가상 작업 원리와 카스티 글리 아노 (제 2 차) 정리


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나는 온라인과 일부 문헌을 보았지만 두 가지 방법에 대한 좋은 비교를 찾지 못하는 것 같습니다. 그것들은 연속체의 한 지점에서 변위와 경사 (theta에 의한 회전)를 결정하는 데 사용됩니다. 이전에는 요소의 변형 에너지 (관심 변위를 곱한 경우)와 동일한 가상 단위 힘을 사용하고 후자는 0이되는 가상 힘에 대해 차등을 사용합니다.

어느 것이 더 효율적이고 어느 것이 더 정확합니까? Castigliano보다 Virtual Work를 선택하거나 그 반대로 선택한 이유는 무엇입니까?


그것들은 수학적 의미에서 "정확한"것이지만 실제로는 일반적으로 내부 응력, 변형 및 변형 에너지를 찾기 위해 약간의 근사가 있습니다. (간단한 예 : Euler-Timoshenko 빔 이론은 실제 엔지니어링 구조에서는 "정확하지 않습니다!"
alephzero

글쎄, 어느 것이 분석에서 더 실용적이고 더 효과적인지 궁금합니다. 내가 아는 바에 따르면 FE 소프트웨어 (예 : ANSYS)는 가상 작업을 사용하는 것으로 보이며 Catigliano와 마찬가지로 숫자 차별화가 필요하지 않기 때문에 의미가 있다고 생각합니다. 어떤 종류의 이유가 다른 것을 선호하는지 궁금합니다. 빔에 관해서는 Euler-Bernoulli 빔이 매우 인기가 있으며 Euler-Timoshenko는 긴 빔에서 작동하지 않는 것으로 알고 있지만 약간의 조정으로 진동에 사용되어 더 나은 근사치를 만듭니다.
thephysicsguy

나는 Castigliano의 정리가 견고한 역학을 넘어 적용된다는 인상을 얻지 못했습니다. 반면 가상 작업은 열 전도 및 유체 흐름과 같은 다른 많은 pde 모델로 확장됩니다.
Paul

탄탄한 역학을 유지하자. Castigliano의 정리는 결국 철도 엔지니어에 의해 발명되었습니다. 그렇다면 구조 분석 측면에서 어느 것이 더 잘 수행되고 왜 그런가? 유체 역학과 열 전달은 서로 매우 다르며 일반적으로 이러한 방식으로 에너지 방법을 사용하지 않으며, 이러한 분야에서 더 흥미로운 것은 현장 방정식과 점별 솔루션입니다. 그래도 수치 솔버가 여전히 가상 작업을 사용할 수도 있지만 확실하지 않습니다.
thephysicsguy

답변:


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짧은 대답 : Castigliano는 대규모 복잡한 구조에서 몇 가지 주요 지점에서 신속하고 정확한 솔루션을 제공하는 반면 가상 작업은 다른 방식으로는 해결할 수없는 복잡한 시스템에 대한 대략적인 모델을 제공합니다.

Castigliano의 정리와 가상 작업은 동일한 수학 동전의 양면입니다. Castigliano의 Methods는 가상 작업보다 우선하지만 가상 작업의 기본 원칙을 시작합니다. 선형 분석을 통해 변위를 해결할 수있는 가상 작업의 절반을 더 단순하게 만들지 만 가상 작업을 사용하여 더 빨리 답변합니다. 가상 작업은 후반에 설명되어 있습니다. 여기서 우리는 선형 분석으로 변위를 해결할 수 없었습니다 (미분 방정식을 풀지 않고 많은 계수를 던지지 않음). 대신 가상 작업에 의존하여 경계 조건.

