B-splines in the Analog Equation Method for the generalized beam analysis including warping effects

2017 ◽  
Vol 180 ◽  
pp. 60-73 ◽  
Author(s):  
E.J. Sapountzakis ◽  
I.N. Tsiptsis
Keyword(s):  
Equation Method ◽  
Analog Equation Method ◽  
B Splines ◽  
Beam Analysis ◽  
Analog Equation

scholarly journals Generalized straight and curved beam theories with isogeometric analyis

2017 ◽  
Author(s):  
Ιωάννης Τσιπτσής
Keyword(s):  
Isogeometric Analysis ◽  
Computer Aided Design ◽  
State Of The Art ◽  
Curved Beam ◽  
Analog Equation Method ◽  
B Splines ◽  
Aided Design ◽  
Analog Equation ◽  
Beam Theories ◽  
Element Method

Στη διατριβή αυτή διερευνάται και επιλύεται σειρά προβλημάτων μέσω της ανάπτυξης εξελιγμένων προσομοιωμάτων ευθύγραμμης και καμπύλης δοκού. Πιο συγκεκριμένα, αντιμετωπίζονται τα προβλήματα ανομοιόμορφης στρέψης, γενικευμένης στρέβλωσης λόγω διάτμησης και στρέψης (μέσω των οποίων μελετάται το φαινόμενο της διατμητικής υστέρησης), διαστρέβλωσης (παραμόρφωση των διατομών της δοκού στο επίπεδό τους) καθώς και το πρόβλημα της δυναμικής ανάλυσης ευθύγραμμων και καμπύλων δοκών. Η αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών βασίζεται στη γενικευμένη διατύπωση καινοτόμων θεωριών δοκού (Generalized Beam Theories - GBT), με τις οποίες το πεδίο μετατοπίσεων και οι συνιστώσες των τανυστών παραμόρφωσης και τάσης διατυπώνονται ως γραμμικοί συνδυασμοί γινομένων μονοδιάστατων και διδιάστατων συναρτήσεων.Η αναλυτική λύση των μονοδιάστατων και διδιάστατων προβλημάτων συνοριακών και αρχικών-συνοριακών τιμών που μορφώνονται εν γένει δεν είναι εφικτή. Ως εκ τούτου, τα προβλήματα αυτά επιλύονται αριθμητικά εφαρμόζοντας τη Μέθοδο Συνοριακών Στοιχείων (Boundary Element Method - BEM), τη Μέθοδο Αναλογικής Εξίσωσης (Analog Equation Method - AEM), η οποία αποτελεί εξέλιξη της BEM, καθώς και τη Μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method - FEM). Όσον αφορά στην επίλυση μονοδιάστατων προβλημάτων, οι αριθμητικές μέθοδοι που χρησιμοποιoύνται (AEM και FEM) συνδυάζονται με εργαλεία της Ισογεωμετρικής Ανάλυσης (Isogeometric Analysis - IGA) ώστε να επιτευχθεί μία προσέγγιση με χαμηλότερο υπολογιστικό κόστος καθώς και πιο διαδραστική μεταξύ ανάλυσης και γεωμετρίας που θα επιτυγχάνει πιο αξιόπιστα αποτελέσματα περιορίζοντας το σφάλμα που πηγάζει από την προσέγγιση της γεωμετρίας. Συγκεκριμένα, οι παραμετρικές καμπύλες B-splines και NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) που έχουν υιοθετήσει τα λογισμικά πακέτα μοντελοποίησης με υπολογιστή (Computer-Aided Design - CAD) εφαρμόζονται στην παρούσα διατριβή. Με βάση τις αναπτυχθείσες αναλυτικές και αριθμητικές διαδικασίες συντάσσονται καινοτόμα προγράμματα ηλεκτρονικού υπολογιστή για την ανάλυση τρισδιάστατων ευθύγραμμων και καμπυλόγραμμων ραβδωτών φορέων. Κάθε κύριο κεφάλαιο της διατριβής αποτελείται από την εισαγωγή, τη διατύπωση του προβλήματος, την αριθμητική επίλυση, αντιπροσωπευτικά αριθμητικά παραδείγματα και τα συμπεράσματα. Στην εισαγωγή κάθε κύριου κεφαλαίου περιέχεται η βιβλιογραφική επισκόπηση του ερευνητικού έργου (State of the Art) του αντίστοιχου εξεταζόμενου προβλήματος και παρουσιάζονται τα πρωτότυπα σχετικά στοιχεία της εργασίας. Τέλος, στο τελικό κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.

