4.2 – Lösung mit der Methode der finiten Elemente

 

Auszug aus dem Skript der Vorlesung Finite Elemente bei Dr.-Ing Philipp Höfer an der UniBw München.

4.2.1 Aufteilung in 1 Element, 2 Knoten

eigenwerte-differentialgleichung-finite-elemente-approximation

Randbedingung: {u_1} = 0

Die Elementsteifigkeitsmatrix entspricht der Gesamtsteifigkeitsmatrix (siehe Kapitel 3.1.4):

\left[ K \right] = \frac{{EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1} \\ {-1}&1 \end{array}} \right]

Die Elementmassenmatrix entspricht der Gesamtmassenmatrix (siehe Kapitel 3.1.5):

\left[ M \right] = \frac{{\rho AL}}{6}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1 \\ 1&2 \end{array}} \right]

Einsetzen in die Bewegungsgleichungen in Matrixschreibweise liefert:

\left[ M \right]\left\{{\ddot U} \right\}+\left[ K \right]\left\{ U \right\} = \left\{ 0 \right\}\quad \Rightarrow \quad \left( {\left[ K \right]-\lambda \left[ M \right]} \right)\left\{{\hat U} \right\} = \left\{ 0 \right\}

\Rightarrow \quad \left( {\frac{{EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1} \\ {-1}&1 \end{array}} \right]-\frac{{\rho AL}}{6}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1 \\ 1&2 \end{array}} \right]\lambda } \right)\left\{{\begin{array}{*{20}{c}}{{U_1}} \\ {{U_2}} \end{array}} \right\} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0 \\ 0 \end{array}} \right\}

Einsetzen der Randbedingung:

\Rightarrow \quad \left( {\frac{{EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1} \\ {-1}&1 \end{array}} \right]-\frac{{\rho AL}}{6}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1 \\ 1&2 \end{array}} \right]\lambda } \right)\left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0 \\ {{U_2}} \end{array}} \right\} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0 \\ 0 \end{array}} \right\}\quad \quad \begin{array}{*{20}{c}}{} \\ {\left( 2 \right)} \end{array}

\mathop \Rightarrow \limits^{\left( 2 \right)} \quad \frac{{EA}}{L}{U_2}-2\frac{{\rho AL}}{6}\lambda {U_2} = 0\quad \mathop \Rightarrow \limits^{{U_2} \ne 0} \quad \frac{{EA}}{L}-\frac{{\rho AL}}{3}\lambda = 0

\Rightarrow \quad \frac{{3E}}{{{L^2}\rho }} = \hat \lambda = {{\hat \omega }^2}\quad \Rightarrow \quad {{\hat \omega }_1} = \sqrt {\frac{{3E}}{{{L^2}\rho }}} = \frac{{1,7321}}{L}\sqrt {\frac{E}{\rho }} ,\quad \quad {\Delta _1} = 10\%

Eigenvektor:

\left\{{{{\hat U}_1}} \right\} = {\left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0&1 \end{array}} \right\}^T} (normiert)

Veranschaulichung:

eigenwerte-approximation-zug-druck-stab-finite-elemente

4.2.2 Aufteilung in 2 Element, 3 Knoten

eigenwerte-approximation-zug-druck-stab-finite-elemente

Die Randbedingung bleibt gleich: {u_1} = 0

Die Elementsteifigkeitsmatrix und die Elementmassenmatrix eines Stabelements der Länge L/2 lauten:

\left[ {{k^{\left( j \right)}}} \right] = \frac{{2EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1} \\ {-1}&1 \end{array}} \right],\quad \quad \quad \left[ {{m^{\left( j \right)}}} \right] = \frac{{\rho AL}}{{12}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1 \\ 1&2 \end{array}} \right]

Indextafel:

\begin{array}{*{20}{c}}{Element\:\:Nr.}&\vline & {u_1^*}&\vline & {u_2^*} \\ \hline 1&\vline & 1&\vline & 2 \\ 2&\vline & 2&\vline & 3 \end{array}

Gesamtsteifigkeitsmatrix und Gesamtmassenmatrix:

