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Presentación de la colisión de vehículos, carros
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Nichtlineare FEM
Beispiel: Simulation eines Crash-Tests
• Grosse Verformungen
• Bleibende Verformungen (kein Zurückfedern nach Entlastung)
1HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Quelle: www.esi-group.com
Grundlagen/ Themen der nichtlinearen FEM
FEM für lineare Probleme:
• Vernetzung, Approximation auf Elementen
• Lokale Steifigkeitsmatrizen mit
+ kleinen Verformungen (lineare Kinematik)
+ linear-elastischem Materialverhalten
• Assemblierung, Lasten und Einspannungen, Kinematische Gleichungen
• Aufbau und Lösung der linearen Gleichungssysteme
Nichtlineare Phänomene der Mechanik:
FEM1
2HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Nichtlineare Phänomene der Mechanik:
• große Verformungen/ Dehnungen (nichtlineare Kinematik)
• nichtlineares Werkstoffverhalten
+ nichtlinear elastisch (Hyperelastizität): Gummi, Kunststoffe
+ elastisch-plastisch: duktile Materialien (Baustahl)
Gleichgewicht bei Berücksichtigung nichtlinearer Effekte
• Inkrementierung und lineare Approximation
• Tangentensteifigkeitsmatrix
• Iterationsverfahren
FEM2
Auffrischung
1. Elemente höherer Ordnung führen zu nichtlinearen FE-Modellen:
Ja: Nein:
2. Mit dem Prinzip der virtuellen Verschiebungen finde ich die Beziehung zwischen
3HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
2. Mit dem Prinzip der virtuellen Verschiebungen finde ich die Beziehung zwischen
a) Dehnungen und Verschiebungen
b) Dehnungen und Spannungen
c) Spannungen und äußeren Lasten
Lineare und nichtlineare Mechanik
Eine mechanische Konstruktion verhält sich unter statischer Belastung linear, wenn eine
Veränderung der Belastung um Faktor a eine entsprechende Veränderung der Verschiebungen um
denselben Faktor a bewirkt. Andernfalls verhält sich die Konstruktion nichtlinear.
F
2 oF
linear
nichtlinear
4HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
u
o
oF
ou 2 ou
nichtlinear
Lineare und nichtlineare FE-Modelle
Das lineare Verhalten von Bauteilen wird
beschrieben durch:
• lineare Differentialgleichungen
(kontinuierlich = für alle x)
• lineare algebraische Gleichungen
(diskret = in ausgewählten Punkten)
Das nichtlineare Verhalten von
Bauteilen wird beschrieben durch
nichtlineare mathematische
Modelle.
Für die numerische Lösung werden
diese Modelle „linearisiert“, d.h. die
Berechnung wird in mehrere lineare
Lösungsschritte unterteilt.
∆f
5HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Ku = f T ∆ ≈ ∆K u f
∆u
∆f
const.≡KSteifigkeitsmatrix [ ]=T ∇K K uTangenten-Steifigkeitsmatrix
Typen nichtlinearer Modelle
Mechanische Modelle der Form Ku=f werden in drei Schritten hergeleitet:
• Gleichgewicht (zwischen inneren und äußeren Kräften: Prinzip der virtuellen Arbeit)
• Materialgesetz
• Kinematik
Ein Modell heißt:
• physikalisch nichtlinear : nichtlineares Materialgesetz
F
u
σσ εε
↔↔↔
6HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
• geometrisch nichtlinear: nichtlineare Kinematik
Darüber hinaus führen Kontaktprobleme auf nichtlineare Berechnungsmodelle, selbst wenn sich die
einzelnen Bauteile geometrisch und physikalisch linear verhalten.
δ
u
F
F
uu=δBeispiel aus: P. Wriggers, Nichtlineare FEM, Springer Berlin 2001
bzw.
Wiederholung: Lineare statische Berechnung mit FEM
Ku = f
0= − =r f Ku• f - gegebene äußeren Kräfte, bezogen auf die (Freiheitsgrade in den) Knoten des FE-Modells
• u - Verschiebungen an den Knoten
• K - Steifigkeitsmatrix.
