background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

1

8.



8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

8.1. Wprowadzenie

Zadania nieliniowe mają swoje zastosowanie na przykład w rozwiązywaniu cięgien.

Przyczyny nieliniowości:

1)  geometryczne:

 wynikające z uwzględnienia konfiguracji początkowej i końcowej

Na przykład w sytuacji przedstawionej poniżej:

=

P l

3

EI

zależy liniowo od obciążenia. Jeśli geometria po odkształceniu zmienia się nieznacznie to

można zadanie takie utożsamić z układem niezmienionym i postępować zgodnie z zasadą zesztywnienia. W
rzeczywistości równowaga układu wystąpi, gdy zapiszemy jej warunki w układzie przemieszczonym (a więc
mamy do czynienia z układem nieliniowym).

 wynikające z uwzględnienia deformacji:

ij

=

1
2

u

i , j

u

j , i

u

i , k

u

j , k

efekt duzych deformacji

(8.1)

2)  fizyczne – ze względu na przyjęty materiał.

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

δ

P

δ

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

2

W naszych rozważaniach zakładaliśmy materiał liniowy:

W rzeczywistości mamy do czynienia z materiałem nieliniowym, którym jest stal:

czy też beton:

3)  uwzględnienie tarcia

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

ε

σ

ε

σ

ε≈0

ε

T>0

stal w temp. ok. 300

o

C

ε

σ

mikrorysy

makrorysy w wyniku 

dalszych obciążeń

odciążenia nie są 

po tej samej 

ścieżce

odciążenia

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

3

4)  uwzględnienie zmieniających się warunków brzegowych, na przykład:

Wszystkie  wyżej   wymienione   czynniki   mogą  wystąpić   jednocześnie,  co  stanowi  przyczynę  dużej

nieliniowości.

8.2. Efekt nieliniowości w obliczeniach numerycznych

Analizę przeprowadzimy dla elementów prętowych i cięgnowych)

Układ równań nieliniowych algebraicznych

k

=

p

(8.2)

Macierz sztywności układu zależy od przemieszczeń, co zapisujemy

[

2

x

1

1

x

1

x

2

]

[

x

1

x

2

]

=

[

4
2

]

(8.3)

Zakładamy obciążenie jednoparametrowe (uproszczenie)

K

=K

o

K

NL

(8.4)

gdzie 

K

NL

macierz nieliniowa , geometryczna

EA

L

[

1

−1

−1

1

]

P

A

[

0 1
1 0

]

(8.5)

Zmiana energii sprężystej na kroku

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

δ

P

δ

0

P

P

δ

0

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

4

U

=

L

A

[

o

o



a

 

]

dAdL

=

o

L

A

a

dAdx

E

L

A

a

2

dAdx

(8.6)

gdzie 

a

=

du

dx


dv
dx

2

− y

d

2

v

dx

(8.7)

jest odkształceniem na kroku

Po podstawieniu

U

=

o

A

L

[

du

dx


dv
dx

]

dx

E

L

[

A

du

dx

2

I

d

v

dx

2

2

A

du

dx

du

dx

2

A
4

dv
dx

4

]

dx

(8.8)

0

 =

0

E

 =

E

2

(8.9)

gdzie

=

1
2

u

i , j

u

j ,i

u

i , k

u

j , k

(8.10)

Aproksymacja

u

=a

0

a

1

x

(8.11)

v

=b

0

b

1

x

b

2

x

2

b

3

x

3

(8.12)

u

=

1

x

l

u

1

x

l

u

2

(8.13)

v

=

1

x

2

l

2

x

3

l

3

v

1

x

2

l

2

x

3

l

3

v

2

−2 x

2

l

x

x

3

l

2

1

x

2

l

x

3

l

2

2

(8.14)

U możemy wyrazić jako funkcję przyrostów przemieszczeń

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

5

d

T

=[u

1

, v

1

,

1

, u

2

, v

2

,

2

,

]

(8.15)

Przyrostowa macierz sztywności

K

I

 = f

(8.16)

Obliczamy początkową macierz sztywności ze wzoru

K

I

=K

0

K

P

AE

K

1

AE

K

2

(8.17)

następnie wyznaczamy

d

1

K

=0=

p

(8.18)

dla obliczonego

d

1

obliczamy 

 d

K

d

1

 =

p

(8.19)

Dodajemy przemieszczenia zgodnie ze wzorem

d

2

=d

1

 d

(8.20)

i obliczamy macierz sztywności od przemieszczeń 

d

2

. Następnie obliczamy 

 d

K

d

2

 =

p

(8.21)

Pełna metoda Newtona – tok obliczeń pokazano poniżej

Obliczamy przemieszczenia 

d

1

dla macierzy sztywności 

K

=0

K

=0d

=

p

(8.22)

następnie obliczamy macierz sztywności dla 

d

1

i obliczamy przemieszczenia

 d

2

K

d

1

 d

2

=−r

1

(8.23)

dodajemy przemieszczenia

d

1

 d

2

=d

2

(8.24)

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

6

dla sumarycznych przemieszczeń obliczamy nową macierz sztywności i obliczamy

 d

3

K

d

2

 d

3

=−r

2

(8.25)

Kończymy iterację gdy:

r

i



(8.26)

Przyjmujemy kolejne poziomy obciążeń i dążymy do znalezienia odpowiedniego przemieszczenia

przez iteracje. Przy każdej iteracji buduje się nową macierz sztywności zależną od odkształceń z
poprzedniego kroku.