\left[ K \right] = \frac{{2EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1}&0 \\ {-1}&2&{-1} \\ 0&{-1}&1 \end{array}} \right],\quad \quad \quad \left[ M \right] = \frac{{\rho AL}}{{12}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1&0 \\ 1&4&1 \\ 0&1&2 \end{array}} \right]

Wir verwenden nun beim Einsetzen in die Bewegungsgleichungen die reduzierte Form:

\left( {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}}{{K_{22}}}&{{K_{23}}} \\ {{K_{32}}}&{{K_{33}}} \end{array}} \right]-\lambda \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}{{M_{22}}}&{{M_{23}}} \\ {{M_{32}}}&{{M_{33}}} \end{array}} \right]} \right)\left\{{\begin{array}{*{20}{c}}{{{\hat U}_2}} \\ {{{\hat U}_3}} \end{array}} \right\} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0 \\ 0 \end{array}} \right\}

Damit eine nichttriviale Lösung existiert, muss die Determinante der Koeffizientenmatrix verschwinden:

\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{{K_{22}}-\lambda {M_{22}}}&{{K_{23}}-\lambda {M_{23}}} \\ {{K_{32}}-\lambda {M_{32}}}&{{K_{33}}-\lambda {M_{33}}} \end{array}} \right| = 0

Mit \hat \lambda = \lambda \frac{{\rho {L^2}}}{{12E}} als Abkürzung ergibt sich:

\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{4-4\hat \lambda }&{-2-\hat \lambda } \\ {-2-\hat \lambda }&{2-2\hat \lambda } \end{array}} \right| = 0\quad \Rightarrow \quad 7{\hat \lambda ^2}-20\hat \lambda +4 = 0

Es ergeben sich zwei Lösungen für die Eigenwerte:

{\hat \lambda _{1,2}} = \frac{1}{7}\left( {10 \mp 6\sqrt 2 } \right)\quad \Rightarrow \quad {\hat \omega _1} = \frac{{1,6114}}{L}\sqrt {\frac{E}{\rho }} ,\quad {\hat \omega _2} = \frac{{5,6293}}{L}\sqrt {\frac{E}{\rho }}

Die Abweichungen von der Exakten Lösung betragen in diesem Fall {\Delta _1} = 2,6\% und {\Delta _2} = 19\%.

Die zu den Eigenwerten gehörigen Eigenvektoren lauten:

{\left\{{{{\hat U}_1}} \right\}^T} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0&{0,7071}&1 \end{array}} \right\},\quad \quad {\left\{{{{\hat U}_2}} \right\}^T} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0&{-0,7071}&1 \end{array}} \right\}

Veranschaulichung:

eigenwerte-approximation-zug-druck-stab-finite-elemente

4.2.3 Aufteilung in 3 Element, 4 Knoten

eigenwerte-approximation-zug-druck-stab-finite-elemente

Die Elementsteifigkeitsmatrix und die Elementmassenmatrix eines Stabelements der Länge L/3 lauten:

\left[ {{k^{\left( j \right)}}} \right] = \frac{{3EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1} \\ {-1}&1 \end{array}} \right],\quad \quad \quad \left[ {{m^{\left( j \right)}}} \right] = \frac{{\rho AL}}{{18}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1 \\ 1&2 \end{array}} \right]

Indextafel:

\begin{array}{*{20}{c}}{Element\:\:Nr.}&\vline & {u_1^*}&\vline & {u_2^*} \\ \hline 1&\vline & 1&\vline & 2 \\ 2&\vline & 2&\vline & 3 \\ 3&\vline & 3&\vline & 4 \end{array}

Wir erhalten die Gesamtsteifigkeitsmatrix und die Gesamtmassenmatrix:

\left[ K \right] = \frac{{3EA}}{L}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{-1}&0&0 \\ {-1}&2&{-1}&0 \\ 0&{-1}&2&{-1} \\ 0&0&{-1}&1 \end{array}} \right],\quad \quad \quad \left[ M \right] = \frac{{\rho AL}}{{18}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 2&1&0&0 \\ 1&4&1&0 \\ 0&1&4&1 \\ 0&0&1&2 \end{array}} \right]

Wir beachten die Randbedingung {U_1} = 0 und schreiben das reduzierte Gleichungssystem auf, das aus den Bewegungsgleichungen in Matrixform resultiert.