• r - Residuum
7HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Herleitung der Steifigkeitsmatrix:
( )
( ) ( ) ( ) ( )
m
m T m m m
m V
dV=∑ ∫K B C B
Kinematik + Interpolation
Materialgesetz( ) ( ) ( )
( ) ( )
m m m
m m
σ εε
==
C
B u
( ) ( ):V A
dV F u dAσ δε δ=∫ ∫
( ) ( )( )
( ): :m
m
mV V
dV dVσ δε σ δε=∑∫ ∫
AN BN
Au Bu
l
,E A
Beispiel 1.1: Element-Steifigkeitsmatrix eines Stabelements (lineares Modell)
( ) A A B B
V
dV N u N uσδε δ δ= +∫Gleichgewicht:
8HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
elK
Materialgesetz:
Kinematik:
1 1
1 1
T T
A A A A
B B B B
u u u NEA
u u u Nl
δ δδ δ
− = −
Eσ ε=
du
dxε =
LINEAR
Beispiel 1.2. Biegebalken bei Laststeigerung (1/2)
1. Kleine Verformungen
F
w
• Längsverschiebung u << w Durchsenkung � Vernachlässigung u gegenüber w =
unverformte neutrale Faser
• Material elastisch ( = Spannungen proportional zu Dehnungen)
• Modell: Bernoulli-Gleichung (Technische Mechanik Grundkurs)
F
w
9HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
( )( )( )( )( )
0
2
0 0
' 0
0 0
IV
III
II
EIw x
EIw l F
EIw
w l
w
=
= −
=
=
=
( ) 3
6F EIk
w l l= =
F
k
( )w l
l
F
Biegebalken bei Laststeigerung (2/2)
Mittellinie, unverformtL dX=unverzerrte Länge
2. Große Verformungen
• Längsverschiebung u darf nicht mehr vernachlässigt werden � Dehnung der neutralen Faser
� nichtlineare Kinematik = geometrische Nichtlinearität.
10HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Mittellinie, unverformt
Gesamtdehnung äußere Faser
w w dw+
dwl dx=verzerrte Länge
22 2
22 :G
l L dw
L dXε − = =
Green‘sche Dehnung
21, ,
2x xu wε = +
Mittellinie, verformt
(Mittellinie)
Dehnungsmaße für große Verformungen (1-D)
l
L
2 2
22 :G
l L
Lε −=• Green‘sche Dehnung:
• Hencky‘sche (logarithmische) Dehnung: : lnl l
H
L L
dl ld
l Lε ε = = =
∫ ∫
2d dε λ ε=lλ =
11HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
• Zusammenhang:2
G Hd dε λ ε=l
Lλ = Streckung
• Kleine Verschiebungen: Dehnung = inkrementelle Dehnung bezogen auf unverformte Länge
1, G Hd dλ ε ε ε= = =
� Für kleine Verschiebungen sind beide Dehnungen identisch mit den „engineering strains“
Vergleich der Dehnungsmaße
0
0.1
0.2
0.3
Deh
nung
[%]
Einachsige Dehnungsmaße
12HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
T
G
H
εεε
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3
-0.3
-0.2
-0.1
∆ L/L [%]
Deh
nung
[%]
TechnischGreenHencky
Beispiel zum Vergleich der Logarithmischen und Technischen Dehnung
13HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Aus Rösner, Mech. Verhalten der Werkstoffe.
