Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dynamic_System_Modeling_and_Control.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5.61 Mб
Скачать

state space analysis - 27.1

27. FINITE ELEMENT ANALYSIS (FEA)

Topics:

Objectives:

27.1 INTRODUCTION

state space analysis - 27.2

27.2FINITE ELEMENT MODELS

Consider a central node ’i’ connected to neighboring nodes with springs.

nb

y

Ks

x

na

Ks

ni

Ks

nc

Fi

Ks

nd

Equations can be written to relate the position of node i to the surrounding nodes

state space analysis - 27.3

and the applied force.

Ks( yb yi)

Ks( xi xa) Ks( xc xi)

Fi = ( Fix, Fiy)

Ks( yi yd)

+Fx = Fix Ks( xi xa) + Ks( xc xi) = 0 xi( 2Ks) + xa( –Ks) + xc( –Ks) = Fix

+ Fx = Fiy Ks( yi yd) + Ks( yb yi) = 0 yi( 2Ks) + yb( –Ks) + yd( –Ks) = Fiy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yi

 

 

 

 

 

 

 

 

xa

 

 

 

 

 

 

 

 

ya

Fix

=

2Ks 0 –Ks 0 0 0 –Ks 0 0 0

 

xb

Fiy

 

0 2Ks 0 0 0 –Ks 0 0 0 –Ks

 

yb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yc

 

 

 

 

 

 

 

 

xd

 

 

 

 

 

 

 

 

yd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

state space analysis - 27.4

27.3FINITE ELEMENT MODELS

Consider a central node ’i’ connected to neighboring nodes with springs.

na

 

 

nb

y

Ks

Fa

 

 

 

x

Fb

Ks

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ks

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nd

Ks

nc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fd

Fc

 

 

 

 

• Equations can be written to relate the position of node i to the surrounding nodes and the applied force. The ’x’ and ’y’ values are deflections from the unloaded state. The ’Ks’ value is based on the material stiffness and the geometry of the elements.

Ks( xb xa)

( Fax, Fay)

Ks ( ya yd)

Ks( xb xa)

( Fbx, Fby)

Ks( yb yc)

+

Fx = Fax + Ks ( xb xa) = 0

Fax = xa( Ks) + xb( –Ks)

+ Fx = Fay Ks( ya yd) = 0

Fay = ya( Ks) + yd( –Ks)

+

Fx = Fbx Ks( xb xa) = 0

Fbx = xa( –Ks) + xb( Ks)

+ Fx = Fby Ks( yb yc) = 0

Fby = yb( Ks) + yc ( –Ks)

state space analysis - 27.5

Ks( yb yc)

Ks( xc xd)

( Fcx, Fcy)

Ks( ya yd)

Ks( xc xd)

( Fdx, Fdy)

+

 

Fx = Fcx Ks( xc xd) = 0

 

 

 

 

 

 

 

Fcx

= xc( Ks) + xd( –Ks)

+

 

Fx = Fcy + Ks( yb yc) = 0

 

 

Fcy

= yb( –Ks) + yc( Ks)

+

 

Fx = Fdx + Ks( xc xd) = 0

 

 

 

 

 

 

Fdx

= xc( –Ks) + xd( Ks)

+

 

Fx = Fdy + Ks( ya yd) = 0

 

Fdy

= ya( –Ks) + yd( Ks)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fax

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

s

s

 

 

 

x

a

Fay

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

K

s

0

 

0

0

0

0

K

s

 

y

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fb

x

 

K

s

0

K

s

0

0

0

0

0

 

 

 

x

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fby

=

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

yb

Fcx

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

xc

 

 

 

 

 

 

Fcy

 

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

yc

F

dx

 

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

xd

 

 

 

 

0

 

Ks

0

 

0

0

0

0

Ks

 

 

yd

Fdy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

local stiffness matrix

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• This can be combined into a more

state space analysis - 27.6

• A four element mesh

n1

 

 

 

n2

 

 

n3

 

 

Ks

 

Ks

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ks

#1

 

#2

 

 

 

 

Ks

Ks

n4

 

 

Ks

n5

Ks

n6

 

 

 

 

 

 

#3

 

#4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ks

Ks

Ks

n7

Ks

 

Ks

n9

 

 

 

n8

state space analysis - 27.7

For element #1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1x

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

Local stiffness matrix

 

 

K

s

s

 

 

 

x

1

F1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

K

s

0

 

0

0

0

0

K

s

 

y

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F2

x

 

K

s

0

K

s

0

0

0

0

0

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F2y

=

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y2

 

F4x

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x4

 

 

 

 

 

 

 

 

F4y

 

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y4

 

F

5x

 

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x5

 

 

 

 

0

 

Ks

0

 

0

0

0

0

Ks

 

y5

 

F5y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Global stiffness matrix

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1y

 

 

Ks

0

Ks

0

0

0

0

 

 

F2x

 

 

 

0

Ks

0

0

0

0

0

F2y

 

 

Ks

0

Ks

0

0

0

0

F3x

 

 

0

0

0

Ks

0

0

0

F3y

 

 

0

0

0

0

0

0

0

F4x

 

 

0

0

0

0

0

0

0

F4y

 

 

0

0

0

0

0

0

Ks

F5x

 

=

0

0

0

Ks 0 0

0

F5y

 

0

0

0

0

0

0

Ks

F6x

 

 

0

Ks

0

0

0

0

0

F6y

 

 

0

0

0

0

0

0

0

F7x

 

0

0

0

0

0

0

0

F7y

 

