Metoda konečných prvků

1. Metoda konečných prvků Mezi moderními metodami napěťově-deformační analýzy dnes jednoznačně dominuje metoda konečných prvků (dále jen MKP), používaná i v jiných oblastech inženýrských výpočtů (vedení tepla, proudění kapalin, elektřina a magnetismus). V oblasti mechaniky těles MKP umožňuje řešit tyto základní typy úloh: • Deformačně-napěťová analýza při statickém, cyklickém i dynamickém zatěžování, včetně nejrůznějších nelineárních úloh. • Vlastní i vynucené kmitání soustav s tlumením i bez tlumení • Kontaktní úloha pružnosti (rozložení stykového tlaku) • Stabilitní problémy (ztráta tvarové stability konstrukcí) • Analýza stacionárního i nestacionárního vedení tepla a určení teplotní napjatosti (včetně zbytkové).

2. Funkcionál • MKP je založena na zcela jiném principu než analytické metody pružnosti. Zatímco analytické metody jsou založeny na diferenciálním a integrálním počtu, MKP je založena na obecně méně známém počtu variačním, hledá minimum nějakého funkcionálu. Vysvětlení pojmu: • Funkce – zobrazení mezi množinami čísel. Je to tedy matematický termín pro pravidlo, kterým jednoznačně přiřadíme nějaké číselné hodnotě (z definičního oboru funkce) jinou číselnou hodnotu (z oboru funkčních hodnot). • Funkcionál – zobrazení z množiny funkcí do množiny čísel. Je to tedy pravidlo, podle něhož přiřadíme funkci na jejím definičním oboru (nebo jeho části) nějakou číselnou hodnotu. Příkladem je určitý integrál funkce.

3. Věta o minimu kvadratického funkcionálu. Ze všech přípustných posuvů (tj. těch, které vyhovují okrajovým podmínkám úlohy, při splnění geometrických a fyzikálních rovnic) se při přechodu do blízkého zatěžovacího stavu (změna posuvů u o variaci δu) realizují takové posuvy, které minimalizují kvadratický funkcionál ΠL. Tento funkcionál (zvaný Lagrangeův potenciál) představuje celkovou potenciální energii tělesa a příslušné posuvy, přetvoření a napětí, které ho minimalizují, jsou hledanými funkcemi pružnosti. Věta se také nazývá Lagrangeův variační princip. Lagrangeův potenciál je dán vztahem ΠL = W – P kde W je celková energie napjatosti tělesa P je celková potenciální energie vnějších sil

4. Základní termíny MKP • Prvek (konečný – finite element) • Uzel (node) • Bázová funkce • Tvarová funkce • Diskretizace • Hustota sítě • Matice • posuvů • tuhosti • bázových funkcí • Konvergence • Procentuální energetická chyba • Izoparametrický prvek

5. Řešení koncentrace napětí ve vrubu

6. Rozložení napětí v nebezpečném průřezu ve vrubu

7. Přehled základních typů prvků Rozlišujeme podle toho, na jakých předpokladech je prvek založen (prutové předpoklady, rotační symetrie, Kirchhoffovy desky aj.), resp. pro jakou problematiku je navržen. • 2D prvky (rovinné, resp. rot. symetrické) • 3D prvky (prostorové) • prutové prvky (pouze pro tah-tlak nebo i pro ohyb, příp. krut) • skořepinové prvky • deskostěnové prvky • speciální prvky (kontaktní, trhlinové, se speciálními konstitutivními vztahy apod.)

8. Typy prvků – jednorozměrné Příhradový prvek (prutový, namáhaný jen na tah-tlak) Nosníkový prvek (prutový, namáhaný na ohyb, příp. smyk) Rámový (prutový, namáhaný na tah-tlak, ohyb, v prostoru i na krut)

9. Typy prvků – dvourozměrné Stěnové (membránové) prvky Trojúhelník lineární Trojúhelník kvadratický Čtyřúhelník bilineární Čtyřúhelník izoparametrický Deskový prvek Skořepinový prvek (obecná skořepina, membránové i ohybové namáhání)

10. Typy prvků – trojrozměrné Tělesové) prvky (obecná prostorová napjatost) Čtyřstěn lineární Pětistěn lineární Šestistěn osmiuzlový – lineární Šestistěn dvacetiuzlový – kvadratický, izoparametrický

11. Základní typy konstitutivních vztahů v MKP • lineárně elastické anizotropní (elastické parametry jsou směrově závislé, příkladem jsou monokrystaly, dřevo, vláknové kompozity nebo vrstvené materiály) • pružně plastické (ocel po překročení meze kluzu) s různým charakterem chování nad mezí kluzu (ideálně pružně plastický materiál, různé typy zpevnění), • nelineárně elastické (deformace jsou vratné, ale nelineárně závislé na napětí), • hyperelastické (vykazující pružné deformace řádu desítek až stovek procent, rovněž nelineární), • viskoelastické (deformace je i časově závislá, vykazují tečení, resp. relaxaci napětí), • viskoplastické (jejich plastická deformace je časově závislá) atd.

12. Příklad nelineární úlohykonečnoprvková síť v plastovém ochranném krytu

13. Příklad řešení nelineární úlohy