Kompaktkurs Finite Elemente für Einsteiger: Theorie und Beispiele zur Approximation linearer Feldprobleme
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Format: | Buch |
Sprache: | Deutsch |
Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer
[2018]
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adam_text | INHALTSVERZEICHNIS
1 E IN FUE H RU N G
......................................................................................................
1
1.1 NUMERISCHE METHODEN IM INGENIEURWESEN
..............................................
1
1.2 URSPRUENGE DER NUMERISCHEN VERFAHREN BIS ZUR F E M
..............................
4
1.3 GRUNDIDEE DER FINITEN ELEMENTE UND DER AUFBAU DIESES
BUCHES............. 9
LITERATUR
...........................................................................................................
10
2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGE DER F E M
................................................................ 13
2.1 EXTREMWERTPRINZIPIEN IN DER P H Y SIK
........................................................
13
2.2 POTENTIELLE ENERGIE ELASTISCHER F ESTKOERPER
..............................................
21
2.2.1 AEUSSERE UND INNERE ARBEIT BEI STAEBEN UND BALKEN
.......................
22
2.2.2 AEUSSERE UND INNERE ARBEIT BEI MECHANISCHEN
KONTINUA................. 25
2.2.3 GESAMTARBEIT UND GESAMTE POTENTIELLE ENERGIE
.............................
26
2.3
ZUSAMMENFASSUNG....................................................................................
27
LITERATUR
...........................................................................................................
28
3 MATHEMATISCHE GRUNDLAGEN DER F E M
........................................................... 31
3.1 VARIATIONSRECHNUNG - EINFUEHRUNG IN ANALOGIE ZUR DIFFERENTIALRECHNUNG
. 31
3.1.1
DIFFERENTIALRECHNUNG.....................................................................
32
3.1.2 VARIATIONSRECHNUNG
.......................................................................
33
3.1.3 STARKE UND SCHWACHE F O RM
........................................................... 50
3.1.4 VARIATIONSRECHNUNG MIT NEBENBEDINGUNGEN
.................................
50
3.1.5 ZUSAMMENFASSUNG
.......................................................................
53
3.2 HERLEITUNG DER SCHWACHEN FORM MIT DEM VERFAHREN VON G
ALERKIN
. . . 54
3.2.1 VERFAHREN VON G
ALERKIN
ALS UMKEHRUNG DER BESTIMMUNG DER
EULER*SCHEN DIFFERENTIALGLEICHUNG DES VARIATIONSPROBLEMS . . . 54
3.2.2 VERFAHREN VON G
A L E R K IN
ALS FUNKTIONENSKALARPRODUKT
...............
55
3.3 VERFAHREN VON R
I T Z
.................................................................................................
56
3.3.1 VERFAHREN VON TREFFTZ
.................................................................. 57
3.4 FEHLER IN DER APPROXIMATION UND VARIATIONAL C R IM E S
............................
58
3.5
ZUSAMMENFASSUNG....................................................................................
58
3.6
UEBUNGSAUFGABEN............................................................................
60
LITERATUR
...........................................................................................................
77
4
ANSATZFUNKTIONEN.............................................................................................
79
4.1 WAS SIND ANSATZFUNKTIONEN?
......................................................................
79
4.2 LOKALE UND GLOBALE
ANSATZFUNKTIONEN......................................................
80
4.2.1 GLOBALE ANSATZFUNKTIONEN
...........................................................
80
4.2.2 LOKALE
ANSATZFUNKTIONEN..............................................................
81
4.2.3 BEDINGUNGEN AN DIE LOKALEN ANSATZFUNKTIONEN
............................
83
4.3 ANSATZFUNKTIONEN FUER EINDIMENSIONALE G EB
IETE....................................... 86
4.3.1 ANSAETZE NACH L
A G R A N G E
.............................................................. 87
4.3.2 BERNSTEIN-POLYNOME ALS ANSATZFUNKTIONEN
...............................