Beispiel 1.2: Dehnungen und Spannungen im Zugstab
T
An einem Stab mit Kreisquerschnitt greift die Zugkraft T an. Der Stab wird aus der Ausgangslänge L auf die Länge l gedehnt. Das Material ist linear-elastisch und isotrop, d.h. in der Ausgangskonfiguration ist
und für die inkrementellen Zuwächse der Dehnung gilt
r ld dε ν ε= −
ldε
1 2J νλ −=
GS Eε=
14HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
T a) Zeigen Sie die Beziehung
b) Wie groß ist der Radius r des verformten Querschnitts?
c) Berechnen Sie die Green‘sche und Hencky‘sche Dehnung.
d) Berechnen Sie die Cauchy, 1. und 2. Piola-Kirchhoff sowie die Kirchhoff-Spannung.
e) Berechnen Sie die virtuelle Arbeit und zeigen Sie dass
1 2J νλ −=
Geg : 1m, 1.4m, 4cm, =0.3, 200kNL l R Tν= = = =
iWδ: : :iWδ δ δ τ δε= = =P F S E
Spannungsmaße für großen Verformungen des Zugstabs
l
:T
aσ =• Cauchy:
Ta
• 1. Piola-Kirchhoff: 1:T
P JA
σ λ −= =
l
Lλ =
• Kirchhoff: : Jτ σ=
L
A
15HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
• Kleine Verschiebungen:
T
A
• 2. Piola-Kirchhoff: 2:S Jσλ −=:v al
JV AL
= =
1Jλ = = � Cauchy Spannungen identisch mit „engineering stresses“
• Eindimensionale Streckung: Deformationsgradient F ν
ν
λλ
λ
−
−
=
),,,,,,(2
1
),,,(2
1
),,,(2
1
222
222
yxyxyxxy
yyyy
xxxx
wwvvuuy
u
x
v
wvuy
v
wvux
u
+++∂∂+
∂∂=
+++∂∂=
+++∂∂=
γ
ε
ε
Theorie: Dehnungen bei großen Verschiebungen
Nichtlineare Kinematik Bei großen Verformungen müssen die
nichtlinearen Anteile der Verschiebungen an
den Dehnungen einbezogen werden.
Diesen Effekt nennt man geometrische
Nichtlinearität.
Finite Elemente für lineare Statik und
Dynamik beinhalten nur die linearen Anteile.
16HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
y
u
x
v
y
vx
u
xy
y
x
∂∂+
∂∂=
∂∂=
∂∂=
γ
ε
ε
Lineare Kinematik (Dehnung-Verformung)
Annahme: kleine Verschiebungen
21, ,
2x x xu wε = +Balken, große Durchbiegung:
Biege-Normalspannungen nach Bernoulli Normalspannungen entsprechend Dehnung der neutralen Faser
Theorie: Lineare und nichtlineare Differential-Gleichungen
2
2
4
4 ),(),(
t
txWA
x
txWEI
∂∂=
∂∂ ρ
• Lineare DGL (Schwingung eines Balkens)
Koeffizienten hängen nicht von unbekannter Funktion ab
Ableitungen der Funktion kommen nur in 1. Potenz vor
Konstruktionen bestehen i.a. aus kontinuierlichen Bauteilen: Balken (1-D), Schalen (2-D), Massivteile (3-D).
Grundlage der Berechnung sind Differentialgleichungen (DGL). Die Unbekannten in den DGL sind Funktionen (z.B. Verschiebungen), die kontinuierlich von den Ortsvariablen abhängen. Mit diesen Gleichungen kann die Bewegung an jedem Punkt der Bauteile berechnet werden.
17HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
• Nichtlinearen DGL : eine oder beide obige Charakteristika sind nicht erfüllt. Beispiel: Dehnungen bei großen Verschiebungen
2 2 2 2 2 2
2 2 2
1 1( , , , ), ( , , , )
2 2
1( , , , )
21 1
( , , , , , , ), ( , , , , , , )2 2
1( , , , , , , )
2
x x x x y y y y
z y y y
xy x y x y x y yz y z y z y z
xz x z x z x z
u vu v w u v w
x y
wu v w
zv u w v
u u v v w w u u v v w wx y y z
w uu u v v w w
x z
ε ε
ε
γ γ
γ
∂ ∂= + + + = + + +∂ ∂∂= + + +∂∂ ∂ ∂ ∂= + + + + = + + + +∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂= + + + +∂ ∂
{ }, ,u v w=u
F
w
Spannungsversteifung (Stress Stiffening)
Beobachtung: Durchsenkung bei nichtlinearer Rechnung ist kleiner als bei linearer
Rechnung – warum?
