1)Obliczyć częstość drgań własnych 2)Narysować pierwsze trzy
Transkrypt
1)Obliczyć częstość drgań własnych 2)Narysować pierwsze trzy
Dynamika Ram- Wersja Komputerowa POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH ZAKŁAD MECHANIKI BUDOWLI I1=I220 A=39,6cm2=0,00396m2 µ=31,1 kg/m I=3060cm4=0,0000306m4 EI=6273000Nm2 EA=811800000N Projekt wykonał: Krzysztof Wójtowicz Sprawdził: dr inŜ. Przemysław Litewka I1=I240 A=46,1cm2=0,00461m2 µ=36,2 kg/m I=4250cm4=0,000042m4 EI=8712500Nm2 EA=945050000N 1)Obliczyć częstość drgań własnych 2)Narysować pierwsze trzy postacie drgań własnych Ogólna postać ruchu przyjmuje postać: K ⋅ q + C ⋅ q& + M ⋅ q&& = P (1) PoniewaŜ nie uwzględniamy tłumienia oraz sił wymuszających nasze równanie przyjmuje postać: K ⋅ q + M ⋅ q&& = 0 Krzysztof Wójtowicz gr.3 -1- (2) Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Przyjęcie układu globalnego oraz przemieszczeń węzłowych Przyjęcie układów lokalnych oraz przemieszczeń węzłowych Krzysztof Wójtowicz gr.3 -2- Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Tabela Powiązań Nr pręta 1 2 3 4 1 1 4 7 4 2 2 5 8 5 3 3 6 9 6 4 4 7 10 13 5 5 8 11 14 6 6 9 12 15 Budowa macierzy sztywności Dla prętów nr 1,2,4 korzystamy z macierzy sztywności z obustronnym utwierdzeniem ~ K( e ) EAl 2 0 1 0 = 3 l − EAl 2 0 0 0 0 − EAl 2 0 − 12 EI 12 EI 6 EIl 0 6 EIl 4 EIl 2 0 0 0 − 12 EI − 6 EIl 6 EIl EAl 2 EIl 2 − 6 EIl 2 6 EIl 2 EIl 2 0 − 6 EIl 4 EIl 2 0 0 0 12 EI 0 − 6 EIl (3) Dla pręta nr 3 korzystamy z macierzy sztywności z przegubem na prawym końcu ~ K( e ) EAl 2 0 1 0 = 3 l − EAl 2 0 0 0 0 − EAl 2 3EI 3EIl 0 3EIl 3EIl 2 0 0 0 EAl 2 − 3EI − 3EIl 0 0 0 0 0 − 3EI 0 − 3EIl 0 0 0 3EI 0 0 0 0 Po podstawieniu danych otrzymujemy ~ K(1 ) 0 0 - 126844000 0 0 126844000 0 287155 918896 0 287155 918896 0 918896 3920620 0 - 918896 1960310 = 0 0 126844000 0 0 - 126844000 0 - 287155 - 918896 l 0 287155 - 918896 0 918896 1960310 0 - 918896 3920620 ~ K( 2 ) 0 0 - 189010000 0 0 189010000 0 836400 2091000 0 836400 2091000 0 2091000 6970000 0 - 2091000 3485000 = 0 0 189010000 0 0 - 189010000 0 - 836400 - 2091000 0 836400 - 2091000 0 2091000 3485000 0 - 2091000 6970000 Krzysztof Wójtowicz gr.3 -3- (4) Dynamika Ram- Wersja Komputerowa ~ K( 3 ) 0 0 - 202950000 0 202950000 0 294047 1176190 0 - 294047 0 1176190 4704750 0 - 1176190 = 202950000 0 0 202950000 0 0 - 294047 - 1176190 0 294047 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ~ K( 4 ) 0 0 - 202950000 0 0 202950000 0 1176190 2352380 0 - 1176190 2352380 0 2352380 6273000 0 - 2352380 3136500 = 0 0 202950000 0 0 - 202950000 0 - 1176190 - 2352380 0 1176190 - 2352380 0 2352380 3136500 0 - 2352380 6273000 Następnie transformujemy macierze sztywności z układu lokalnego do globalnego według wzoru ~ K ( e ) = T T K ( e )T cos α − sin α 0 T = 0 0 0 sin α cos α 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 cos α 0 − sin α 0 0 (5) 0 0 0 sin α cos α 0 0 0 0 0 0 1 Dla pręta nr 1 kąt α= -38,66 0 , stąd macierz transformacji