background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Charakterystyka i klasyfikacja metod obliczeniowych 

 
- I PODEJŚCIE (KONTYNUALNE): 
 
Rozwiązanie większości problemów inżynierskich, polega na wyznaczaniu pól (czyli funkcji) różnych  
wielkości , (tzn.: przemieszczeń, naprężeń, odkształceń). 
 
Pole interesującej nas wielkości w rozpatrywanym ciele, określone jest przez nieskomplikowaną liczbę  
parametrów (jest bowiem funkcją każdego, z nieskończonej liczby punktów materialnych należących do  
tego układu). Takie podejście do rozwiązywania zagadnień inżynierskich nazywa się kontynualnym, 
gdyż wprowadza jako model ciała – odkształcalne kontinuum. (metody rozwiązywania  tego typu 
zagadnień nazywamy metodami analitycznymi). 
 
Metody analityczne są bardzo dokładne ale mało efektywne, (tzn.: mają ograniczone zastosowanie  
praktyczne, gdyż odnoszą się do układów liniowych, prostych warunków podparcia i 
nieskomplikowanej geometrii – a większość układów z inżynierskiego punktu widzenia jest nieciągła, 
nieliniowa, nietypowo obciążona, o skomplikowanej strukturze geometrycznej i nieciągłości 
materiałów). 
 
- II PODEJŚCIE (DYSKRETNE): 
 
Badanie reakcji układu bardziej się uprości, jeśli przemieszczenia nie będą wyznaczane we wszystkich  
punktach ciała, ale tylko w skończonej ich liczbie. Takie podejście do rozwiązywania zagadnień  
inżynierskich nazywa się dyskretnym, gdyż wymaga dyskretyzacji układu. 
 
Proces dyskretyzacji układu, przekształca opis poszukiwanego pola (czyli funkcji), wyrażonej przez  
nieskończoną liczbę parametrów w opis wyrażony przez skończoną ich liczbę (metody rozwiązywania 
tego typu zagadnień nazywamy metodami numerycznymi (komputerowymi) – metody przybliżone.  
 
Wśród nich wyróżniamy:  

MRS – metody różnic skończonych, 
- MES – metody elementów skończonych
- MEB
 – metody elementów brzegowych, 
- MECZ
 – metody elementów czasoprzestrzennych. 

 
Modelowanie problemów inżynierskich 

 
 Etapy modelowania 

 

 

- modelowanie fizyczne, 

 

- modelowanie matematyczne, 

 

- modelowanie dyskretne, 

 

- modelowanie numeryczne, 

 

- programowanie, 

 

- przygotowanie danych wyjściowych do obliczeń, 

 

- wykonanie obliczeń, 

 

- weryfikacja wyników 

 

- Model fizyczny 

 

Proces tworzenia modelu fizycznego polega na pewnej idealizacji układu rzeczywistego (opiera się w 
dużej mierze na intuicji i doświadczeniu inżyniera). W tworzeniu modelu fizycznego uwzględniamy 
tylko te cechy układu rzeczywistego, które według nas odgrywają istotną rolę. Model fizyczny, 
powstaje więc w wyniku przeprowadzenia uproszczeń, które sprawiają, że staje się on łatwiejszy od 
analizy układu rzeczywistego. Trafność przyjętego modelu fizycznego najczęściej decyduje o zgodności 
wyników uzyskanych z obliczeń z wynikami pomiarów. 
 
- Zbyt uproszczony model  fizyczny – pomija istotne cechy układu rzeczywistego, 

 

Zbyt złożony model fizyczny – prowadzi do trudności matematycznych. 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

(właściwy model fizyczny stanowi kompromis między tymi trudnościami a dokładnością wyników 
obliczeń). 
 
- Założenia upraszczające: 
 
- uproszczenie geometrii układu – złożone kształty układu rzeczywistego, upraszczamy do brył  
  złożonych z walców, stożków lub prętów, 
- założenie o jednorodności materiałów – np. taka sama gęstość materiałów, 
- założenie o idealnej sztywności i nieważkości – gdy element ma sztywność wielokrotnie większą od  
  pozostałych (bryły nieodkształcalne) bądź wielokrotnie mniejszą masę ( brak ciężaru własnego), 
- założenie liniowych charakterystyk właściwości fizycznych układu, (np. Prawo Hooke’a) –  
  linearyzacja nieliniowych charakterystyk – znacznie upraszcza obliczenia, ponieważ pozwala na  
  zastosowanie zasady superpozycji. 
- niezmienność czasowa parametrów fizycznych układu – pominięcie procesu starzenia, zużycia i  
  zmęczenia. 
- pominięcie małoistotnych oddziaływań – siły Coriolisa, przyciągania księżyca, zmian temperatury 