\left[ M \right]\left\{{\ddot U} \right\}+\left[ K \right]\left\{ U \right\} = \left\{ 0 \right\}\quad \Rightarrow \quad \left( {\left[ K \right]-\lambda \left[ M \right]} \right)\left\{{\hat U} \right\} = \left\{ 0 \right\}

\Rightarrow \quad \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}{{K_{22}}-\lambda {M_{22}}}&{{K_{23}}-\lambda {M_{23}}}&{{K_{24}}-\lambda {M_{24}}} \\ {{K_{32}}-\lambda {M_{32}}}&{{K_{33}}-\lambda {M_{33}}}&{{K_{34}}-\lambda {M_{34}}} \\ {{K_{42}}-\lambda {M_{42}}}&{{K_{43}}-\lambda {M_{43}}}&{{K_{44}}-\lambda {M_{44}}} \end{array}} \right]\left\{{\begin{array}{*{20}{c}}{{{\hat U}_2}} \\ {{{\hat U}_3}} \\ {{{\hat U}_4}} \end{array}} \right\} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}} \right\}

Mit M = \rho AL und \hat \lambda = \lambda \frac{{LM}}{{EA}} = \lambda \frac{{\rho {L^2}}}{E} erhalten wir:

\left[ {\begin{array}{*{20}{c}}{6-\frac{2}{9}\hat \lambda }&{-3-\frac{1}{{18}}\hat \lambda }&0 \\ {-3-\frac{1}{{18}}\hat \lambda }&{6-\frac{2}{9}\hat \lambda }&{-3-\frac{1}{{18}}\hat \lambda } \\ 0&{-3-\frac{1}{{18}}\hat \lambda }&{3-\frac{1}{9}\hat \lambda } \end{array}} \right]\left\{{\begin{array}{*{20}{c}}{{{\hat U}_2}} \\ {{{\hat U}_3}} \\ {{{\hat U}_4}} \end{array}} \right\} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}} \right\}

Für nichttriviale Eigenwerte muss die Determinante verschwinden:

\left( {3-\frac{1}{9}\hat \lambda } \right)\left( {9-\frac{{11}}{3}\hat \lambda +\frac{{13}}{{324}}{{\hat \lambda }^2}} \right) = 0

Wir lösen diese Gleichung nach \hat \lambda auf und erhalten drei mögliche Werte:

{{\hat \lambda }_1} = 2,5243\quad \Rightarrow \quad {{\hat \omega }_1} = \frac{{1,5888}}{L}\sqrt {\frac{E}{\rho }} ,\quad \quad {\Delta _1} = 1,1\%

{{\hat \lambda }_2} = 2,5243\quad \Rightarrow \quad {{\hat \omega }_2} = \frac{{5,1962}}{L}\sqrt {\frac{E}{\rho }} ,\quad \quad {\Delta _2} = 9,3\%

{{\hat \lambda }_3} = 2,5243\quad \Rightarrow \quad {{\hat \omega }_3} = \frac{{9,4266}}{L}\sqrt {\frac{E}{\rho }} ,\quad \quad {\Delta _3} = 17\%

Die zu den Eigenwerten gehörigen Eigenvektoren lauten:

{\left\{{{{\hat U}_1}} \right\}^T} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0&{0,5}&{0,866}&1 \end{array}} \right\},\quad \quad {\left\{{{{\hat U}_2}} \right\}^T} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0&{-1}&0&1 \end{array}} \right\},\quad \quad

{\left\{{{{\hat U}_3}} \right\}^T} = \left\{{\begin{array}{*{20}{c}} 0&{0,5}&{-0,866}&1 \end{array}} \right\}

Veranschaulichung:

eigenwerte-approximation-zug-druck-stab-finite-elemente