przyjmuje postać 0,781 - 0,625 0,625 0,781 0 0 T = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0,781 - 0,625 0 0,625 0,781 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Dla pręta nr 3,4 kąt α= 90 0 , stąd macierz transformacji przyjmuje postać 1,0 0 0 0 0 0 - 1,0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 T = 0 0 0 1,0 0 0 0 0 0 - 1,0 0 0 0 0 0 0 1 0 Macierz sztywności pręta nr 2 nie ulega zmianie poniewaŜ kąt α= 0 0 Krzysztof Wójtowicz gr.3 -4- (6) Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Po transformacji macierze przyjmują postać K(1) 77455400 - 61735000 - 61735000 49675500 574032 717536 = - 77455400 61735000 61735000 - 49675500 717536 574032 K( 2 ) 0 0 - 189010000 0 0 189010000 0 836400 2091000 0 - 836400 2091000 0 2091000 6970000 0 - 2091000 3485000 = 0 0 189010000 0 0 - 189010000 0 - 836400 - 2091000 0 836400 - 2091000 0 2091000 3485000 0 - 2091000 6970000 K( 3 ) K( 4 ) 574032 - 77455400 61735000 717536 61735000 - 49675500 3920620 - 574032 - 717536 - 574032 77455400 - 61735000 - 717536 - 61735000 49675500 1960310 - 574032 − 717536 574032 717536 1960310 - 574032 - 717536 3920620 0 - 1176190 - 294047 0 294047 0 202950000 0 0 - 202950000 - 1176190 0 4704750 1176190 0 = 1176190 294047 0 0 - 294047 - 202950000 202950000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 2352370 - 1 176190 0 - 2352370 1176190 0 0 0 202950000 0 - 202950000 - 2352370 0 6273000 2352370 0 3136500 = 0 2352370 1176190 0 2352370 - 1176190 0 - 202950000 0 0 202950000 0 0 3136500 2352370 0 6273000 - 2352370 Agragacja macierzy sztywności 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 1 2 2 3 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Krzysztof Wójtowicz gr.3 -5- Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Podczas agregacji macierzy sztywności pola, które się nakładały zostały do siebie dodane. W macierzy sztywności naleŜy uwzględnić warunki podparcia ramy. W tym celu zerujemy kolumny oraz wiersze 1,2,3,10,11,13,14,15 poniewaŜ przemieszczenia w tych kierunkach wynoszą 0. Ze względu na redukcję statyczną kąta obrotu w pręcie nr 3 zerujemy kolumnę i wiersz 12. Ostatecznie macierz sztywności przyjmuje postać: 0 0 267 641 590 - 61 735 0000 - 2 926 402 - 189010000 - 61 735 000 253 461 900 1 373 464 0 - 836400 2091000 - 2 926 402 1 373 464 17 163 620 0 - 2091000 3485000 K = 0 0 189304047 0 - 1176190 - 189010000 0 - 836400 - 2091000 0 203786400 - 2091000 0 2091000 3485000 - 1176190 - 2091000 11674750 Budowa macierzy mas Dla prętów nr 1,2,4 korzystamy z macierzy sztywności z obustronnym utwierdzeniem ~ M(e) 0 0 70 0 0 140 0 156 22 l 0 54 − 13 l 22l 4l 2 0 13l − 3l 2 µl 0 = 0 0 140 0 0 420 70 0 54 13l 0 156 − 22l 2 0 − 22l 4l 2 0 − 13l − 3l (7) Dla pręta nr 3 korzystamy z macierzy sztywności z przegubem na prawym końcu ~ M(e) 0 70 0 140 0 0 204 36l ,5 0 58 2 0 16 ,5l µl 0 36l 8l = 0 0 140 0 420 70 0 58,5 16,5l 0 99 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Po podstawieniu