• Nem Talált Eredményt

TÉRBELI HAJLÍTOTT RUDAK VIZSGÁLATA VÉGESELEM MÓD- MÓD-SZEREN ALAPULÓ PROGRAMRENDSZEREK SEGÍTSÉGÉVEL MÓD-SZEREN ALAPULÓ PROGRAMRENDSZEREK SEGÍTSÉGÉVEL

In document Végeselem-módszer (Pldal 115-120)

ALKALMAZÁSA TÉRBELI HAJLÍTOTT RÚDELEMRE, RITZ- RITZ-MÓDSZER ÉS VÉGESELEM RITZ-MÓDSZER ALKALMAZÁSA

8. TÉRBELI HAJLÍTOTT RUDAK VIZSGÁLATA VÉGESELEM MÓD- MÓD-SZEREN ALAPULÓ PROGRAMRENDSZEREK SEGÍTSÉGÉVEL MÓD-SZEREN ALAPULÓ PROGRAMRENDSZEREK SEGÍTSÉGÉVEL

8.1. Térbeli rúdszerkezetek

A 6. fejezetben tárgyalt síkbeli, hajlított rudakból álló tartószerkezetek elemeinek alakváltozá-sai csak a tartó síkjában jöhetnek létre. A gyakorlati életben sok olyan esettel találkozhatunk, ahol e feltételek teljesülésével alkotott síkbeli modell nem ad megfelelő pontosságot, a feladat térbeli modell megfogalmazását igényli.

Ilyen esetek lehetnek:

– a síkbeli, de aszimmetrikus szelvényekből álló rúdszerkezetek, – a síkbeli, de a tartó síkjára merőlegesen terhelt rúdszerkezetek, – térbeli kiterjedésű, tetszőlegesen terhelt rúdszerkezetek.

A tananyag e fejezete ezekkel a tartószerkezetekkel foglalkozik. A nyomott rudak stabili-tásvesztésével a 9-10. fejezetekben foglalkozunk. A rúdszerkezetek nyomott övében végbe-menő horpadás, illetve a gerincek nyírási horpadása külön vizsgálatot, illetve számítást igé-nyel, amivel e tananyag terjedelmi okokból nem foglalkozhat.

A korábbi rúdszerkezetekkel foglalkozó fejezetekben feltett kérdéseket tovább bővítve választ keresünk:

– a kényszerekben keletkező reakcióerők nagyságára és irányára,

– az egyes rudakban keletkező húzó-nyomó és nyíróerők, valamint a hajlító és a csavaró nyomaték és ezek komponenseinek nagyságára és irányára,

– az erők hatására a rudak egyes pontjaiban keletkező feszültségi állapotot jellemző  és τ feszültségek komponenseinek nagyságára,

– a szerkezet egyes pontjaiban keletkező elmozdulásokra, illetve az egyes rudak defor-mációjára.

A korábbi fejezetben leírtakhoz hasonlóan jelen esetben is további vizsgálatok tárgyát képezheti a szerkezet stabilitása és dinamikai viselkedése is: sajátfrekvencia meghatározása és a nyomott rudak kihajlásának elemzése, amivel a későbbiekben foglalkozunk.

Az előző fejezetekben foglalkoztunk a rácsos tartók külső és belső statikai határozatlansá-gával. Látni fogjuk, hogy az ott leírtakhoz hasonlóan a térbeli hajlított rúdszerkezetekre vo-natkozó feladatok végeselem-módszeren alapuló megoldása során is lényegtelen, hogy a szer-kezet statikailag határozatlan, ez a megoldás menetét nem befolyásolja.

8.2. A modellezés során alkalmazott végeselemek

A 4. fejezetben tisztáztuk, hogy a rúdszerkezetek modellezésére a végeselem programrendsze-rekben általában kétféle elemtípus áll rendelkezésünkre, a csak húzó-nyomó igénybevételek vizsgálatára alkalmas TRUSS elemek és a nyíró, hajlító, illetve csavaró igénybevételek vizs-gálatára is alkalmas BEAM elemek, amelyek mindkét típusából a kettő-, illetve háromdimen-ziós feladatok megoldásához külön-külön elemtípus tartozik.

A végeselem mind a négy esetben kétdimenziós kiterjedésű, azaz egyetlen vonallal jelle-mezhető.

A TRUSS és a BEAM2D elemek tulajdonságait a korábbi fejezetekben már tárgyaltuk.

