15.2 BBBBBBBB ηξξηηξξη +++=−+−+−++−+++−−++++=
( ) ( ) ( )[ ] [ ]BBBBBBBB ηξξηηξξη 006104
14411441144114411
4
125.3 +++=−+−+−++−+++−−++++=
5.06
1025.34=
−⋅=Bη
[ ]75.075.225.05.84
15.2 BB ξξ +++=
357.05.3
75.85.24=
−⋅=Bξ
44332211 NNNNB σσσσσ +++=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Typy elementów skończonych (2-go stopnia)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Typy elementów skończonych (2-go stopnia)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Typy elementów skończonych (2-go stopnia)
( )( )( )
( )( )
( )( )( )
( )( )ξη
ηξηξ
ηξ
ηξηξ
+−=
−−−+=
−−=
++−−−=
112
1
1114
1
112
1
1114
1
24
3
22
1
N
N
N
N
( )( )( )
( )( )
( )( )( )
( )( )ξη
ηξηξ
ηξ
ηξηξ
−−=
+−+−−=
+−=
−+++=
112
1
1114
1
112
1
1114
1
28
7
26
5
N
N
N
N
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
( )( )( )
( )( )
( )( )( )
( )( )ξη
ηξηξ
ηξ
ηξηξ
+−=
−−−+=
−−=
++−−−=
112
1
1114
1
112
1
1114
1
24
3
22
1
N
N
N
N
( )( )( )
( )( )
( )( )( )
( )( )ξη
ηξηξ
ηξ
ηξηξ
−−=
+−+−−=
+−=
−+++=
112
1
1114
1
112
1
1114
1
28
7
26
5
N
N
N
N
∑=
=nodesN
i
iixNx1
∑=
=nodesN
i
ii yNy1
Przekształcenie izoparametriczne(2-go stopnia)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Dyskretyzacja ośrodka za dopomogę przekształcenia 2-go
stopnia:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
=
ηη
ξξyx
yx
J
∑
∑
=
=
=
=
nodes
nodes
N
i
ii
N
i
ii
yNy
xNx
1
1 ηξηξ ∂∂
∂∂
−∂∂
∂∂
=xyyx
Jdet
∫ ∫∫− −
==1
1
1
1
detdxdy ηξdJdSS
Określić pole elementu
X1 = 1 mm
Y1 = 1 mm
X2 = 3 mm
Y2 = 1 mm
X3 = 4 mm
Y3 = 4 mm
X4 = 0.5 mm
Y4 = 4 mm ( )( )ηξ −−= 114
11N
( )( )ηξ −+= 114
12N
( )( )ηξ ++= 114
13N
( )( )ηξ +−= 114
14N
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Określić pole elementu
( )( )ηξ −−= 114
11N
( )( )ηξ −+= 114
12N
( )( )ηξ ++= 114
13N
( )( )ηξ +−= 114
14N
( )( ) ( )( )
( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( )
( )
+−+
+
++
−+
−−=
=
+−∂
+
++∂
+
+
−+
∂+
−−
∂=
∂∂
η
ηηη
ηξξ
ηξξ
ηξξ
ηξξξ
14
1
14
11
4
11
4
1
114
111
4
1
114
111
4
1
4
321
43
21
x
xxx
xx
xxx
ηξηξ ∂∂
∂∂
−∂∂
∂∂
=xyyx
Jdet44332211
1
xNxNxNxNxNxnodesN
i
ii +++== ∑=
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
ηξε ddUy
NU
x
NLdS
y
U
x
ULdV
nodes nodesN
i
N
i
yii
xii
S
yx
V
Jdet22
1 1
1
1
1
2
1 1
2
20 ∫ ∫ ∑ ∑∫∫
− − = =
∂∂
+∂∂
=
∂
∂+
∂∂
=
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
=
ηη
ξξyx
yx
J
∑
∑
=
=
=
=
nodes
nodes
N
i
ii
N
i
ii
yNy
xNx
1
1
ηξηξ ∂∂
∂∂
−∂∂
∂∂
=xyyx
Jdet
Całkowanie numeryczne funkcjonału:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
ηξε ddUy
NU
x
NLdS
y
U
x
ULdV
nodes nodesN
i
N
i
yii
xii
S
yx
V
Jdet44
121
1
1
1 1 1
2
20 ∫ ∫ ∑ ∑∫∫
− − = =
∂∂
+∂∂
=
∂
∂+
∂∂
=
∂∂∂∂
=
∂∂∂∂
−
η
ξi
i
i
i
N
N
J
y
Nx
N
1
∂∂
∂∂
−
∂∂
−∂∂
=−
ξη
ξηxx
yy
JJ
det
11
∂∂
∂∂
−∂∂
∂∂
=∂∂
ξηηξyNyN
Jx
N iii
det
1
∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
−=∂∂
ξηηξxNxN
Jy
N iii
det
1
Całkowanie numeryczne :
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
∑ ∑∫∫
∫ ∫ ∑ ∑∫∫
= =− −
− − = =
==
=
∂∂
+∂∂
=
∂
∂+
∂∂
=
p p
nodes nodes
N
i
N
j
jiji
N
i
N
i
yii
xii
S
yx
V
fWWddf
ddUy
NU
x
NLdS
y
U
x
ULdV
1 1
1
1
1
1
21
1
1
1 1 1
2
20
),(),(
Jdet44
1
ηξξηηξ
ηξε
121 ==WW
Całkowanie numeryczne Gaussa:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
9
89
5
2
31
=
==
W
WW
Całkowanie numeryczne Gaussa:
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
Przykład wykorzystania MES do optymalizacji technologii
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
20 MN
1 etap
technologji
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
50 MN
(a)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
50 MN
(b)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
100 MN
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
20 MN
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
50 MN
(b)
Metoda Elementów SkończonychMilenin Andrzej
100 MN