위에서 언급 한 바와 같이, 엔지니어들이 Castigliano의 방법에 사용하는 대부분의 응용 분야에서 주요 원리는 선형 탄성 빔 또는 트러스 이론 (이러한 구조에 대해 여러 측면에서 사용될 수 있음)에서 알려진 것을 사용하고 구조를 신속하게 해결하는 것입니다. 매우 이례적인 힘을받습니다. 힘에 대한 방정식 은 정적으로 결정된 구조의 많은 알려지지 않은 힘의 관점에서 작성된 다음 알려지지 않은 힘이 제거됩니다. 알려지지 않은 (또는 비정상적이지만 알려진) 힘 중 하나가 적용되고 선형 모형 및 표단일 힘에 사용되는 것은 구조물의 다양한 지점에서 실제 변위를 신속하게 알려줍니다. 단일 힘은 원래 힘의 뉴턴 당 반응 지점에서 500 뉴턴의 힘, 또는 5 뉴턴을 초래할 수 있습니다. 이것은 기록됩니다. 알 수없는 힘이 제거되고 새로운 힘이 추가되고 테스트됩니다. 이러한 반응과 힘이 모두 발견되면 Castigliano의 방법은 전체 하중 상태에 대한 최종 처짐이 무엇인지를 해결할 수 있으며, 이는 해결 된 하중 상태 표에서 찾을 수 없습니다. 이것은 탄성 지지대, 실제 시스템에서 발생하는 힘의 양에 따라 편향 지지대가있는 경우에 특히 유용합니다. 이 접근 방식의 유일한 한계는 테이블이 얼마나 자세하고 중첩의 원리입니다. 시스템이 중첩을 사용하여 처리 될 수있는 한,

가상 작업의 원리는이 원칙을 넘어 확장됩니다. 아이디어는 단순히 계수가 알려지지 않은 변위에 대한 방정식을 작성하는 것 입니다. 그것은 지배적 DE에 대한 해결책 일 수 있거나 완전히 부정확 할 수 있지만 모든 경계 조건을 해석 할 수 있어야합니다 (A 지점, 변위는 0 등). 빔의 경우, 변위 방정식의 2 차 미분을 취하면 모멘트 방정식이되고 전단 방정식의 세 번째 결과가 나타납니다. 플레이트 및 기타 연속체의 경우 변위는 변형 시간 길이입니다. 모든 응력 조건은 강성 텐서 로 쓸 수 있습니다전체 가상 작업을 원칙적으로 알 수없는 변위 방정식으로 간단히 표현할 수 있습니다. 따라서이 작업은 가상 시스템 (정적 시스템의 잠재적 에너지 또는 동적 시스템의 잠재적 에너지 및 운동 에너지의 합계)을 최소화하도록 알 수없는 계수를 간단히 해결하는 것입니다.

이것의 예는 유한 요소 해석에 사용 된 방정식과 함께 자주 주어지며, 여기서 보통의 쿼트 변위 방정식 대신에 입방 방정식이 변위에 사용됩니다. 회전에 대해 최대 2 자유도, 변위에 대해 2 자유도를 갖기 때문에 4 개의 알 수없는 계수 인 3 차 방정식 만 있으면됩니다. 이는 FEA가 분산 하중을 점 하중으로 분할하여 입방 방정식이 원래 quartic과 동일한 처짐을 갖도록해야한다는 것을 의미합니다. 이것이 단일 요소가 원래 quartic과 동일한 중간 스팬 편향을 나타내지 않게하는 원인입니다.

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

중첩이 없어도 강성 텐서가 변형과 관련된 응력의 변화를 설명하는 한 가상 작업의 원리가 여전히 적용됩니다. 이것은 강성 텐서 대신에 독립적 인 알 수없는 응력 방정식을 취할 수 있습니다 . 이러한 종류의 변형은 시스템의 수학적 모델을 만들어야하는 엔지니어에 의해 많은 분야에서 사용되며, 이는 사실상 모든 유한 요소 방법의 기초를 형성합니다. 요약하면, Castigliano는 대규모 복잡한 구조에서 몇 가지 주요 지점에서 신속하고 정확한 솔루션을 제공하는 반면 가상 작업은 해결할 수없는 복잡한 시스템에 대한 대략적인 모델을 제공합니다.


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joojaa

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Katarina

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