 

- Model matematyczny  

 

 

 

Modelem matematycznym, nazywamy równania opisujące model fizyczny. Na podstawie poczynionych  
założeń przy budowie modelu fizycznego budowany jest model matematyczny układu w postaci równań 
algebraicznych i różniczkowych z warunkami brzegowymi. Model ten z jednej strony powinien 
zawierać najistotniejsze czynniki a z drugiej strony musi być stosunkowo łatwy do obliczeń. 
 
Model matematyczny może przyjmować różne formy, począwszy od prostych równań algebraicznych 
po złożone równania, wymagające specjalistycznych programów komputerowych. 
 
- Model dyskretny 

 

 
Modele fizyczne składają się zwykle z elementów , których parametry rozłożone są w sposób ciągły. 
Równanie charakteryzujące te modele, są równaniami różniczkowymi cząstkowymi. Rozwiązanie 
takich równań jest bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe, dlatego też ciągły model fizyczny, 
zastępuje się modelem, w którym parametry maja charakter skupiony. Proces ten nazywa się 
dyskretyzacji a otrzymany model, modelem dyskretnym. 
 
W wyniku dyskretyzacji otrzymujemy model, który wcześniej opisany jest równaniami różniczkowymi 
zwyczajnymi, z pochodnymi względem czasu lub równaniami algebraicznymi. Do najważniejszych i 
najbardziej powszechnych modeli dyskretyzacji należą: MRS, MES, MECZ 
 
Istnieją dwa sposoby dyskretyzacji: 
 
 

- dyskretyzacji matematyczna, polega na dyskretyzacji równań opisujących dany problem  
  (MRS). 
- dyskretyzacji fizyczna, polega na podziale rozpatrywanego układu na skończoną liczbę  
  elementów o podobnym kształcie. 

 

-  Model numeryczny 

 

 
Tworzenie tego modelu polega na wyborze algorytmów numerycznych, służących do rozwiązania 
równań modelu dyskretnego. 

 

Tworzenie modelu numerycznego, wymaga znajomości nowoczesnych technik komputerowych. 

 

Dobór modelu fizycznego w konstrukcjach prętowych 

 

Dobór odpowiedniego schematu statycznego zależy od rodzaju ściany, w którym umieszczone są końce 
belki a także od tego, w jaki sposób belka ze ścianą została połączona.  Rola projektanta pola na 
podjęciu decyzji odnośnie schematu statycznego i tym samym podjęciu ryzyka związanego z 
bezpieczeństwem konstrukcji. 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

 

Wyżej przedstawione schematy mogą być przyjęte, gdy projektant dysponuje odpowiednimi badaniami 
doświadczalnymi, lub gdy przeprowadza odpowiednią symulację komputerową, dzięki której może 
ustalić najbardziej odpowiednią podatność podpory. 
 
Modelując podparcia ustrojów prętowych, przypisujemy im odpowiednie stopnie swobody w węzłach. 
Np. usuwając wszystkie stopnie swobody w węźle otrzymujemy sztywne zamocowanie pręta w 
podporze. Aby wymodelować podporę podatną, umieszcza się w podporze sprężynę o zadanej 
sztywności, która jest charakterystyką tej sprężyny. 
 
Sztywnością sprężyny nazywamy stosunek uogólnionej siły czynnej do odpowiadającej jej 
uogólnionego przemieszczenia.  

q

Q

K =

 - odwrotność sztywności to jej podatność 

K

1

=

 

Najprostszym sposobem modelowania podpory sprężystej jest jej przegubowe podparcie za pomocą 
podatnego pręta. Sztywność tej podpory wyraża się następującą zależnością: 

l

E A

k =

, gdzie: EA – sztywność pręta, l – długość pręta 

Sztywność podpory w takim przypadku reguluje się sztywnością podłużną pręta. Przyjmując możliwie 
najmniejszą, ale skończoną jego długość. W przypadku gdy podpora jest niepodatna, wielkość EA, 
przyjmuje się jak największą, ale skończoną. 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Przypadki szczególne modelowania konstrukcji prętowych 
 

- Słup o zmiennej skokowo wysokości przekroju poprzecznego 

 

