O metodě konečných prvků Lect_01.ppt

Prezentace na téma: "O metodě konečných prvků Lect_01.ppt"— Transkript prezentace:

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

2 Syllabus Deformační varianta MKP Značení
Odvození pomocí principu virtuálních prací Diskretizace posuvů, přetvoření a konstitutivních vztahů Strukturální prvky – tyč, nosník, membrána, deska, skořepina Analytický přístup – zobecněné souřadnice Numerický přístup – isoparametrické prvky Sestavení matic tuhosti, tlumení a hmotnosti Předepsání okrajových podmínek Typy řešených úloh Řešení statických úloh Nalezení vlastních čísel a vlastních tvarů kmitu Řešení nestacionárních úloh – šíření vln Numerická matematika Řešení soustav algebraických rovnic Řešení standardního a zobecněného problému vlastních čísel Integrace obyčejných diferenciálních rovnic Metoda konečných prvků pro nelineární úlohy – stručný úvod do problematiky

3

4

5

6 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 jsem našel publikaci Intermediate Finite Element Method: Fluid Flow and Heat Transfer Applications  by Juan C. Heinrich and Darrell W. Proper

7 Jak je dobré umět anglicky
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.

8 Corpus delicti

9

10 V tomto kursu, mimo jiné, nabídneme
Porozumění metodě konečných prvků a numerické matematice, a to prostřednictvím tvorby jednoduchých prográmků na koleně Například nalezení sil v prutech, reakcí, vlastních frekvencí, vlastních tvarů kmitu, apod

11 V tomto kursu též nabídneme
Informaci o práce s daty, jejich zobrazení a seznámíme se se statistickými nástroji pro analýzou výsledků bio2.ppt

12

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

14

15

16 Pak platí princip superpozice

17 Často přidáváme omezující podmínky
Homogenní kontinuum – identické vlastnosti všech materiálových částic Isotropní kontinuum – některé vlastnosti jsou nezávislé na směru

18

19

20 Moudrost vs. Trivialita
Otázka pravdy ve fyzice

21 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

22 Continuum mechanics_1 The notion of continuum is one of possible models of matter. The continuity of a structure as we observe is an illusion. In liquids the molecules are loosely bound together by weak electrical forces. The molecules posses a considerable mobility. In gases the intermolecular forces are even weaker In metals there are relatively strong interatomic forces.

23 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.

24 Continuum mechanics_3 It 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 times the interatomic distance, i.e. 1/ [m], then the continuum theory could still be safety used. HUNTER, S.C.: Mechanics of Continuous Media, Ellis Hornwood Ltd, UK, 1983

25 Governing equations of solid continuum mechanics
Cauchy equations of motion Kinematic relations Constitutive relations 3 equations 6 equations 6 equations

26 Number of equations = number of unknowns

27 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.

28 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 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 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.

29 Teoretické základy mechaniky kontinua jsou známy po více než sto padesát let – Cauchy, Euler, St. Venant, ... Co otcové zakladatelé?

30 Cauchy equations Oeuvres complètes d'Augustin Cauchy. Série 2, tome 8 / publiées ...Cauchy, Augustin-Louis ( ),

31 Strain tensor components
rather body forces

32

33

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

35 Ekvivalence vs. rovnováha
Jedna soustava sil = Druhá soustava sil Rovnováha Součet sil = 0 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

36 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.

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

38 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

39 Experiments and axioms
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 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

40 But many people shared a different view in history

41 On Experimental Science (1268)
Roger Bacon On 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 … 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. From Wikipedia

42 Tensor and matrix notation
cm0002a

43 Not a vector in a physical or mathematical sense, ie.
the quantity defined by the magnitude and the direction cm0003a

44 Cm0003b

45 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 also cm_part_1.ppt Okrouhlík, M., Pták, S.: Počítačová mechanika kontinua I, Základy nelineární mechaniky kontinua, Česká technika, Nakladatelství ČVUT, 2006

46 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

47 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