K

d

 d

1

 =−r

1

(8.27)

Jeżeli iteracja się zbiega, to wielkości niezrównoważonych sił zmniejszają się.

K

d

 d

1

 d

2

 =−r

2

(8.28)

W   nieliniowych   zagadnieniach   mechaniki   konstrukcji   pomiędzy   wielkościami   typu   statycznego   i

geometrycznego   zachodzi   relacja   proporcjonalności   wyrażona   przy   pomocy   współczynnika   K
charakteryzującego  sztywność  konstrukcji.   W   układach   o wielu   stopniach  swobody  rolę   współczynnika
proporcjonalności przejmuje macierz sztywności

q

=K

−1

Q

(8.29)

Przy   braku   proporcjonalności   pomiędzy   Q   i   q   ich   wzajemne   zależności   są   nieliniowe.   Macierz

sztywności zależy od przemieszczeń. Wyznaczana jest przez styczna do krzywej o równaniu

 

Q

q

(8.30)

zatem jest różna dla poszczególnych punktów

8.3. Przyczyny nieliniowości

Przyczyny nieliniowości mogą wynikać ze struktury materiału (np. materiały niejednorodne jak np.

beton), czyli w braku proporcjonalności pomiędzy naprężeniami 

 a odkształcenia 

. Jest to nieliniowość,

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

7

którą   nazywamy  nieliniowością   fizyczną,   która   może   wystąpić   również   przy   odkształceniach   liniowo
zależnych od przemieszczeń q. Ma to miejsce np. w zagadnieniach dotyczących plastyczności.

Innym   rodzajem   nieliniowości   jest   ta,   która   wynika   z   braku   proporcjonalności   pomiędzy

odkształceniami  

  i   przemieszczeniami  q,   co   może   mieć   miejsce   np.   przy   liniowych   zależnościach

pomiędzy odkształceniami 

 a naprężeniami 

. Mamy tu na myśli np. zagadnienia stateczności sprężystej.

Jest to nieliniowość  geometryczna, związana z dużymi przemieszczeniami, które należy uwzględnić przy
budowaniu równań równowagi. 

Niekiedy mogą występować takie przypadki, że pomimo małych przemieszczeń należy uwzględnić

ich wpływ, aby w ogóle możliwe było zapisanie warunków równowagi.

Stosowane współcześnie konstrukcje wiotkie, często o dużych rozpiętościach, albo też zbudowane z

materiałów pracujących w stanie plastycznym wymagają obliczeń nieliniowych. Nieliniowość może mieć
także charakter łączny, czyli jednocześnie mogą występować nieliniowość fizyczna i geometryczna np. w
konstrukcjach z materiałów gumowych lub gumopochodnych. Dotyczy to również asfaltów i gruntów, stąd
też   zagadnienia   dotyczące   obliczeń   gruntów   należą   do   bardzo   trudnych.   Wymagają   odpowiedniego
podejścia i przyjęcia skomplikowanych założeń przy matematycznych tworzeniu modelu. 

8.4. Rozwiązanie

W zagadnieniach nieliniowych wyznaczenie Q przy danych q, lub też odwrotnie wyznaczeniu q przy

znanych   Q,   jest  praktycznie   niewykonalne   przy  pomocy  metod   bezpośrednich.   Możliwe   jest   uzyskanie
wyników (rozwiązań) przybliżonych poprzez zastosowanie linearyzacji lub też przez stosowanie specjalnych
algorytmów obliczeniowych. 

Równanie równowagi można zapisać w postaci:

K

qq=Q

(8.31)

W  ogólności   macierz   sztywności   zależy od  niewiadomych  przemieszczeń  q. Otrzymaliśmy zatem

układ   równań   nieliniowych.   Rozwiązanie   równania   jest   skomplikowane.   Macierz   sztywności   w
zagadnieniach nieliniowych może być osobliwa. W zagadnieniach liniowych taka sytuacja nie mogła się
zdarzyć. Analiza takiej sytuacji jest złożona numerycznie. Przyczyna nieliniowości może leżeć w materiale i
w   braku   proporcjonalności   między   naprężeniami   i   odkształceniami.   Nieliniowość   może   też   mieć   inne
przyczyny,   np.:   jednostronne   podpory,   jednostronne   podłoże,   konstrukcje   prętowo-cięgnowe   nawet   w
zakresie liniowym. Do rozwiązania tych zadań stosujemy techniki numeryczne.