- Osie prętów kratownicy nie schodzą się w jednym węźle 

 

 

 

 

- Modelowanie węzłów w konstrukcjach prętowych 
 

 

 

Na rysunku wyżej widać, że mniejszy moment uzyskiwany jest na przęsłach niż na węzłach. Węzły 
konstrukcji prętowej są elementami o bardzo dużej sztywności w porównaniu do prętów schodzących 
się do węzła. 
W konstrukcji płaskiej, węzeł stanowi tarcze a w konstrukcji przestrzennej bryłę 
 

Dyskretyzacja układu 

 
- Dyskretyzacja matematyczna (MRS) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Belkę zginaną opisuje następujący zestaw równań: 
 

φ(x) = 

𝑑𝑤

𝑑𝑥

 

 

M(x) = 

−𝐸(𝑥) ∙ 𝐽(𝑥) ∙

𝑑

2

𝑤

𝑑𝑥

2

 

 

T(x) = 

𝑑

𝑑𝑥

 𝐸 𝑥  ∙ 𝐽 𝑥  ∙

𝑑

2

𝑤

𝑑𝑥

2

 

 

 

q(x) = 

𝑑

2

𝑑𝑥

2

 𝐸 𝑥  ∙ 𝐽 𝑥  ∙

𝑑

2

𝑤

𝑑𝑥

2

 

 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

 
Modelem matematycznym, przedstawionego powyżej modelu fizycznego belki zginanej w 
płaszczyźnie XZ, jest równanie q(x) = 

𝑑

2

𝑑𝑥

2

 𝐸 𝑥  ∙ 𝐽 𝑥  ∙

𝑑

2

𝑤

𝑑𝑥

2

  

 
Dyskretyzacja będzie polegała na zastąpieniu operatów różniczkowych (pochodnych) przez 
odpowiadające im operaty różnicowe (ilorazy różnicowe). W wyniku czego, równanie różniczkowe 
sprowadzone zostanie do zestawu równań algebraicznych. 
 
Poszukiwana funkcja w(x) rozpisujemy w szereg potęgowy Taylora w otoczeniu punktu x=0 

𝑤 𝑥  = 𝑤 0  +   𝑤

𝐼

 0  ∙

𝑥

1

1!

+ 𝑤

𝐼𝐼

 0  ∙

𝑥

2

2!

+ 𝑤

𝐼𝐼𝐼

 0  ∙

𝑥

3

3!

 
Po długich żmudnych przekształceniach otrzymujemy wzory na: 
 

- I RS (pierwsza różnica skończona) = 

∆𝑤

𝑖

∆𝑥

=

−𝑤

𝑖−1

+𝑤

𝑖+1

2𝜆

 

- II RS (druga różnica skończona) = 

2

𝑤

𝑖

∆𝑥

2

=

𝑤

𝑖−1

−2𝑤

𝑖

+𝑤

𝑖+1

𝜆

2

 

- III RS (trzecia różnica skończona) = 

3

𝑤

𝑖

∆𝑥

3

=

−𝑤

𝑖−2

+2𝑤

𝑖−1

−2𝑤

𝑖+1

+𝑤

𝑖+2

2𝜆

3

 

- IV RS (czwarta różnica skończona) = 

4

𝑤

𝑖

∆𝑥

4

=

𝑤

𝑖−2

−4𝑤

𝑖−1

+6𝑤

𝑖

−4𝑤

𝑖+1

+𝑤

𝑖+2

𝜆

4

 

 

Zatem można przyjąć następujące wzory: 
 

φ

∆𝑤

𝑖

∆𝑥

=

−𝑤

𝑖−1

+𝑤

𝑖+1

2𝜆

 

M

i

 = 

−𝐸

𝑖

∙ 𝐽

𝑖

2

𝑤

𝑖

𝑥

2

= −𝐸

𝑖

∙ 𝐽

𝑖

𝑤

𝑖−1

−2𝑤

𝑖

+𝑤

𝑖+1

𝜆

2

 

 
- Dyskretyzacja fizyczna modelu ciągłego (MES) 
 
Dyskretyzacja fizyczna związana jest z MES i w wyniku tej dyskretyzacji układ kontynualny 
zostaje zastąpiony modelem dyskretnym. 
 

- model dyskretny składa się z elementów, które  
  stanowią część układu kontynualnego o  
  uproszczonych charakterystykach  geometrycznych    
  i fizycznych (E

e

 = constans i J

e

 = constans)  

  oraz zbioru węzłów w których elementy te są ze  
  sobą połączone. 
 