Erklärung: neutrale Faser wird gezogen � Normalspannung σ.
Theorie: Gleichgewicht am verformten Balken (Theorie 2. Ordnung!) � z-Komponente von σ wirkt der äußeren
= spezieller Effekt der geometrischen Nichtlinearität bei Biegung (Balken, Platten, …)
18HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
F
σ σ
Theorie: Gleichgewicht am verformten Balken (Theorie 2. Ordnung!) � z-Komponente von σ wirkt der äußeren
Last entgegen:
Große Verschiebungen � Umverteilung der Spannungen
� Lastaufnahme höher als nach linearer Rechnung vorhe rgesagt.
3. Lokale Plastifizierung
FF
w
Biegebalken bei Laststeigerung/ Fortsetzung
19HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
• Längsverschiebung u ~ w darf nicht mehr vernachlässigt werden � nichtlineare Kinematik = geometrische
Nichtlinearität (Stress Stiffening)
• Elastisch-Plastisches Materialverhalten, d.h. großer Dehnungszuwachs bei geringer Spannungssteigerung,
bleibende Verformungen nach Entlastung = nichtlineares Spannungs-Dehnungsdiagramm = physikalische
Nichtlinearität
F
w
Physikalische Nichtlinearität (nichtelastisches Material)
σσσσ
εεεε
Fließgrenze
Elastisch:
εσ E=
20HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
εεεε
Fliessen
Verfestigung
( )fσ ε ε= ɺɺ
Elastisch-Plastisch:
21HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
1. geometrisch und physikalisch linear
2. geometrisch nichtlinear
F
w
F
w
F
Biegebalkens bei Laststeigerung/ Zusammenfassung
22HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
3. geometrisch und physikalisch nichtlinearw
F
w
Praktische Konsequenz bei linearer Festigkeits-Berechnung
Das Bauteil verhält sich unter realer Beanspruchung:
F F
geometrisch nichtlinear geometrisch und physikalisch nichtlinear
23HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
w w
Messung/ nichtlineare Berechnung
lineare Rechnung mit gleicher Last
Berechnete Durchbiegungen sind zu groß:
� Tragfähigkeit nicht voll ausgenutzt.
� Vergleichspannung fehlerhaft.
Berechnete Durchbiegungen sind zu klein.
� Tragfähigkeit wird überschätzt!
Zusammenfassung (1/3): Lineare und nichtlineare Berechnung mit FEM
F
Linear
F
1nF +oF
( )K u
Nichtlinear
24HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
uou
const.K ≡
u1nu +
1
Geg:
Ges:
Lsg:
o
o
o o
F
u
u F−=
K
1
1
11 1
Geg: ,
Ges:
Lsg:
n n
n
n T n
F u
u
u F
+
+
−+ +∆ = ∆
K
nu
( )T nK u
Steifigkeitsmatrix Tangenten-Steifigkeitsmatrix
( )11 1 n n T n nu u F F−
+ +⇒ ≈ + −K
Linear Nichtlinear
Gleichgewicht
an unverformtem Volumen an verformtem Volumen
Material
Hooke‘sches Gesetz Elastisch, Hyper-Elastisch, Elastisch-
Plastisch, …
( ) ( ):V A
dV F u dAσ δε δ=∫ ∫ ( ) ( ):v a
dV F u dAσ δε δ=∫ ∫
ij ijkl klCσ ε= ( )( )
σ = σ ε
σ = σ εɺ ɺ ɺi i i
Zusammenfassung (2/3): Modellbildung
25HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Kinematik
• Technische Dehnungen
• Green Dehnungen
• logarithmische DehnungenL l L
L Lε ∆ −= =
2 2
22 G L
l L
Lε −
−=
lnl
L
L
dl l
l Lε = =
∫
( )σ = σ εɺ ɺ ɺi i
2 2
22 G A
l L
lε −
−=
Typ der Berechnung Typische Formulierung Spannungs-/ Verzerrungsmaß
Nur materiell nichtlinear Nichlineares Materialgesetz Grundkurs Technische Mechanik „engineering“
stresses/ strains
Große Verschiebungen ,
große Rotationen, kleine