wartości otrzymujemy ~ M (1) 0 0 33 0 0 66 0 74 67 0 26 − 39 0 67 78 0 39 − 58 = 0 0 66 0 0 33 0 26 39 0 74 − 67 0 − 39 − 58 0 − 67 78 ~ M(2) 0 0 30 0 0 60 0 67 47 0 23 − 28 0 47 43 0 28 − 32 = 0 0 60 0 0 30 0 23 28 0 67 − 47 0 − 28 − 32 0 − 47 43 Krzysztof Wójtowicz gr.3 -6- (8) Dynamika Ram- Wersja Komputerowa ~ M(3) ~ M(4) 41 0 0 21 0 0 0 60 43 0 17 0 0 43 38 0 20 0 = 21 0 0 41 0 0 0 17 20 0 29 0 0 0 0 0 0 0 0 21 0 0 41 0 0 46 26 0 16 − 15 0 26 19 0 15 − 14 = 0 41 0 0 21 0 0 16 15 0 46 − 26 0 − 15 − 14 0 − 26 19 Następnie transformujemy macierze sztywności z układu lokalnego do globalnego według wzoru ~ M ( e ) = T T M ( e )T (9) Macierz transformacji „T” przyjmuje postać (6) Po transformacji otrzymujemy M (1) 4 42 30 −4 69 4 71 52 −4 29 42 52 78 25 31 = 30 − 4 25 69 4 − 4 29 31 4 71 − 25 − 31 − 58 − 42 − 52 M(2) 0 0 30 0 0 60 0 67 47 0 23 − 28 0 47 43 0 28 − 32 = 0 0 60 0 0 30 0 23 28 0 67 − 47 0 − 28 − 32 0 − 47 43 M(3) M(4) Krzysztof Wójtowicz gr.3 − 25 − 31 − 58 − 42 − 52 78 0 − 43 17 0 0 60 0 41 0 0 21 0 − 43 0 38 − 20 0 0 = 0 − 20 29 0 0 17 0 21 0 0 41 0 0 0 0 0 0 0 0 − 26 16 0 15 46 0 41 0 0 21 0 − 26 0 19 − 15 0 − 14 = 0 − 15 46 0 26 16 0 21 0 0 41 0 0 − 14 26 0 19 15 -7- Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Agregacja macierzy mas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 1 2 2 3 4 5 3 M 4 M M 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Podczas agregacji macierzy mas pola, które się nakładały zostały do siebie dodane. W macierzy mas naleŜy uwzględnić warunki podparcia ramy w tym celu zerujemy kolumny oraz wiersze 1,2,3,10,11,13,14,15 poniewaŜ przemieszczenia w tych kierunkach wynoszą 0. Ze względu na redukcję statyczną kąta obrotu w pręcie nr 3 zerujemy kolumnę i wiersz 12. Dodatkowo uwzględniliśmy masę skupioną dodając jej wartość w komórkach M44 oraz M55, poniewaŜ generuje ona siły bezwładności po kierunku 4 oraz 5. Ostatecznie macierz mas przyjmuje postać: 0 30 0 171 45 45 180 37 0 23 0 37 162 0 28 M = 0 0 121 0 30 0 23 28 0 109 0 − 28 − 32 − 43 − 47 0 − 28 − 32 − 43 − 47 81 Obliczenie częstości drgań własnych oraz wektorów przemieszczeń dla poszczególnych postaci drgań Mając dane wektory sztywności oraz mas moŜemy rozwiązać równanie (2) przyjmując za rozwiązanie q = q 0 sin ωt (10) Po dwukrotnym zróŜniczkowaniu otrzymujemy q = −ω 2 q 0 sin ωt (11) Po podstawieniu do równania (2) i przekształceniu otrzymujemy ( K − λM )q0 = 0 λ =ω 2 Otrzymaliśmy zagadnienie problemu własnego, które rozwiąŜemy przy pomocy programu UPW Krzysztof Wójtowicz gr.3 -8- (12) (13) Dynamika Ram- Wersja Komputerowa rad : s rad 2 : 2 s Wartości własne Częstości drgań własnych λ1 = 67210 λ 2 = 156217 λ3 = 247803 λ4 = 1454170 λ5 = 2618960 λ6 = 5611080 ω1 = 259 ω 2 = 395 ω 3 = 498 ω 4 = 1206 ω 5 = 1618 ω 6 = 2369 Wektory własne q 01 - 0,131 - 0,052 - 0,802 = - 0,145 - 0,021 0,802 q 02 - 0,837 - 0,251 0,849 = - 0,967 0,012 0,403 q 03 - 0,346 - 0,088 - 0,540 = - 0,356 0,034 - 1,197 q 04 0,010 