- obciążenie sprowadzamy do węzłów: 
 

P = col { P

1

, P

2

, …, P

i

, … ,P

n

}, gdzie 

P

i

 – zawiera składowe siły i momenty (obciążenia 

zewnętrzne) 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Na podstawie znanych z wytrzymałości materiałów zależności różniczkowych, możemy napisać 
odpowiednie związki pomiędzy parametrami statycznymi (siłami) a parametrami geometrycznymi 
(przemieszczeniami) w nast. sposób: 

 

 

 

 

 

𝑇

𝑖

𝑒

𝑀

𝑖

𝑒

𝑇

𝑖+1

𝑒

𝑀

𝑖+1

𝑒

 

 

 

 

=    

 

𝑘

11

𝑘

12

𝑘

21

𝑘

22

   

𝑘

13

𝑘

14

𝑘

23

𝑘

24

 

 

𝑘

31

𝑘

32

𝑘

41

𝑘

42

   

𝑘

33

𝑘

34

𝑘

43

𝑘

44

 

  ∙  

𝜑

𝑖

𝑒

𝑤

𝑖

𝑒

𝜑

𝑖+1

𝑒

𝑤

𝑖+1

𝑒

  

 

Po długotrwałych wyprowadzeniach wzorów, dla każdego węzła i po uwzględnieniu warunków 
brzegowych otrzymujemy następujące układy równań algebraicznych. 

 

1

= 𝑘

11

r

1

+ 𝑘

12

r

2

+ 𝑘

13

r

3

+ ⋯ + 𝑘

1n

r

n

 

2

= 𝑘

21

r

1

+ 𝑘

22

r

2

+ 𝑘

23

r

3

+ ⋯ + 𝑘

2n

r

n

 



n

= 𝑘

n1

r

1

+ 𝑘

n

r

2

+ 𝑘

n3

r

3

+ ⋯ + 𝑘

nn

r

n

 

 

Ostatecznie: 

 

 

P = K 

∙ X 

 
Po  rozwiązaniu  układu  równań,  otrzymujemy  zbiór  przemieszczeń  poszczególnych  węzłów  ES, 
będących opisem linii ugięcia. 
 

Zagadnienie początkowo brzegowe w mechanice ciała stałego 

 

Zagadnienie początkowo brzegowe w mechanice ciała stałego możemy sformułować na dwa różne  
sposoby: 
 
a)  Sformułowanie lokalne – znane są  wówczas równania różniczkowe i algebraiczne opisujące 

badany problem, 
 

b)  Sformułowanie globalne – znane są równania całkowe opisujące badanu problem, 

 

Sformułowanie problemu 
 

Pod wpływem zmiennych czasie i przestrzeni 
oddziaływań zewnętrznych, w ciele 
powstanie pole przemieszczeń, naprężeń i 
odkształceń, gdzie: 
 
 

u (X, t) – przemieszczenia 

 

ζ (X, t) – naprężenia 
ε (X, t) – odkształcenia 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Siły masowe 

Sformułowanie lokalne  - polega na wyprowadzeniu kompletu równań różniczkowych i algebraicznych  

opisujących wybrane zagadnienie oraz warunków brzegowych i początkowych. 
Ważne jest, aby równania te spełnione były w każdym punkcie obszaru. Warunki 
brzegowe natomiast muszą obowiązywać na jego brzegu. 

 
- Równania równowagi  – są równaniami różniczkowymi cząstkowymi, stąd do ich rozwiązania są  

  potrzebne warunki brzegowe i początkowe 

 
 
 

𝜕𝜎

11

𝜕𝑥

1

+

𝜕𝜎

12

𝜕𝑥

2

+

𝜕𝜎

13

𝜕𝑥

3

+ 𝜌𝑓

1

= 𝜌𝑢

1

 

 

 

𝜕𝜎

21

𝜕𝑥

1

+

𝜕𝜎

22

𝜕𝑥

2

+

𝜕𝜎

23

𝜕𝑥

3

+ 𝜌𝑓

12

= 𝜌𝑢

2

   

 

𝜕𝜎

31

𝜕𝑥

1

+

𝜕𝜎

32

𝜕𝑥

2

+

𝜕𝜎

33

𝜕𝑥

3

+ 𝜌𝑓

3

= 𝜌𝑢

3

   

 