scholarly journals Advanced beam theories for the analysis of beam structures

2016 ◽  
Author(s):  
Ιωάννης Δίκαρος
Keyword(s):  
Boundary Element Method ◽  
Boundary Element ◽  
Equation Method ◽  
Beam Structures ◽  
Analog Equation Method ◽  
Stiffness Method ◽  
Direct Stiffness ◽  
Analog Equation ◽  
Beam Theories ◽  
Element Method

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί συμβολή στην ανάπτυξη εξελιγμένων θεωριών δοκού για την ανάλυση ραβδωτών φορέων. Οι εξελιγμένες θεωρίες δοκού που αναπτύχθηκαν λαμβάνουν υπόψη φαινόμενα γενικευμένης στρέβλωσης (διατμητική υστέρηση λόγω κάμψης και στρέψης), διαστρέβλωσης (παραμόρφωση διατομής – distortion), ενώ πραγματοποιείται και γεωμετρικά μη γραμμική δυναμική ανάλυση δοκών σταθερής ή μεταβλητής διατομής, λαμβάνοντας υπόψη φαινόμενα ανώτερης τάξης όπως η περιστροφική και στρεβλωτική αδράνεια, η μη γραμμικότητα εξωτερικής φόρτισης, οι όροι Wagner και η βράχυνση λόγω στρέψης. Οι εν λόγω καινοτόμες θεωρίες συνδυάζουν την αυξημένη ακρίβεια με τα εγγενή πλεονεκτήματα των στοιχείων δοκού, οδηγώντας στην ανάπτυξη εξελιγμένων υπολογιστικών εργαλείων για την ανάλυση ραβδωτών φορέων.Η γενικευμένη στρέβλωση λαμβάνεται υπόψη, με την εισαγωγή ανεξάρτητων παραμέτρων, που εκφράζουν την «ένταση» της στρέβλωσης στο μήκος της δοκού. Οι παράμετροι αυτές πολλαπλασιάζουν αντίστοιχες συναρτήσεις στρέβλωσης, που προκύπτουν από ισάριθμα διδιάστατα προβλήματα συνοριακών τιμών στο χωρίο της διατομής. Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζεται το πρόβλημα παραβίασης της συνοριακής συνθήκης μηδενισμού της διατμητικής τάσης στην παράπλευρη επιφάνεια της δοκού (ισορροπία σε επίπεδο υλικού σημείου) από τις τάσεις που προκύπτουν από το υιοθετούμενο πεδίο μετατοπίσεων. Προτείνεται διαδικασία «διόρθωσης» του τασικού πεδίου με χρήση της εξίσωσης διαμήκους τοπικής ισορροπίας. Μέσω της διόρθωσης αυτής βελτιώνεται η ακρίβεια των παραγόμενων αποτελεσμάτων χωρίς αύξηση των κινηματικών αγνώστων και διατηρείται κατά το μέγιστο δυνατό βαθμό η απλότητα της διατύπωσης.Όσον αφορά στη διαστρέβλωση (distortion), παράγεται κατάλληλη βάση συναρτήσεων διαστρέβλωσης/στρέβλωσης μέσω επαναληπτικού σχήματος ισορροπίας στο χωρίο της διατομής. Το σχήμα αυτό παράγεται χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις τοπικής ισορροπίας της θεωρίας ελαστικότητας. Η προσέγγιση αυτή παρουσιάζει πλεονεκτήματα έναντι των αντίστοιχων προσεγγίσεων της διεθνούς βιβλιογραφίας που βασίζονται στην Ανάλυση Ιδιομορφών (ανεξάρτητος προσδιορισμός αξονικών, καμπτικών, στρεπτικών μορφών διαστρέβλωσης/στρέβλωσης). Συνεπώς, διατυπώνεται θεωρία δοκού με το μικρότερο δυνατό αγνώστων παραμέτρων διαστρέβλωσης που αντιπροσωπεύουν εξίσου όλους τους μηχανισμούς αντίστασης.