1,111 - 0,290 = - 0,604 0,326 0,169 q 05 - 0,201 0,262 0,012 = - 0,042 - 1,011 - 0,535 q 06 0,705 - 0,409 - 0,024 = - 1,000 - 0,503 - 0,995 Wyznaczenie pierwszych trzech postaci drgań własnych Pierwsza postać drgań własnych (ω ω=259rad/s) Wektor własny dla pierwszej postaci drgań własnych q 01 - 0,131 - 0,052 - 0,802 = - 0,145 - 0,021 0,802 Wektory przemieszczeń (amplitud) węzłowych dla pieszej postaci w układzie globalnym 0 0 0 q 11 = - 0,131 - 0,052 - 0,802 q 12 - 0,131 - 0,052 - 0,802 = - 0,145 - 0,021 0,802 q 13 - 0,145 - 0,021 0,802 = 0 0 1 q14 - 0,131 - 0,052 - 0,802 = 0 0 0 Uwaga! Dla pręta nr 3 w miejscu wyeliminowanego kąta obrotu przy przegubie wstawiamy wartość 1 Następnie transformujemy wektory przemieszczeń do układów lokalnych według wzoru q~ = T ⋅ q (14) T- macierz transformacji przyjmuje postać (6) Krzysztof Wójtowicz gr.3 -9- Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Po transformacji wektory przemieszczeń przyjmują postać: q~ 11 0 0 0 = - 0,069 - 0,122 - 0,802 q~ 12 - 0,131 - 0,052 - 0,802 = - 0,145 - 0,021 0,802 q~ 13 - 0,021 0,145 0,802 = 0 0 1 q~ 14 - 0,052 0,131 - 0,802 = 0 0 0 Do wyznaczenia przemieszczeń poszczególnych prętów posłuŜą nam funkcje kształtu, które przyjmują postać. Pręt obustronnie utwierdzony ~ x N1 ( ~ x ) = 1− l 2 3 x x ~ ~ ~ N 2 ( x ) = 1 − 3 + 2 l l 2 ~ ~ x x N3( ~ x)= ~ x 1 − 2 + l l ~ x N4( ~ x)= l 2 3 x x ~ ~ N5( ~ x ) = 3 − 2 l l 2 ~ x ~ x ~ ~ N 6 ( x ) = x − + l l Pręt z przegubem na prawym końcu ~ x N1 ( ~ x ) = 1− l 2 3 3~ x 1~ x ~ N2( x ) = 1− + 2 l 2 l 2 ~ 3 x 1~ x N3( ~ x)= ~ x 1 − + 2 l 2 l ~ x N4( ~ x)= l 2 3 3~ x 1~ x N5( ~ x)= − 2 l 2 l Przemieszczenie kaŜdego punktu opisuje zaleŜność U ( 2 x1 ) = N ( 2 x 6 ) ⋅ q~( 6 x1 ) u U( ~ x ,t ) = v ~ 0 0 N4( ~ x) 0 0 N ( x ) N( ~ x)= 1 ~ ~ ~ N2( x ) N3( x ) 0 N5( x ) N6( ~ x ) 0 Po podstawieniu danych macierze funkcji kształtu dla wybranych punków przyjmują postać Dla elementu 1 0 0 0,2344 0 0 0,7656 1 N ( 1,5 ) = 0,8610 0,8793 0 0,1390 - 0,2692 0 0 0 0,4688 0 0 0,5313 1 N (3) = 0,5468 0,8467 0 0,4532 - 0,7471 0 0 0 0,7031 0 0 0,2969 N 1 ( 4 ,5 ) = 0 0,2121 0,3966 0,7879 - 0,9393 0 Krzysztof Wójtowicz gr.3 - 10 - (15) (16) (17) Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Dla elementu 2 0 0 0,2000 0 0 0,8000 2 N (1 ) = 0,8960 0,6400 0 0,1040 - 0,1600 0 0 0 0,4000 0 0 0,6000 N 2( 2 ) = 0,6480 0,7200 0 0,3520 - 0,4800 0 0 0 0,7000 0 0 0,3000 N 2 ( 3,5 ) = 0 0,2160 0,3150 0 0,7840 0,7350 Dla elementu 3 0 0 0,2500 0 0 0,7500 N 4 (1 ) = 0,9141 0,6563 0 0,0859 0 0 0 0 0,5000 0 0 0,5000 4 N (2)= 0 0,6875 0,7500 0 0,3125 0 0 0 0,7500 0 0 0,2500 4 N (3) = 0,3672 0,4688 0 0,6328 0 0 Dla elementu 4 0 0 0,2500 0 0 0,7500 3 N (1 ) = 0 0,8438 0,5625 0 0,1563 0,1875 0,5000 0 0 0,5000 0 0 N 3( 2 ) = 0 0,5000 0,5000 0 0,5000 0,5000 0,2500 0 0 0,7500 0 0 3 N (3) = 0,1563 0,1875 0 0,8438 - 0,5625 0 Po podstawieniu do wzoru (15) otrzymujemy następujące przemieszczenia dla poszczególnych prętów w układzie lokalnym. - 