93
4.3.3 SPLINES UND NURBS ALS ANSATZFUNKTIONEN
.................................
94
4.3.4 HIERARCHISCHE ANSATZFUNKTIONEN
...................................................
95
4.4 ANSATZFUNKTIONEN FUER MEHRDIMENSIONALE G EBIETE
....................................
96
4.4.1 ANSATZFUNKTIONEN FUER RECHTECKE UND Q UADER
...............................
97
4.4.2 ANSATZFUNKTIONEN FUER
DREIECKE...................................................... 98
4.5 ANSATZFUNKTIONEN FUER UEBERGANGSELEMENTE
.................................................
107
4.5.1 ALLGEMEINES VORGEHEN ZUM EINFUEGEN ZUSAETZLICHER KNOTEN
..........
108
4.6 SERENDIPITY-ELEMENTE
..................................................................................
113
4.7 INKOMPATIBLE
ANSATZFUNKTIONEN...................................................................
115
4.8
ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................116
4.9
UEBUNGSAUFGABEN..........................................................................................
120
LITERATUR
...............................................................................................................123
5 FINITE-ELEMENTE-FORMULIENMG
........................................................................
125
5.1 APPROXIMATION DER FELDFUNKTION MIT
ANSATZFUNKTIONEN..............................125
5.1.1 APPROXIMATION SKALARER FELDFUNKTIONEN
.........................................
125
5.1.2 APPROXIMATION VEKTORWERTIGER FELDFUNKTIONEN
...............................
127
5.2 VERWENDUNG VON ANSATZFUNKTIONEN ZUR ERSTELLUNG VON FINITEN ELEMENTEN
129
5.2.1 SKALARE FELDGROESSEN UND VEKTORWERTIGE ABGELEITETE GROESSEN
..........
129
5.2.2 VEKTORIELLE FELDGROESSEN UND TENSORWERTIGE ABGELEITETE GROESSEN . . .
131
5.3 LOESUNG DER FINITE-ELEMENTE-GLEICHUNG
......................................................
133
5.3.1 ASSEMBLIERUNG MEHRERER FINITER
ELEMENTE.......................................133
5.3.2 NATUERLICHE RANDBEDINGUNGEN UND KINEMATISCH KONSISTENTE LASTEN 135
5.3.3 EINFUEGEN VON WESENTLICHEN RANDBEDINGUNGEN (LAGERN) FUER DIE
FELDFUNKTION
.......................................................................
136
5.3.4 TRANSFORMATION VON FREIWERTEN
......................................................
138
5.3.5 BESTIMMUNG DER FREIWERTE DER
FELDFUNKTION..................................140
5.3.6 BERECHNUNG DER
LAGERREAKTIONEN....................................................141
5.4
ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................141
5.5
UEBUNGSAUFGABEN..........................................................................................
142
LITERATUR
...............................................................................................................153
6 ISOPARAMETRISCHES K
ONZEPT................................................................................155
6.1 GRUNDIDEE DES ISOPARAMETRISCHEN K ONZEPTS
..............................................
155
6.2 ISOPARAMETRISCHE
KOORDINATENTRANSFORMATION............................................156
6.3 TRANSFORMATION DER ABLEITUNGEN
................................................................
160
6.3.1 J
ACOB
I-MATRIX
................................................................................161
6.3.2 TRANSFORMATION DES GRADIENTEN DER VERSCHIEBUNGSMODALMATRIX BEI
SKALAREN
FELDFUNKTIONEN...................................................................163
6.3.3 TRANSFORMATION DER DEHNUNGS-VERSCHIEBUNGS-MATRIX
.....................
163
6.3.4 TRANSFORMATION HOEHERER ABLEITUNGEN
..............................................
164
6.4 TRANSFORMATION DER INTEGRALE
.....................................................................
165
6.4.1
GEBIETSINTEGRALE................................................................................165
6.4.2
OBERFLAECHENINTEGRALE........................................................................