𝜕𝜎

𝑖𝑗

𝜕𝑥

𝑗

+ 𝜌𝑓

𝑖

= 𝜌𝑢

𝑖

 

, gdzie X, t 

𝜖 B x <0, oo) 

 

- Równania geometryczne 

 

𝜀

11

=

𝜕𝑢

1

𝜕𝑥

1

;  𝜀

22

=

𝜕𝑢

2

𝜕𝑥

12

; 𝜀

33

=

𝜕𝑢

3

𝜕𝑥

3

 

 

𝜀

12

=

1
2

 

𝜕𝑢

1

𝜕𝑥

2

+

𝜕𝑢

2

𝜕𝑥

1

  ; 𝜀

13

=

1
2

 

𝜕𝑢

1

𝜕𝑥

3

+

𝜕𝑢

3

𝜕𝑥

1

  ; 𝜀

23

=

1
2

 

𝜕𝑢

2

𝜕𝑥

3

+

𝜕𝑢

3

𝜕𝑥

2

  

 

gdzie: 

𝜀

𝑖𝑗

=

1
2

 

𝜕𝑢

𝑖

𝜕𝑥

𝑗

+

𝜕𝑢

𝑗

𝜕𝑥

𝑖

  oraz 

X, t 

𝜖 B x <0, oo) 

 

- Równania fizyczne (związki konstytutywne) 

 
ciało anizotropowe: 
 

 

 

𝜎

𝑖𝑗

= 𝐶

𝑖𝑗𝑘𝑙

∙ 𝜀

𝑘𝑙

, gdzie: i, j = 1,2,3 oraz  X, t 

𝜖 B x <0, oo) 

 
 
 
 
 
 
ciało izotropowe: 

 

𝜆, μ – stałe materiałowe Lameg’o 

- δ

 i, j

 – delta Kronecker’a = 

 

1 𝑑𝑙𝑎  𝑖=1
0 𝑑𝑙𝑎  𝑖≠𝑗

  

e – dylatacje (pierwszy niezmiennik stanu odkształcenia), e  = 

𝜀

 11

 + 

𝜀

 22

 + 

𝜀

 33 

 

𝜎

11

= 2𝜇𝜀

11

+ 𝜆𝑒; 𝜎

22

= 2𝜇𝜀

22

+ 𝜆𝑒; 𝜎

33

= 2𝜇𝜀

33

+ 𝜆𝑒, 

 
𝜎

12

= 2𝜇𝜀

12

𝜎

13

= 2𝜇𝜀

13

𝜎

23

= 2𝜇𝜀

23

;  

 
𝜎

𝑖𝑗

= 2𝜇𝜀

𝑖𝑗

+ 𝜆δ

ij

𝑒, gdzie i,j = 1,2,3 oraz oraz  X, t 𝜖 B x <0, oo) 

 
 
Przy czym: 

Siły bezwładności 

Tensor ujmujący parametry materiałowe 

Tensor ujmujący odkształcenia 

Tensor ujmujący naprężenia 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

 
𝜀

11

=

1

𝐸

[𝜎

11

− 𝜐(𝜎

22

+ 𝜎

33

]; 𝜀

22

=

1

𝐸

[𝜎

22

− 𝜐(𝜎

11

+ 𝜎

33

]; 𝜀

33

=

1

𝐸

[𝜎

11

− 𝜐(𝜎

11

+ 𝜎

22

 

𝜀

12

=

1+𝜐

𝐸

𝜎

12

=

𝜎

12

2𝜇

 ;

 𝜀

13

=

1+𝜐

𝐸

𝜎

13

=

𝜎

13

2𝜇

 ;

  𝜀

23

=

1+𝜐

𝐸

𝜎

23

=

𝜎

23

2𝜇

 

 

 𝜀

𝑖𝑗

=

1

𝐸

 (1 + 𝜐)𝜎

𝑖𝑗

− 𝜐δ

ij

𝜎

𝑟𝑟

 , gdzie 𝜎

𝑟𝑟

= 𝜎

11

+ 𝜎

22

+ 𝜎

33

 oraz 

𝜇 =

𝐸

2(1+𝜐)

 

 

- Warunki brzegowe: 

 
typu statycznego 
 

1

=

𝜎

11

n

1

+

𝜎

12

n

2

+

𝜎

13

n

3

 

 

2

=

𝜎

21

n

1

+

𝜎

22

n

2

+

𝜎

23

n

3

 

 