Verzerrungen
Total Lagrangian (TL)
Updated Lagrangian (UL)
2. Piola-Kirchhoff‘scher Spannungstensor,
Green‘scher Verzerrungstensor
Cauchy‘scher Spannungstensor, Almansi‘scher
Verzerrungstensor
Große Verschiebungen , Total Lagrangian (TL) 2. Piola-Kirchhoff‘scher Spannungstensor,
Tabelle 1: (nach K.J. Bathe – vgl. FEM, 2. Auflage, Tab. 6.1, S. 570)
Zusammenfassung (3/3): Klassifikation nichtlinearer Berechnungen
26HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Große Verschiebungen ,
große Rotationen, große
Verzerrungen
Total Lagrangian (TL)
Updated Lagrangian (UL)
2. Piola-Kirchhoff‘scher Spannungstensor,
Green‘scher Verzerrungstensor
Cauchy‘scher Spannungstensor, Logarithmischer
Verzerrungstensor
Weitere Berechnungstypen:
• Kontakt,
• Fluid-Struktur-Interaktion
Formulierungen: Eulerian, Arbitrary Lagrange-Eulerian (ALE)
K.J. Bathe, FEM, 2. Auflage, S. 615
Total Lagrangian Formulation (TL)
27HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
K.J. Bathe, FEM, 2. Auflage, S. 616
Updated Lagrangian Formulation (UL)
28HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Total Lagrangian Formulation (TL)
29HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Belytschko, Liu, Nonlinear FE for Continua and Structures, S. 197
Updated Lagrangian Formulation (UL)
30HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
Belytschko, Liu, , Nonlinear FE for Continua and Structures S. 151
Vorkenntnisse 1
Frischen Sie Ihre Kenntnisse zur Lösung nichtlinearer Gleichungen mit Newton- bzw. Newton-Raphson Verfahren auf!
Zu empfehlen sind Darstellungen mit Beispiel-Programmen, z.B. meine Suche in Google mit „Newton-Raphson matlab“
http://numericalmethods.eng.usf.edu/mtl/gen/03nle/index.html
http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/loadFile.do?objectId=4313&objectType=file
f(x)
31HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
f(xi)
f(xi+1)
xi+2 xi+1 xi X
θ
( )[ ]ii xfx ,
Vorkenntnisse 2
Grundbeziehungen für Spannungen und Dehnungen in elastischen Körpern. Wichtigste Beziehungen:
( )
, 0
3
1, ,
2
ij j i
ij j i
ij m ij ij
m kk
ij ji i j j i
f
n t
s
u u
σσσ σ δσ σ
ε ε
+ =
=
= +
=
= = +
• Gleichgewicht am Volumselement
• Gleichgewicht an der Oberfläche
• Zerlegung des Spannungstensors in hydrostatischen und
deviatorischen Anteil
• hydrostatische Spannung
• Verzerrungstensor
32HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
( )0
2
ij ij ij
ij ijkl kl
e
E
ε ε δσ ε
= +
=
• Gross, Hauger, Schnell, Technische Mechanik 2, Technische Mechanik 4
• Becker, Gross, Mechanik elastischer Körper und Strukturen, Springer Verlag Berlin 2002
Literatur:
• Zerlegung des Verzerrungstensors
• Elastisches Materialgesetz
Vorkenntnisse 3: FEM für kleine Verschiebungen, elastisches Material
Regel 1: Mittels FEM werden Systemvariable (z.B. Verschiebungen) an ausgewählten Punkten (Knoten)
eines Berechnungsgebietes (z.B. einer mechanischen Struktur) numerisch bestimmt. Zur Herleitung der
dazu benötigten Gleichungen wird das Gebiet in finite Elemente unterteilt. Durch numerische Auswertung
von mechanischen Beziehungen innerhalb der Elemente werden die relevanten Eigenschaften der Systeme
(z.B. Steifigkeit, Masse) in den Knoten konzentriert.