0

0

0

0

0

0

0

F8x

 

0

0

0

0

0

0

0

F8y

 

0

0

0

0

0

0

0

 

0

0

0

0

0

0

0

F9x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F9y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

x2

0

0

Ks

0 0 0 0 0 0

 

 

y2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

x3

Ks

0

0

0 0 0 0 0 0

 

 

y3

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

x4

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

y4

0

Ks

0

0 0 0 0 0 0

 

 

x5

Ks

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

y5

0

Ks

0

0

0

0

0

0

0

 

 

x6

0

0

Ks

0

0

0

0

0

0

 

 

y6

0

0

0

0 0 0 0 0 0

 

0

0

0

0 0 0 0 0 0

 

x7

0

0

0

0 0 0 0 0 0

 

y7

0

0

0

0 0 0 0 0 0

 

x8

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

y8

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

x9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

state space analysis - 27.8

For element #2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F2x

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

s

s

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

F2y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

local stiffness matrix

 

0

 

K

s

0

 

0

0

0

0

K

s

 

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F3

 

 

K

s

0

K

s

0

0

0

0

0

 

 

 

x

3

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F3y

=

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y3

 

F5x

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

F5y

 

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y5

 

F

6x

 

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x6

 

 

 

 

0

 

Ks

0

 

0

0

0

0

Ks

 

y6

 

F6y

 

 

 

 

added to global matrix

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F F F F

F F

F F F F F

F F

F F F F F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

Ks 0 Ks

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

 

 

y1

1y

 

 

0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

0

Ks

0

0

0

0

0

0

0

Ks 0 0 0 0 0 0

 

x2

 

 

 

 

y2

2y

 

Ks 0 2Ks

0

Ks 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

 

 

 

 

 

x3

3x

 

0

0

0

2Ks

0

0

0

Ks

0

0

0

0

0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3y

 

0

0

Ks

0

Ks

0

0

0

0

0

0

0

0 0 0 0

 

y3

 

 

 

 

x4

4x

 

0

0

0

0

0

Ks

0

0

0

0

0

0

0 0 0 0

 

 

 

 

 

y4

4y

 

0

0

0

0

0

0

Ks

0

Ks

0

0

0

0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5x

=

 

0 0 0 –Ks

0

0

0

Ks

0

0

0

0

0 0 0 0

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5y

 

0 0

0

0

0

0

Ks

0

2Ks

0

0

0

0 0 0 0

 

y5

 

 

 

 

x6

6x

 

0

Ks

0

0

0

0

0

0

0

2Ks 0

0

0 0 0 0

 

 

 

 

 

y6

6y

 

0 0

0

0

0

0

0

0

0

0

Ks

0

0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7x

 

0 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Ks

0 0 0 0

 

x7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7y

 

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

 

y7

8x

 

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

 

x8

8y

 

 

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

 

y8

9x

 

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

 

x9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

state space analysis - 27.9

For element #3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F4x

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

s

s

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

 

F4y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

K

s

0

 

0

0

0

0

K

s

 

y

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F5

x

 

K

s

0

K

s

0

0

0

0

0

 

 

 

x

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F5y

=

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y5

 

F7x

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x7

 

 

 

 

 

 

 

 

F7y

 

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y7

 

F

8x

 

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x8

 

 

 

 

0

 

Ks

0

 

0

0

0

0

Ks

 

y8

 

F8y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

state space analysis - 27.10

For element #4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F5x

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

s

s

 

 

 

x

5

 

 

 

 

 

 

 

F5y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

K

s

0

 

0

0

0

0

K

s

 

y

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F6

x

 

K

s

0

K

s

0

0

0

0

0

 

 

 

x

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F6y

=

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y6

 

F8x

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x8

 

 

 

 

 

 

 

 

F8y

 

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

y8

 

F

9x

 

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

x9

 

 

 

 

0

 

Ks

0

 

0

0

0

0

Ks

 

y9

 

F9y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• If the input forces are known, then the resulting displacements of the nodes can be calculated by inverting the matrix. Consider the matrix for a single node.

state space analysis - 27.11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

0

0

 

 

F

 

 

x

a

 

 

K

s

s

 

ax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fay

y

a

 

0

 

K

s

0

 

0

0

0

0

K

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

b

 

K

s

0

K

s

0

0

0

0

0

 

 

 

Fb

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yb

=

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

Fby

xc

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

Fcx

 

 

 

 

 

 

yc

 

0

 

0

0

 

Ks

0

Ks

0

0

 

 

 

Fcy

xd

 

0

 

0

0

 

0

Ks

0

Ks

0

 

 

 

F

dx

yd

 

0

 

Ks

0

 

0

0

0

0

Ks

 

 

 

 

 

 

 

Fdy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• If we assume that node ’c’ is fixed in the ’x’ and ’y’ directions, the matrix can reflect this by setting the appropriate matrix rows to zero.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

K

 

0

0

0

 

 

Fax

x

a

 

 

K

s

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

a

 

0

K

s

0

 

0

0

K

s

 

Fa

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xb

=

Ks

0

Ks

0

0

0

 

 

 

Fbx

yb

0

0

0

 

Ks 0

0

 

 

 

Fby

 

 

 

 

 

xd

 

0

0

0

 

0

Ks

0

 

 

 

Fdx

yd

 

0

Ks

0

 

0

0

Ks

 

F

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• The displacements can then be found by selecting values for the coefficents and solving the matrix. We can select a value of 1000 for the stiffness, and a force of 10 will be

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]