3

=

𝜎

31

n

1

+

𝜎

32

n

2

+

𝜎

33

n

3

 

 

i

=

𝜎

ij

n

j

, gdzie i,j = 1,2,3; n

j

 = cosα < (N, x

j

) oraz X, t 

𝜖 B x <0, oo) 

 

typu geometrycznego 
 

𝑢

𝑖

= 𝑢 

𝑖

, gdzie i = 1,2,3 oraz  X, t 

𝜖 Bu x <0, oo) 

 

- Warunki początkowe: 

 

𝑢

𝑖

= 𝑢

0

 

oraz  X, t 

𝜖 B x <0> 

𝑢

𝑖

  = 𝑢

0

   

 

Sformułowanie globalne  - związane jest z sformułowaniem wariacyjnym. Sformułowanie to jest  

wymagane przy rozwiązaniu zagadnienia za pomocą metod numerycznych( np. 
MES lub MECZ). Przejście do sformułowania globalnego może być realizowane na 
różne sposoby. Mogą być do tego celu stosowane np. metody wariacyjne lub 
minimalizacja funkcjonalności. 

 
Zalety 
 

 

- równanie pól oraz warunki brzegowe są otrzymywane wprost z zasad wariacyjnych, 

 

 

- sformułowanie wariacyjne umożliwia skoncentrowanie w 1 wyrażeniu wielu równań  
  opisujących badany problem. 

 

 
W ramach przeprowadzanych wykładów wykorzystamy metody wariacyjne, stosując równania pracy 
wirtualnej. Parametr wyjścia do wyprowadzenia równania pracy wirtualnej są różniczkowe równania 
równowagi oraz statyczne warunki brzegowe. 
 

𝜎

𝑖𝑗

+ 𝜌𝑓

𝑖

− 𝜌𝑢

𝑖

  = 0 - różniczkowe równania równowagi 

oraz  

𝑃

𝑖

− 𝜎

𝑖𝑗

n

j

= 0 – statyczne warunki brzegowe 

 

Równania równowagi powinny być spełnione w każdym punkcie obszaru oraz w każdej chwili „t”. 
Sens tych równań nie zmieni się jeżeli pomnożymy je przez wariacje przemieszczeń 

δ

ui

 oraz 

scałkujemy po obszarze ciała. 
 

Def. wariacji przemieszczeń – nazywamy przemieszczenie wirtualne 

 

δ

ui

≝  

0 x ϵ 

𝜕𝐵𝑢

dowolna, x ϵ B

  −

𝜕𝐵𝑢

  

 
 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Cechy wariacji: 
 
 

 

- przemieszczenia nieskończenie małe, 

 

 

 

 

- przemieszczenia niezależne od obciążeń,                  

 

- przemieszczenia kinematyczne dopuszczalne, czyli zgodne z więzami ograniczającymi ciało. 
 

 ( 𝜎

𝑖𝑗

+ 𝜌𝑓

𝑖

− 𝜌𝑢

𝑖

  )δ

ui

dB = 0 

 ( 𝑃

𝑖

− 𝜎

𝑖𝑗

n

j

ui

δ

uj

d(

𝜕

B) 

 
 

Po scałkowaniu wyżej wymienionych wyrażeń, otrzymujemy, że: 

 
 

𝑢

𝑖𝑗

=  𝜀

𝑖𝑗

+  𝜔

𝑖𝑗

     oraz     

δ𝑢

𝑖𝑗

=  δ𝜀

𝑖𝑗

+  δ𝜔

𝑖𝑗

 

 

 
Powyższe równości informują nas o tym, że tensor naprężenia oraz wariancja tensora odkształcenia 

δ𝜀

𝑖𝑗

 

są tensorami symetrycznymi. Wariancja obrotu odkształcenia 

 δ𝜔

𝑖𝑗

 jest tensorem antysymetrycznym. 

Iloczyn tensora symetrycznego i tensora antysymetrycznego = 0 

 
Dyskretyzacja modelu obliczeniowego – idealizacji geometrii układu podlegają również warunki podparcia i  

obciążenia. W szczególności obciążenia ciągłe zastępujemy układem 
sił skupionych w węzłach elementu skończonego. Elementy 
skończone są w węzłach, dlatego spełniony jest warunek ciągłości 
przemieszczeń. Na brzegach elementów skończonych, tej ciągłości 
nie gwarantujemy, stąd w procesie deformacji, może pojawić się 
między elementami szczelina. Aby zminimalizować wymiar 
szczeliny wprowadza się węzły pośrednie. Gęstość podziału 
konstrukcji na elementy skończone oraz liczba węzłów decyduje o 
dokładności metody. Im gęstszy podział obszaru na elementy 
skończone tym więcej mamy równań dla dokładniejsze obliczenia. W 
węzłach zakładamy liczbę stopni swobody, które stanowią 
podstawowy układ niewiadomych w metodzie elementów 
skończonych. 