Beispiel: Man berechne die Verschiebungen in einer abgesetzten Welle unter Zug.
1l 2l 3l
F
33HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
1EA 2EA 3EA
Lösung (elementar):
x
( )u x
11
1
F lu
E A= 1 2
21 2
l lu F
E A E A
= +
1 2 33
1 2 3
l l lu F
E A E A E A
= + +
2u1u 3u 4uR
F(1) (2) (3)
(1)1F (1)
2F (2)2F (2)
3F (3)3F (3)
4F
Assemblierung der Element-Steifigkeitsmatrizen
(1)1 0R F− = (1) (2)
2 2 0F F− − = (2) (3)3 3 0F F− − = (3)
4 0F F− + =
• Knoten: Gleichgewicht von inneren und äußeren Kräften
34HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
( )34 3
3
EAu u F
l− =
( )
( )
(1) 11 1 2
1
(1) 12 2 1
1
EAF u u
l
EAF u u
l
= −
= −
• Elemente: Ersetzen der inneren Kräfte durch Verschiebungen
( )
( )
(2) 22 2 3
2
(2) 23 3 2
2
EAF u u
l
EAF u u
l
= −
= −
( )
( )
(3) 33 3 4
3
(3) 34 4 3
3
EAF u u
l
EAF u u
l
= −
= −
( )11 2
1
EAu u R
l− = ( ) ( )1 2
2 1 2 31 2
0EA EA
u u u ul l
− + − = ( ) ( )2 33 2 3 4
2 3
0EA EA
u u u ul l
− + − =
1u
• Knoten: Bestimmungsgleichungen für Verschiebungen
2u 3u4u
� �
1 11
1 1
1 1 2 22
1 1 2 2
3 32 23
2 2 3 3
3 34
3 3
0 0
0 0
0 0
0 0
EA EAu R
l l
EA EA EA EAu
l l l l
EA EAEA EAu
l l l l
EA EAu F
l l
− − + − =
− + − −
u�������������������
Assemblierung: Zusammenfassung der Knotengleichungen in Matrixform:
Knoten 1:
Knoten 2:
Knoten 3:
Knoten 4:
(4)
35HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
� �3 3 Fu
K�������������������
Ku = F
Steifigkeitsmatrix (Stiffness Matrix)
Regel: Für jeden Freiheitsgrad an jedem Knoten ergibt sich genau eine Gleichung der Form:
Linke Seite = Resultierende der inneren Kräfte … Rechte Seite = Resultierende der äußeren Kräfte …
… in Richtung des Freiheitsgrades Ku = T F= − =R F T 0
Illustration: Steifigkeitsmatrix eines Stabelements mit großen Verschiebungen.
1u2u
1w2w
, ,E A L
( )V
dVσδε∫Materialgesetz: Eσ ε= LINEAR
vgl: Beispiel 1.1.
36HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
V
elK
Materialgesetz:
Kinematik:
( )1 1
1 12 1
2 2
2 2
1 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 1 0,
1 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 1 0
Tu u
w wEA FF EA u u
u uL L
w w
δδδδ
− − + = −
− −
Eσ ε=
( )21' '
2u wε = +
LINEAR
NICHTLINEAR
elGK
Illustration: Steifigkeitsmatrix eines Stabelements mit großen Verschiebungen (2/2)
The resultant strain is:
3.4.3. ImplementationThe stress-stiffness matrices are derived based on (3–35), but using the nonlinear strain-displacement relationships given in (3–58)
For a spar such as LINK8 the stress-stiffness matrix is given as:
Ansys Theory Reference,
Chapter 3: Structures
37HAW/MP - Ihlenburg – Nichtlineare FEMEinführung
( )1 1
1 12 1
2 2
2 2
1 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 1 0,
1 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 1 0
Tu u
w wEA FF EA u u
u uL L
w w
δδδδ
− − + = −
− −
Chapter 3: Structures
with geometric
nonlinearities