Matlab-Femset

Beispiel: Rechteckscheibe

Die nebenstehende ebene Scheibe hat “biegeträger-ähnliche” Abmessungen, so dass die nach der Scheibentheorie mit der Finite-Elemente-Methode gewonnenen Ergebnisse mit der Biegetheorie des geraden Trägers verglichen werden können (Teil einer Aufgabe aus Dankert/Dankert: “Technische Mechanik”, dort behandelt auf Seite 708). Die folgenden Zahlenwerte sollen verwendet werden:

F = 200 N ;   l = 200 mm h = 20 mmt = 5 mm (Scheibendicke) ;  E = 2,1 10 · 105 N/mm2 ;  &ny; = 0,3 .

Das Problem wird hier gelöst unter Verwendung des in FEMSET verfügbaren Scheiben-Vierecks-Elements mit 8 Knoten (“16-Freiheitsgrad-Element” SV16), das auch gekrümmte Ränder haben kann.

Die Scheibe wird gleichmäßig horizontal und vertikal in Rechteckelemente unterteilt. Beim Aufschreiben der Koinzidenzmatrix (Zuordnung der Elementknoten-Nummern zu den globalen Knotennummern) ist konsequent für jedes Element die nebenstehend zu sehende Elementknoten-Nummerierung zu beachten. Die Einteilung der Rechteckscheibe mit gegebenen Abmessungen in nx*ny Elemente wird im nachfolgenden MATLAB-Script von der MATLAB-Function RectnetSV16 erledigt, die neben der Anzahl der Elemente und Knoten die Matrix der Knotenkoordinaten xy und die Koinzidenzmatrix km abliefert.

Das Berechnungsmodell wird in der MATLAB-Function draw2Dnet gezeichnet (nebenstehendes Graphik-Fenster zeigt dies für ein 8*2-Elemente-Netz).

Die “MexFunction” femalg_m ist das Interface zu FEMSET. Dort wird anhand der Dimensionen der übergebenen Matrizen das System als eine ebene Scheibe identifiziert, die mit SV16-Elementen vernetzt ist. Abgeliefert werden die Knotenverschiebungen in der Matrix uv. Weil der Elementtyp SV16 zu FEMSET gehört, braucht sich der MATLAB-Programmierer um die Theorie des Elementtyps nicht zu kümmern.

Das gilt nicht mehr, wenn eine Postprocessing-Routine zur Spannungsberechnung geschrieben wird. In der MATLAB-Function SpannungenSV16 werden die Spannungen ermittelt. Dafür muss man natürlich den theoretischen Hintergrund dieses Elementtyps kennen. Es ist ein sogenanntes “isoparametrisches Element”, dessen mathematischer Hintergrund z. B. beschrieben wird in: “Jürgen Dankert: Numerische Methoden der Mechanik”, Springer-Verlag 1977.

Der nebenstehende Ausschnitt aus dem Command Window zeigt die ausgegebenen Ergebnisse, die Absenkung des Kraftangriffspunktes und die Spannungen an den Knoten. Davon sind nur die Werte bis zu den 5 Knoten in der Mittellinie zu sehen (rot umrandete Werte), rechts davon wiederholen sich die Ergebnisse wegen der Symmetrie des Systems ohnehin.

Zum Download verfügbar:  Rechteckscheibe1.m , RectnetSV16.m, draw2Dnet.m, SpannungenSV16.m und die DLL für das Interface zum FEMSET-Kern femalg_m.dll

Homepage MatlabFemset

www.JuergenDankert.de

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