8.2.1. A BEAM3D elemek tulajdonságai

A BEAM2D elemek tulajdonságaival a 6 fejezetben már foglalkoztunk.

A térbeli feszültségi állapottal jellemezhető BEAM3D elemek általában a térbeli kezetek, a saját síkjukra merőlegesen terhelt síkbeli rúdszerkezetek és azok a síkbeli rúdszer-kezetek, amelyek esetében a terhelés ugyan saját síkjukban keletkezik, de a keresztmetszet tulajdonságai, aszimetriája vagy antiszimmetriája miatt elmozdulásaik térbeliek.

A BEAM3D elemek két- vagy három csomópontos egytengelyű elemek, mindkét csomó-pontjukban hat-hat –három elmozdulási és három elfordulási– szabadságfokkal. Az elem harmadik csomópontja az elemhez kötött koordináta-rendszer y tengelyének irányát jelöli ki.

Ezen harmadik csomópont megadása helyett elemtulajdonságként definiálható egy orientációs szög is, aminek funkciója megegyezik a harmadik csomópont megadásával. Mi a feladat megoldása során a három csomópontos megadást választjuk, mivel ez közelebb áll a mérnöki gondolkodáshoz és modellalkotáshoz.

Az elemhez kötött koordináta-rendszert a 8.1 ábra mutatja. A koordináta-rendszer x tenge-lye az elsőtől a második csomópont irányába mutat, az y tengely pedig az elem centrális fő-tengelyére merőlegesen, a keresztmetszet első (nagyobb értékű) főmásodrendű-nyomatékának irányába mutat, a z tengely pedig az x-y síkra merőlegesen, ezekkel a tengelyekkel jobbsodrá-sú koordináta-rendszert alkot.

Y

X

y x

1

2

y z

Szelvény magasság

Z

z

3

Szélesség

8.1. ábra. BEAMD3D elemhez kötött koordináta-rendszer

A lineáris statikai vizsgálatokhoz szükség van az egydimenziós elem és a valóságos, három-dimenziós kiterjedésű rúd között kapcsolatot teremtő állandók megadására, ami a BEAM3D elemek esetében általában a 8.2 ábra szerint:

– a keresztmetszeti terület,

– a keresztmetszet y tengelyére számított másodrendű nyomaték, – a keresztmetszet z tengelyére számított másodrendű nyomaték, – a keresztmetszet legnagyobb magassága,

– a keresztmetszet legnagyobb szélessége,

– a kapcsolódó elemek csomópontjainak szabadságfokai (összesen két adat), – a keresztmetszet poláris másodrendű nyomatéka, (lásd még 8.2.2),

– a nyírás okozta deformációt figyelembe vevő állandó az y tengelyre, (lásd még 8.2.2), – a nyírás okozta deformációt figyelembe vevő állandó az z tengelyre, (lásd még 8.2.2), – a keresztmetszet orientációs szöge (csak ha nem az elem harmadik csomópontjával

definiáljuk,

– alaktényező a keresztmetszetben a csavarásból keletkező legnagyobb nyírófeszültség számításához, (lásd még 8.2.2),

– a keresztmetszet súlypontjának és a végeselem csomópontjának x-y-z irányú előjeles távolsága mindkét végponton (összesen hat adat),

– a keresztmetszet súlypontjának és a keresztmetszet nyírási középpontjának y-z irányú előjeles távolsága mindkét végponton (összesen négy adat),

– a keresztmetszet súlypontjának és a feszültségszámítás szempontjából mértékadó pontnak az y-z irányú előjeles távolsága (összesen két adat),

– a keresztmetszet centrifugális másodrendű nyomatéka.

Továbbá, a végeselem programrendszerekben általában lehetőség van a hossz mentén vál-tozó keresztmetszetű (szűkülő-tapered), és hőtechnikai számításokhoz használt elemek tulaj-donságainak megadására is. Ezekkel a tulajdonságokkal e fejezetben nem foglalkozunk.

A programrendszerekben általában megadhatók a mérnöki gyakorlatban gyakran használt keresztmetszetek, mint: –tömör négyszög (pl. laposvas), lyukas négyszög (pl. hidegen hajlított négyszögszelvény), tömör kör (pl. gömbvas), lyukas kör (pl. cső), I, L, T szelvények, trapéz keresztmetszet, stb.– természetes méreteikkel.