8.5. Sposoby rozwiązywania

8.5.1. Metoda przyrostowa

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

8

Rozpatrujemy zagadnienie nieliniowe opisane zależnością 

Q

q

(8.32)

w zakresie obciążenia (0,Q)

Dla   danego   obciążenia  Q  będziemy   poszukiwać   przemieszczenia  q.   Metoda   polega   na   tym,   że

obliczenia przeprowadzamy etapowo, zwiększając obciążenie na każdym etapie o pewien przyrost   

Q

i

oraz   odpowiadający   mu   przyrost   przemieszczeń  

 q

i

.   Jako   punkt   startu   przyjmujemy   wartość  

Q

0

dostatecznie małą, tak aby można było założyć, że w zakresie obciążenia (0,Q) konstrukcja zachowuje się
liniowo, czyli macierz sztywności 

K

0

 ma być stała i taka jak w konstrukcji liniowej.

Zaletami metody są: 

  możliwość zastosowania do wszelkiego rodzaju nieliniowości (z wyjątkiem przypadków o malejącej
sztywności), 

 pełny opis relacji obciążenia - przemieszczenia dla każdego przyrostu

Wady: 

 duża chłonność obliczeniowa (odwracanie różnych macierzy dla każdego cyklu)

 trudność w określeniu wartości przyrostu obciążeń dla uzyskania założonej dokładności

 brak możliwości oceny poprawności rozwiązania, o ile nie istnieje jakaś baza porównawcza

  trudności algebraiczne związane z rozwiązywaniem źle uwarunkowanego układu równań w otoczeniu
punktów krytycznych

8.5.2. Metoda iteracyjna

Jest  to bardzo popularna  metoda ze względu na wielostronność zastosowań i wysoką dokładność

obliczeń. Nazywa się ją również metodą Newtona-Raphsona (w skrócie NR). 

Rozwiązywanie przy pomocy tej metody polega na tym, że w każdym cyklu iteracyjnym operujemy

pełnym obciążeniem Q. W poszczególnych cyklach przyjmujemy stałe, przybliżone macierze sztywności, co
powoduje niespełnienie warunków równowagi. Po każdym cyklu oblicza się obciążenie niezrównoważone w
danej konfiguracji odkształcenia. To obciążenie służy do wyznaczania dodatkowych przemieszczeń, czyli
zmian   konfiguracji   zmierzających   do   konfiguracji   odpowiadającej   równowadze.   Proces   obliczeniowy
kończymy po osiągnięciu równowagi z przyjętą dokładnością.

Startujemy przy pełnym  obciążeniu  Q oraz macierzy  sztywności K

L

  równej  macierzy sztywności

traktowanej jako liniowa. Dla tego stanu obciążenia i sztywności obliczamy przemieszczenia.

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

9

Zalety tej metody:

 większa łatwość w programowaniu niż w metodzie przyrostowej, 

  duża efektywność, szczególnie w przypadku kilku wariantów obciążeń, przy nieliniowości fizycznej
możliwość uwzględniania zmian własności materiału zależnie od stanu naprężeń. 

Wady: 

  brak   pewności   co   do   zbieżności   rozwiązania   dokładnego   (spełnienie   równowagi   to   tylko   jeden   z
warunków),

 niemożliwość zastosowania do dynamiki (można operować tylko stałym obciążeniem), 

  brak   informacji   o   stanie   obciążenia   -   przemieszczenia,   kiedy   stosujemy   obciążenie   o   niepełnych
wartościach

8.5.3. Pełny algorytm Newtona (Full Newton Iteration)

 Metoda Newtona, zwana też metodą stycznych, należy do metod iteracyjnych. 

K

 = p

K

  = 

p

(8.33)

K

d

 d

1

 =−R

(8.34)

K

d

 d

 d

2

 =−R

2

(8.35)

Iterację przeprowadzamy do momentu w którym dokładność jest satysfakcjonująca . Oszacowanie
błędu:

r∥

(8.36)

∥ d

i

d



(8.37)

Przyjąć można np. normę euklidesową:

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater

background image

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

10

i

R

i

2

- suma wszystkich niezrównoważonych sił w w węzłach

(8.38)

8.5.4.  Metoda Newtona-Raphsona

i

i+1

k=1 2

R

i

4

R

i

1

d

d

i+1

d

i

Δ d

i+1

λ

p

λ

p

Δ

3 4

W metodzie Newtona-Raphsona szybciej uzyskuje się wiekszą dokładność.  

J.Gieczewski, M.Kończal, A.Krzysztoń, D.Mejbaum, N.Roszak, M.Wojciechowski, J.Wojtkowiak

AlmaMater