167
6.5 LINEARE UND NICHTLINEARE ISOPARAMETRISCHE TRANSFORMATION
.......................
169
6.5.1 LINEARE
TRANSFORMATION...................................................................169
6.5.2 NICHTLINEARE TRANSFORMATION
...........................................................
171
6.6 SUBPARAMETRISCHE UND SUPERPARAMETRISCHE TRANSFORMATION
.......................
173
6.7
KURIOSITAETEN..................................................................................................173
6.7.1 DREIECKSELEMENTE ALS KOLLABIERTE VIERECKELEMENTE
..........................
174
6.7.2
RISSSPITZENELEMENTE........................................................................
176
6.8
ZUSAMMENFASSUNG.......................................................................................
178
6.9
UEBUNGSAUFGABEN..........................................................................................179
LITERATUR
..............................................................................................................
201
7 NUMERISCHE IN TE G RATIO N
....................................................................................
203
7.1 GAUSS-LEGENDRE-QUADRATUR UEBER RECHTWINKLIGE GEBIETE
.........................204
7.2 INTEGRATION UEBER DREIECKIGE UND TETRAEDERFOERMIGE
GEBIETE..........................208
7.3 UEBUNGSAUFGABEN
.........................................................................................
213
LITERATUR
..............................................................................................................
220
8
NACHLAUFRECHNUNG...............................................................................................221
8.1 BERECHNUNG DER ABGELEITETEN GROESSEN AN OPTIMALEN P U N K TE N
....................
222
8.1.1 OPTIMALE PUNKTE BEI VERZERRTEN E LEM
ENTEN...................................226
8.2 SPANNUNGSERMITTLUNG AN DEN KNOTENPUNKTEN
...........................................
227
8.3
ZUSAMMENFASSUNG.......................................................................................231
8.4
UEBUNGSAUFGABEN.........................................................................................
231
LITERATUR
..............................................................................................................232
9 ELEMENTANALYSE
.................................................................................................
233
9.1 POLYNOMGRADE DER FELDFUNKTIONEN VERZERRTER ELEM ENTE
............................
233
9.2 EIGENMODEN DER
ELEMENTSTEIFIGKEITEN........................................................
237
9.3 LOCKING UND HOURGLASSING
..........................................................................
238
9.3.1 SHEARLOCKING UND VOLUMETRISCHES LOCKING
......................................
238
9.3.2 (SELEKTIV-REDUZIERTE INTEGRATION UND DER HOURGLASS-EFFEKT
..........
240
9.3.3 DREIECKS-UND TETRAEDERELEMENTE MIT LINEAREM A N SA TZ
..................
241
9.4 PATCHTEST NACH I
R O N S
..................................................................................
242
9.5
UEBUNGSAUFGABEN..........................................................................................243
LITERATUR
..............................................................................................................
248
10 ANWENDUNGSBEISPIELE UND PRAKTISCHE ELEMENTEIGENSCHAFTEN
.......................
249
10.1 EIGENSCHAFTEN DER UNTERSCHIEDLICHEN ANSATZFUNKTIONEN
............................
249
10.2 VERZERRTE L
AGRANGE
- UND SERENDIPITY-ELEMENTE....................................255
10.3 PATCHTEST - KOMPATIBLE UND INKOMPATIBLE A
NSAETZE....................................258
10.4 NACHLAUFGROESSEN, FEHLER UND HIERARCHISCHE VERFEINERUNG EINER
BALKENSTRUKTUR............................................................................................
260
10.5 DOS AND DON*TS
............................................................................................
264
LITERATUR
..............................................................................................................
265
A VOIGT*SCHE NOTATION IN DER M ECH
ANIK................................................................ 267
B HILFSMITTEL FUER DIE F E
...............................................................................................271
C H
ERLEITUNGEN............................................................................................................275
SACHVERZEICHNIS............................................................................................................277
|
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