Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
Tentamen (uitwerkingen)

AE420/ME471/CSE453 – Introduction to the finite element method List of application problems University of Illinois, Urbana Champaign AE 420

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
22
Cijfer
A+
Geüpload op
08-02-2023
Geschreven in
2022/2023

AE420/ME471/CSE453 – Introduction to the finite element method List of application problems Topic 2: Finite element formulation and analysis for 1-D Poisson problems Problem 2.1 Finite element for a rope problem One of the simplest mechanical systems consists of a rope of initial length L under tension T and subjected to a lateral force f(x) (Figure 2.1). T u(x) x u f(x) T 0 L Figure 2.1 If we assume that the deflection u(x) is small and that the tension T is constant, the expression of the potential energy for this system can be shown to be Π p = 1 2 T du dx     2 dx − f x( )u x( )dx 0 L ∫ 0 L ∫ . Using the variational method (i.e., using the PMPE), deduce the expression of the local stiffness matrix [k] and the local load vector {r} for a 2-node and a 3-node “generic rope element” of length l . For the local load vector, assume that the applied load f(x) is constant (=fo) on the element. How many degrees of freedom does each node have? Solution (1) Let us derive the FE formulation for a generic M-node “rope element”. We will then “specialize” our formulation to the 2- and 3-node cases, as requested. 2 Π e = 1 2 T du ds        2        ds 0 l ∫ − f s( ) u s( )dx 0 l ∫ , (1) where Π e = potential energy of the "generic element" l = length of the element f(s) = distributed transverse load acting on the element Let u ˜ (s) = N(s) { }d , (2) where N(s) = N1 (s) N2 (s) .. NM (s) = vector with M shape functions d = U1 U2 .. UM = vector with M modal displacements (1dof/node) (2) ⇒ du ˜ ds = N ' { }d = d { } N ' Substitute into Π e in (1) : Π ˜ e = 1 2 (T d { }N N' { }d ) 0 l ∫ ds− f(s) d { }N dx 0 l ∫ = 1 2 d [ ]k { }d − d { }r where [ ]k (M,M) = T dN(s) ds       (M,1) dN(s) ds (1,M)           ds 0 l ∫ { }r (M,1) = f(s) { }N (M,1) ds 0 l ∫ (2) 2 - node " rope element" (M = 2) → N = N1 N2 = 1− s l s l ⇒ N = − 1 l 1 l [ ]k = T −1 l 1 l       0 l ∫ −1 l 1 l ds = T l 1 −1 −1 1       { }r = f0 0 l ∫ 1− s l s l           ds = f0 l 1 2 1 2       3 (3) 3 - node rope element (M = 3) → N = N1 N2 N3 = 2( ) s− l ( ) s− l / 2 l 2 −4s s( ) − l l 2 2s s( ) − l / 2 l 2 ⇒ N ′ = 4s− 3l l 2 − 4 2( ) s− l l 2 4s− l l 2 [ ]k = T N{ }' 0 l ∫ N' ds = T l 7/ 3 −8/ 3 1/ 3 −8/ 3 16/ 3 −8/ 3 1/ 3 −8/ 3 7/ 3           { }r = f0 0 l ∫ 2 l 2 (s− l 2 )(s− l) − 4 l 2 s(s− l) 2 l 2 s(s− l 2 )                   ds = f0 l 1 6 2 3 1 6           U1 U2 U1 U2 U3 • o o o o s=0 s=l s=0 s=l/2 s=l 2- Node Element 3-Node Element 4 Problem 2.2: FEA of a bi-material axially loaded bar Consider the bi-material axially loaded bar structure of length 2L described in Figure 2.2. It is discretized with 5 nodes and 4 elements (note: the elements are NOT of equal size). The second half (xL) of the bar is made of a material three times as stiff as the left side (xL). It is subjected to a quadratically increasing distributed axial load po*(x/(2L))2 (with po in N/m), and to a point load 2Q applied at the end (x=2L). Using the element and node numberings indicated in the figure, assemble the global stiffness matrix and global load vector for this problem. You do not need to re-derive the expression of the local stiffness matrix and local load vector. Just use the expressions found in class. Assume that the distributed load is uniform over each element: take the value computed at the center of the element. Apply the appropriate boundary conditions and obtain the final form of the linear system (do NOT solve the linear system). Assuming that you have computed the five nodal displaceme