 

Analiza elementu skończonego 

 
Analiza elementu skończonego sprowadza się do ustalenia związku pomiędzy siłami oddziaływującymi 
w węzłach a przemieszczeniami tych węzłów. Tworzymy więc macierz sztywności K, którą tę 
zależność opisuje. Analizowane funkcje w obszarze elementu skończonego (przemieszczenia) wyrażone 
są przez parametry węzłowe. 

 

Zależności te można przedstawić w nast. postaci: 

 

u

i

e

(x,t) = Φ

(x) * r

α 

(t) oraz x,t Є β < 0, ∞) ,gdzie: 

 
u

i

- pole przemieszczeń w obszarze elementu skończonego ( w dowolnym punkcie) 

gdzie:  
 
- i= 1,2,3 
- Φ

e

- funkcje kształtu ( decyduje o dokładności) 

- r

α

 – przemieszczenie węzłowe 

- α= 1,2,3,… s

∙w 

- w- liczba węzłów elementu skończonego 
- s - liczba stopni swobody w węźle 
- e - numer elementu skończonego 
- Ω - pole elementu skończonego 
- x- przestrzeń 
- t- czas 
 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Powyższa zależność, stanowi przybliżone określenie pola przemieszczeń w obszarze elementu 
skończonego w dowolnym punkcie w funkcji przemieszczeń jego węzłów. Właściwy dobór funkcji 
kształtu, jest zagadnieniem podstawowym w analizie elementu skończonego i jednocześnie 
zagadnieniem najtrudniejszym. Właściwy dobór tej funkcji w zasadniczy sposób decyduje o 
dokładności metody elementów skończonych (MES) 
 

Przy wyborze funkcji kształtu decyduje: 

 

- kryterium zgodności przemieszczeń- funkcja kształtu musi być tak dobrana aby zapewnić   
  ciągłość przemieszczeń węzła obszaru elementu skończonego oraz w jego węzłach, 
 
- kryterium sztywności- funkcja kształtu musi być tak dobrana aby podczas ruchu układu bryły  
  sztywnej, nie powstały w nim żadne naprężenia ani odkształcenia.  

 
 

Związek pomiędzy siłami oddziaływania w węzłach elementu skończonego a przemieszczeniami tych 
węzłów, przyjmuje nast. postać 
 

-zagadnienie brzegowe: K

e

 

∙ r

= P

e

 

-zagadnienie początkowo brzegowe: M

∙  𝑟 

𝑒

 + C

e

 

∙  𝑟 

𝑒

  + K

e

 

∙ r

= P

e

  

- M - macierze bezwładności mas ES, 
- C - macierz tłumienia dla elementu skończonego ES, 
- U- macierz sztywności elementu skończonego ES, 
- P - macierz- wektor obciążeń węzłów elementu skończonego o wymiarze (s

∙w) ∙1 ES, 

- r-wektor przemieszczeń węzłów elementu skończonego o wymiarze (s

∙w) ∙1, 

𝑟 

𝑒

 - przyspieszenie przemieszczeń węzłów ES, 

𝑟 

𝑒

 - prędkość przemieszczeń węzłów ES. 

 

Analiza całego układu (analiza konstrukcji) 
 

Etap ten polega ma zszywaniu poszczególnych elementów końcowych w całość, przy wykorzystaniu 
warunku ciągłości przemieszczeń i warunku równowagi węzłów. 
 
W wyniku czego, otrzymujemy: 

- układ równań algebraicznych ( dla zagadnienia brzegowego), lub  
- układ równań różniczkowych zwyczajnych ( dla zagadnienia początkowego). 