A korszerű, parametrikus tervező rendszerek a modellek egyszerűsítésére gyakran kínálják lehetőségként, hogy a modellben kihúzással vagy keretgenerátorral előállított, objektumokat BEAM3D elemekké alakítják, ezzel erőforrásokat takarítva meg a modellezéshez. Ebben az esetben a keresztmetszeti adatok megadására nincs szükség, mivel azokat a program a valódi 3D modell méretei alapján generálja.

8.2. ábra. BEAM3D elemek tulajdonságai

A modellalkotáshoz szükségünk lesz még a rúd anyagának jellemzőire. Ebben az esetben is elegendő megadni az anyag rugalmassági modulusát és a Poison tényezőt, illetve ha a számí-tások során a szerkezet saját súlyát is figyelembe kell venni, mint terhelést, akkor az anyag sűrűségét is.

A BEAM3D elemek a lineáris statikai vizsgálatokon kívül alkalmasak az egyes rudak ki-hajlásának vizsgálatára, valamint végezhetők velük hőtani számítások is hasonlóan a TRUSS, illetve a BEAM2D elemekhez, ehhez azonban további állandók, illetve anyagjellemzők meg-adása szükséges.

A BEAM3D elemek esetében a kapott eredmények is magyarázatra szorulnak. A nyíró-erők és hajlítónyomatékok értelmezéséhez nyújt segítséget a 8.3. ábra.

y

x

1

2

z

Vs1 Ms1

Tr1 Fr1

Vt1

Mt1

Vs2 Ms2

Tr2 Fr2

Vt2

Mt2

8.3. ábra. Erők és nyomatékok a BEAM3D elemeken 8.2.2. A BEAM3D elem speciális tulajdonságai

Nagyságrendi okok miatt a deformációk számításánál a hajlítással párosult nyírás esetében a nyírást általában elhanyagoljuk. A tananyag 6. fejezetének 6.2.2 pontjában bemutattuk, hogy a végeselem modellezés során hogyan lehet ezt figyelembe venni. Szintén abban a fejezetben megadtuk néhány gyakran használt keresztmetszet ezzel összefüggő tulajdonságait.

Foglalkoztunk a nyírási alakváltozást figyelembe vevő tényező egyszerűsített meghatáro-zásával a 8.4 ábrán megadott összefüggéssel. Ezt az elvet ebben a fejezetben is fel fogjuk használni.

A keresztmetszet fs Az általunk használt Shear

factor

Öv

Gerinc

A/Agerinc Agerinc/A

8.4. ábra. Az Sf tényező egyszerűsített meghatározása

Mivel a csavarásból származó feszültségek sem egyenletesen oszlanak meg a keresztmetszet-ben, ezért számításainkhoz szükség lesz még a csavarásból származó legnagyobb τ feszültség meghatározásához egy alaktényező (Ctor) megadására.

Kör, illetve vékonyfalú körgyűrű keresztmetszet esetén a legnagyobb τ feszültség a kerület mentén keletkezik, így:

I r T

P max

Nem kör keresztmetszetű rudak csavarásakor a síkok nem maradnak síkok (vetemednek), az egyenes oldalélek is deformálódnak. A rúd deformációja és a keletkező legnagyobb τ fe-szültség nagysága és elhelyezkedése alapvetően a keresztmetszet alakjától függ. A rugalmas-ságtanban megismert egzakt számítási eljárások ezekre az esetekre nem állnak rendelkezésre, így csak közelítő összefüggéseket használhatunk. Ilyen például Constantin Weber közelítő módszere, ahol:

W tor W

max K

C T I

T 

 ahol: IW: a Weber-féle poláris másodrendű nyomaték, KW: a Weber-féle poláris keresztmetszeti tényező, Ctor: az alaktényező.

Kör keresztmetszet esetén természetesen IW=IP, KW=KP és Ctor=r.

Olyan nyitott keresztmetszeteknél (8.5 ábra) ahol h>>v, alkalmazhatjuk a részekre bontást és így:

3 ) h v (

I i

i 3 i W

 ,

max W

W v

K  I

max

tor v

C 

h1

h2

v2v1

h3

v3

8.5. ábra. Nyitott keresztmetszetek részekre bontása

Az η a részekre bontás hibáját korrigáló tényező, értékét néhány keresztmetszetre a 8.6. ábra tartalmazza.

8.6. ábra. Az η tényező értéke néhány keresztmetszetre

Szelvény

In document Végeselem-módszer (Pldal 115-120)