Στη συνέχεια οι ως άνω θεωρίες ενσωματώνονται στη μητρωική ανάλυση ραβδωτών φορέων. Παράγονται καινοτόμα τρισδιάστατα στοιχεία δοκού τυχούσας διατομής που περιλαμβάνουν διατμητικές παραμορφώσεις, γενικευμένη στρέβλωση (μητρώο στιβαρότητας 20×20) και διαστρέβλωση (μητρώο στιβαρότητας 32×32) μαζί με τα αντίστοιχα διανύσματα ισοδύναμης επικόμβιας φόρτισης. Τα εν λόγω στοιχεία δοκού ενσωματώνονται σε υπολογιστικό εργαλείο που βασίζεται στoν αλγόριθμο της Μεθόδου Άμεσης Στιβαρότητας (ΜΑΣ, Direct Stiffness Method – DSM) διαμορφώνοντας εξελιγμένο υπολογιστικό εργαλείο για την ανάλυση πλαισιωτών φορέων. Προκειμένου να αρθεί η αδυναμία μετασχηματισμού των επικόμβιων Βαθμών Ελευθερίας (ΒΕ) ανώτερης τάξης σε μέλη συνδεδεμένα υπό γωνία, αναπτύσσεται μεθοδολογία μετασχηματισμού που λαμβάνει υπόψη τις συνθήκες μετάδοσης διαστρέβλωσης/στρέβλωσης στους κόμβους του πλαισίου.Παρουσιάζεται επίσης γενική μεθοδολογία για τη γεωμετρικά μη γραμμική δυναμική ανάλυση δοκών σταθερής και μεταβλητής διατομής. Όσον αφορά στις πρισματικές δοκούς, εξετάζεται η πλέον γενική περίπτωση διατομής, ενώ όσον αφορά στην περίπτωση μεταβλητής διατομής, εξετάζεται η συνήθης περίπτωση της διπλά συμμετρικής διατομής με ομαλό νόμο μεταβολής. Η δοκός υπόκειται σε τυχούσα εξωτερική χρονικά μεταβαλλόμενη φόρτιση, συνοριακές και αρχικές συνθήκες και αναπτύσσει μετρίως μεγάλες μετατοπίσεις και στρεπτικές στροφές. Το μη γραμμικό φαινόμενο της αλλαγής μοχλοβραχίονα του εξωτερικού φορτίου, η επιρροή της περιστροφικής και στρεβλωτικής αδράνειας, των συντελεστών Wagner, καθώς και του φαινομένου βράχυνσης λόγω στρέψης λαμβάνονται υπόψη.Στην παρούσα διατριβή, τα προβλήματα συνοριακών και αρχικών τιμών επιλύονται αριθμητικά χρησιμοποιώντας τη Μέθοδο Συνοριακών Στοιχείων (ΜΣΣ, Boundary Element Method – BEM) και τη Μέθοδο Αναλογικής Εξίσωσης (ΜΑΕ, Analog Equation Method – AEM), η οποία αποτελεί εξέλιξη της BEM. Η AEM αντιμετωπίζει τις εγγενείς αδυναμίες της BEM και προσφέρεται για την επίλυση μεγάλου εύρους προβλημάτων μηχανικής που ορίζονται από χρονικά εξαρτώμενες ή/και μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις ή εξισώσεις με μεταβλητούς συντελεστές.Βάσει των διαδικασιών που αναπτύσσονται, μελετώνται αντιπροσωπευτικά αριθμητικά παραδείγματα. Η ακρίβεια και αξιοπιστία των προτεινόμενων μεθόδων επιβεβαιώνονται με υπάρχουσες αναλυτικές και αριθμητικές λύσεις, πειραματικά αποτελέσματα καθώς και με προσομοιώματα στερεών πεπερασμένων στοιχείων και πεπερασμένων στοιχείων κελύφους.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document