 

∙ r = P, oraz 

M

∙ r  + C∙ r  + K∙r = P 

 

 

Uwzględnienie warunków brzegowych 

 

M, C, K – macierze globalne układu 

 

Układ równań K 

∙ r = P ma taką cechę, gdy macierz kolumna-wektor (r) zawiera oprócz 

nieznanych przemieszczeń węzłów , również te przemieszczenia które znamy (tam gdzie 
mamy zadane warunki podporowe). Wektor (P), oprócz znanych zadanych sił, zawiera również  
nieznane reakcje podporowe. W takim przypadku, macierz sztywności (K), jest macierzą 
osobliwą, czyli jej wyznacznik jest równy = 0. Aby pozbyć się tej osobliwości, należy do 
układu równań K 

∙ r = P wprowadzić więzy kinematyczne ograniczające ruch naszego układu. 

 

 

Rozwiązanie układu równań algebraicznych lub różniczkowych zwyczajnych 

 

W wyniku tego otrzymujemy przemieszczenia węzłów, czyli parametry węzłowe.  

 
 
 
 
 
 

background image

Opracował: Mateusz Antoniak i Karol Frasz 

Budownictwo – Drogi, Ulice i Lotniska 

 IV rok, sem. VII 

Charakterystyka modelu skończonego: 

 
1)  Przemieszczenia: 

𝑢

𝑖

𝑒

= 𝑢

𝑖

𝑒

 𝑥, 𝑡  = 𝜙

𝑖𝛼

𝑒

 𝑥 𝑟

𝛼

(𝑡), gdzie i=1,2,3 oraz α=1,2,3,…,w∙s 

 

2)  Odkształcenia: 

𝐵

𝑖𝑗

𝛼

=

1
2

[𝜙

𝑖𝛼,𝑗

𝑒

+𝜙

𝑗 𝛼,𝑖

𝑒

 

3)  Naprężenia: 

𝜎

𝑖𝑗

𝑒

= 𝑐

𝑖𝑗𝑘𝑙

𝑒

∙ 𝐵

𝑘𝑙 𝛼

𝑒

∙ 𝑟

𝛼

 

 

4)  Wariancje: 

- Przemieszczenia: 

δ

ui

e

= 𝜙

𝑖𝛽

𝑒

∙ δ

 

 
- Odkształcenia: 

δ

ε,j

e

= 𝐵

𝑖𝑗𝛽

𝑒

∙ δ

 

 

Na podstawie wyższych zależności, można stwierdzić, że funkcja kształtu

 𝜙 i 𝐵 nie zależą od 

przemieszczeń. 
 

Równanie pracy wirtualnej - Równanie pracy wirtualnej piszemy dla każdego elementu  

skończonego. Elementów skończonych mamy skończoną liczbę (E), stąd musimy 
sumować (tzn. dokonać agregacji) wszystkich elementów skończonych. 

 

Po dyskretyzacji ośrodka ciągłego, czyli podziale na elementy skończone, równanie pracy 
wirtualnej przyjmuje następującą postać: 
 

      𝜌

𝑒

𝑓

𝑖

𝑒

δ

ui

e

d𝛺𝑒 −   𝜌

𝑒

𝑢 

𝑖

𝑒

δ

ui

e

d𝛺𝑒 +   𝑃

𝑖

𝑒

𝑓

𝑖

𝑒

δ

ui

e

(𝜕𝛺𝑒) −   𝜎

𝑖𝑗

𝑒

δ

εij

e

𝑑𝛺𝑒

𝜕𝛺𝑒

𝜕𝛺𝑒

𝛺𝑒

𝛺𝑒

 

𝐸

𝑒=1

= 0 

 
𝑀  
 
Która po agregacji przyjmuje postać następującego równania: 
 
𝑀   ∙  𝑟    + 𝐾   ∙  𝑟  − 𝑃 = 0 – równanie różniczkowe dla zagadnienia początkowo brzegowego 
𝐾   ∙ 𝑟 = 𝑃 – równanie różniczkowe dla zagadnienia brzegowego 
 

Cechy macierzy M i K: 
 

- macierze są pasmowe (wstęgowe), 
- macierze są symetryczne względem głównej przekątnej, 
- gdy wyznacznik macierzy k=0, to układ jest zmienny, jeśli k 

≠0 to układ jest  

  geometrycznie niezmienny. 
 

Agregacja macierzy sztywności i bezwładności mas 

 
Macierze po agregacji nazywamy macierzami globalnymi. Równani ruchu przyjmuje postać 
zagadnienie początkowo brzegowego

  𝑀   ∙  𝑟    + 𝐾   ∙  𝑟  = 𝑃 

 

Macierze sztywności w układzie współrzędnych globalnych: 

 
𝐾

𝑒

= 𝑇

𝑒𝑇

∙ 𝐾

  ∙ 𝑇

𝑒