0,016 1 U ( 1,5 ) = 0,199 - 0,134 2 U (1 ) = - 0,691 - 0,016 U 3 (1) = 0,659 - 0,039 U 4 (1) = - 0,341 - 0,033 1 U (3) = 0,544 - 0,137 2 U (2)= - 1,004 - 0,011 U 3 (2) = 0,702 - 0,026 U 4 (2) = - 0,336 - 0,049 1 U ( 4,5 ) = 0,657 - 0,141 2 U ( 3,5 ) = - 0,870 - 0,005 U 3 (3) = 0,429 - 0,013 U 4 (3) = - 0,130 Po naniesieniu przemieszczeń otrzymujemy pierwszą postać drgań własnych Krzysztof Wójtowicz gr.3 - 11 - Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Druga postać drgań własnych (ω ω=395rad/s) Wektor własny dla drugiej postaci drgań własnych q 02 - 0,837 - 0,251 0,849 = - 0,967 0,012 0,403 Wektory przemieszczeń (amplitud) węzłowych dla drugiej postaci w układzie globalnym q 21 0 0 0 = - 0,837 - 0,251 0,849 q 22 - 0,837 - 0,251 0,849 = - 0,967 0,012 0,403 q 23 - 0,967 0,012 0,403 = 0 0 1 q 24 - 0,837 - 0,251 0,849 = 0 0 0 Uwaga! Dla pręta nr 3 w miejscu wyeliminowanego kąta obrotu przy przegubie wstawiamy wartość 1 Następnie transformujemy wektory przemieszczeń do układów lokalnych według wzoru (14) q~ 21 0 0 0 = - 0,497 - 0,719 0,849 q~ 22 Krzysztof Wójtowicz gr.3 - 0,837 - 0,251 0,849 = - 0,967 0,012 0,403 q~ 23 - 12 - 0,012 0,967 0,403 = 0 0 1 q~ 24 - 0,251 0,837 0,849 = 0 0 0 Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Korzystając z zaleŜności (15) obliczamy przemieszczenia - 0,117 1 U ( 1,5 ) = - 0,329 - 0,863 2 U (1 ) = 0,256 0,009 U 3 (1) = 1,148 - 0,188 U 4 (1) = 1,184 - 0,233 1 U (3) = - 0,960 - 0,889 2 U (2)= 0,260 0,006 U 3 (2) = 0,967 - 0,125 U 4 (2) = 0,843 - 0,350 1 U ( 4,5 ) = - 1,365 - 0,928 2 U ( 3,5 ) = - 0,073 0,003 U 3 (3) = 0,544 - 0,063 U 4 (3) = 0,290 Po naniesieniu przemieszczeń otrzymujemy drugą postać drgań własnych Trzecia postać drgań własnych (ω ω=498rad/s) Wektor własny dla trzeciej postaci drgań własnych q 03 - 0,346 - 0,088 - 0,540 = - 0,356 0,034 - 1,197 Wektory przemieszczeń (amplitud) węzłowych dla trzeciej postaci w układzie globalnym q 31 0 0 0 = - 0,346 - 0,088 - 0,540 q 32 Krzysztof Wójtowicz gr.3 - 0,346 - 0,088 - 0,540 = - 0,356 0,034 - 1,197 q 33 - 13 - - 0,356 0,034 - 1,197 = 0 0 1 q 34 - 0,346 - 0,088 - 0,540 = 0 0 0 Dynamika Ram- Wersja Komputerowa Uwaga! Dla pręta nr 3 w miejscu wyeliminowanego kąta obrotu przy przegubie wstawiamy wartość 1 Następnie transformujemy wektory przemieszczeń do układów lokalnych według wzoru (14) q~ 31 0 0 0 = - 0,215 - 0,285 - 0,540 q~ 32 - 0,346 - 0,088 - 0,540 = - 0,356 0,034 - 1,197 q~ 33 0,034 0,356 - 1,197 = 0 0 1 q~ 34 - 0,088 0,346 - 0,540 = 0 0 0 Korzystając z zaleŜności (15) obliczamy przemieszczenia - 0,050 1 U ( 1,5 ) = 0,106 - 0,348 2 U (1 ) = - 0,229 0,026 U 3 (1) = - 0,460 - 0,066 U 4 (1) = - 0,012 - 0,101 1 U (3) = 0,274 - 0,350 2 U (2)= 0,141 0,017 U 3 (2) = - 0,653 - 0,044 U 4 ( 2) = - 0,097 - 0,151 1 U ( 4,5 ) = 0,283 - 0,353 2 U ( 3,5 ) = 0,717 0,034 U 3 (3) = - 0,430 - 0,022 U 4 (3) = - 0,047 Po naniesieniu przemieszczeń otrzymujemy trzecią postać drgań własnych Krzysztof Wójtowicz gr.3 - 14 -