Meer zien Lees minder
Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

AE420/ME471/CSE453 – Introduction to the finite element method
List of application problems
Topic 2: Finite element formulation and analysis for 1-D Poisson problems

Problem 2.1 Finite element for a rope problem
One of the simplest mechanical systems consists of a rope of initial length L under tension T and
subjected to a lateral force f(x) (Figure 2.1).


u

T u(x) T x
0 L
f(x)
Figure 2.1

If we assume that the deflection u(x) is small and that the tension T is constant, the expression of
the potential energy for this system can be shown to be
L L
1  du  2
Π p = ∫ T   dx − ∫ f (x )u( x )dx .
2 dx
0 0
Using the variational method (i.e., using the PMPE), deduce the expression of the local stiffness
matrix [k] and the local load vector {r} for a 2-node and a 3-node “generic rope element” of
length l . For the local load vector, assume that the applied load f(x) is constant (=fo) on the
element. How many degrees of freedom does each node have?

Solution

(1) Let us derive the FE formulation for a generic M-node “rope element”. We will then
“specialize” our formulation to the 2- and 3-node cases, as requested.




1

, 1   du  
l 2 l
Π = ∫ T   ds −
e
∫ f (s) u(s)dx , (1)
2 0   ds   0
where
Πe = potential energy of the "generic element"
l = length of the element
f (s) = distributed transverse load acting on the element
Let u˜(s) = N(s) {d}, (2)
where
N(s) = N1 (s) N 2 (s) .. N M (s) = vector with M shape functions
d = U1 U 2 .. U M = vector with M modal displacements (1dof/node)
du˜
(2) ⇒ = N ' {d} = d {N '}
ds
Substitute into Πe in (1) :
l l
˜ e = 1 ∫ (T d {N } N ' {d})ds −
Π ∫ f (s) d {N }dx =
1
d [k ]{d}− d {r}
20 0
2
where
 
l
  dN(s) dN(s) 
[k ] = ∫ T   ds
0
 ds  ds
(1,M) 
(M,M)
 (M,1 ) 
l
{r} = ∫ f (s) {N }ds
(M,1) 0 (M,1 )

(2) 2 - node " rope element" (M = 2)
s s 1 1
→ N = N1 N 2 = 1− ⇒ N = −
l l l l
l −1 l T  1 −1
[k ] = ∫ T 1 l  −1 l 1 l ds =  
l −1 1 
0
 s
l 1−  1 2
{r} = ∫ f0  l ds = f0 l 
0  s  1 2
 l 




2

, (3) 3 - node rope element (M = 3)
2(s − l)(s − l / 2) −4s(s − l) 2s(s − l / 2)
→ N = N1 N 2 N 3 =
l2 l2 l2
4s − 3l 4(2s − l) 4s − l
⇒ N′ = −
l2 l2 l2
l
 7/ 3 −8/ 3 1/ 3 
T 
[k ] = ∫ T {N '} N ' ds = −8/ 3 16/ 3 −8/ 3
l
0  1/ 3 −8/ 3 7/ 3 
2 l 
 2 (s − 2 )(s − l)
 l 4  1 6
l
 
{r} = ∫ f0  − 2 s(s − l) ds = f0 l  2 3
 l  1 6
0
 2 s(s − l )   
 l 2 2  

U1 U2 U1 U2 U3
• o o o o
s=0 s=l s=0 s=l/2 s=l

2- Node Element 3-Node Element




3

Geschreven voor

Vak

Documentinformatie

Geüpload op
8 februari 2023
Aantal pagina's
22
Geschreven in
2022/2023
Type
Tentamen (uitwerkingen)
Bevat
Vragen en antwoorden

Onderwerpen

$9.99
Krijg toegang tot het volledige document:

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
De reputatie van een verkoper is gebaseerd op het aantal documenten dat iemand tegen betaling verkocht heeft en de beoordelingen die voor die items ontvangen zijn. Er zijn drie niveau’s te onderscheiden: brons, zilver en goud. Hoe beter de reputatie, hoe meer de kwaliteit van zijn of haar werk te vertrouwen is.
ExamsConnoisseur Self
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
587
Lid sinds
3 jaar
Aantal volgers
344
Documenten
1492
Laatst verkocht
4 weken geleden

4.2

68 beoordelingen

5
40
4
11
3
13
2
1
1
3

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen