Збіжність метода скінчених елементів і напіваналітичного методу скінчених елементів для призматичних тіл з перемінними фізичними і геометричними параметрами

Заголовок (російською): 
Полуаналитический метод конечных элементов в упругой и упругопластической постановке для криволинейных призматических объектов
Заголовок (англійською): 
Convergence of the finite element method and the semi-analytical finite element method for prismatic bodies with variable physical and geometric parameters
Автор(и): 
Баженов В.А.
Горбач М.В.
Мартинюк І.Ю.,
Максим’юк О.В.
Автор(и) (англ): 
Bazhenov V.A.
Horbach M.V.
Martyniuk I.Yu.
Maksimyuk О.V.
Ключові слова (укр): 
метод скінченних елементів, напіваналітичного метод скінчених елементів, скінчений елемент, напружено-деформований стан, фізична і геометрична нелінійність, пружне і пружно-пластичне деформування, криволінійні призматичні тіла
Ключові слова (рус): 
метод конечных элементов, полуаналитического метод конечных элементов, конечный элемент, напряженно-деформированное состояние, физическая и геометрическая нелинейность, упругое и упруго-пластическое деформирование, криволинейные призматические тела
Ключові слова (англ): 
finite element method, semi-analytical finite element method, finite element, stress-strain state, physical and geometric nonlinearity, elastic and elastic-plastic deformation, curvilinear prismatic bodies
Анотація (укр): 
В роботі виконано чисельне дослідження збіжності розв’язання, одержуваних на базі розробленого підходу [1, 3, 4, 5]. Розглянуто широке коло тестових завдань для тіл з плавно і стрибкоподібно змінюваними фізичними та геометричними характеристиками в пружній і пружно-пластичній постановці. Розроблений в рамках напіваналітичного методу підхід до дослідження напружено-деформованого стану неоднорідних криволінійних призматичних тіл з урахуванням фізичної і геометричної нелінійності вимагає обґрунтування його ефективності по відношенню до традиційного МСЕ і підтвердження достовірності одержуваних на його основі результатів. До числа основних показників, що дозволяють провести зіставлення НМСЕ і МСЕ, відносяться швидкість збіжності розв’язання при збільшенні числа невідомих і обсяг обчислення, пов’язаних з розв’язання лінійних і нелінійних рівнянь. Для розглянутого класу задач збіжності визначається такими факторами, як характер зміни уздовж Z3ʼ геометричних і механічних параметрів об’єкта. Нерівномірний розподіл механічних характеристик пов’язано з наявністю початкової неоднорідності матеріалу, розвитком пластичних деформацій і залежністю властивостей матеріалу від температури. Ці ж фактори впливають і на збіжність ітераційного процесу, оскільки від них залежить обумовленість матриці НМСЕ. З метою визначення області ефективного застосування НМСЕ розглянуто широке коло контрольних прикладів. У всіх випадках напіваналітичний метод скінчених елементів по точності апроксимації не поступається, а в деяких задачах в 1.5-2 рази перевершує традиційний метод скінчених елементів.
Анотація (рус): 
В работе выполнено численное исследование сходимости решения, получаемых на базе разработанного подхода [1, 3, 4, 5]. Рассмотрен широкий круг тестовых задач для тел с плавно и скачкообразно меняющимся физическими и геометрическими характеристиками в упругой и упруго-пластической постановке. Во всех случаях полуаналитический метод конечных элементов по точности аппроксимации не уступает, а в некоторых задачах в 1.5-2 раза превосходит традиционный метод конечных элементов.
Анотація (англ): 
In this paper, a numerical study of the convergence of solutions obtained on the basis of the developed approach [1, 3, 4, 5] is carried out. A wide range of test problems for bodies with smoothly and abruptly varying physical and geometric characteristics in elastic and elastic-plastic formulation are considered. The approach developed within the framework of the semi-analytical method to study the stress-strain state of inhomogeneous curvilinear prismatic bodies, taking into account physical and geometric nonlinearity, requires substantiation of its effectiveness in relation to the traditional FEM and confirmation of the reliability of the results obtained on its basis. The main indicators that allow comparing the SAFEM and FEM include the rate of convergence of solutions with an increase in the number of unknowns and the amount of charges associated with solving linear and nonlinear equations. For the considered class of problems, the convergence is determined by such factors as the nature of the change along Z3’ of the geometric and mechanical parameters of the object. The uneven distribution of mechanical characteristics is associated with the presence of the initial heterogeneity of the material, the development of plastic deformations, and the dependence of material properties on temperature. The same factors also affect the convergence of the iterative process, since the conditionality of the SAFEM matrix depends on them. In order to determine the area of effective application of the SAFEM, a wide range of test cases are considered. In all cases, the semi-analytic finite element method is not inferior in approximation accuracy, and in some problems it is 1.5-2 times superior to the traditional method of scheduling elements. finite element method.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2021, номер 106
Назва журналу, номер, рік випуску (рус): 
Сопротивление материалов и теория сооружений, 2021, номер 106
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2021, number 106
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
07-106_bazhenov_horbach_.pdf
Дата публікації: 
28 May 2021
Номер збірника: 
106
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture 31, Povitroflotsky ave., Kyiv, Ukraine, 03037
Литература: 
  1. Bazhenov V.A. Napivanalitychnyi metod skinchenykh elementiv u pruzhnii ta pruzhno-plastychnii postanovtsi dlia kryvoliniinykh pryzmatychnykh obiektiv (Semi-analytical method of finished elements in elastic and elastic-plastic position for curviline prismatic objects) / V.A. Bazhenov, А.A. Shkril’, Yu.V. Maksimyuk, I.Yu. Martyniuk, О.V. Maksimyuk // Opir materialiv i teoriia sporud– 2020. – Vyp. 105. – S. 24–32.
  2. Dluhach M.Y. Metod setok v smeshannoi ploskoi zadache teoryy upruhosty (Mesh method in mixed plane problem of elasticity theory)- Kyev: Nauk.dumka, 1964.- 259s.
  3. Huliar O.I. Universalnyi pryzmatychnyi skinchenyi element zahalnoho typu dlia fizychno i heometrychno neliniinykh zadach deformuvannia pryzmatychnykh til (Universal prismatic finite element of general type for physically and geometrically nonlinear problems of deformation of prismatic bodies) / O.I. Huliar, Yu.V. Maksymiuk, A.A. Kozak, O.V. Maksymiuk // Budivelni konstruktsii teoriia i praktyka  – 2020. – Vyp. 6. – S. 72–84.
  4. Maksimyuk Yu.V. Osnovni spivvidnoshennia dlia fizychno i heometrychno neliniinykh zadach deformuvannia pryzmatychnykh til (Basic relations for physically and geometrically nonlinear problems of deformation of prismatic bodies) / Yu.V. Maksimyuk, S.O. Pyskunov, A.A. Shkril, O.V. Maksimyuk // Opir materialiv i teoriia sporud– 2020. – Vyp. 104. – S. 255–264.
  5. Maksymiuk Yu.V. Alhorytm rozviazannia systemy liniinykh ta neliniinykh rivnian napivanalitychnym metodom skinchenykh elementiv dlia kryvoliniinykh neodnoridnykh pryzmatychnykh til (Algorithm for solving a system of linear and nonlinear equations by the semivanalytic finite element method for curvilinear inhomogeneous prismatic bodies) / Yu.V. Maksymiuk, M.V. Honcharenko, I.Iu. Martyniuk, O.V. Maksymiuk // Budivelni konstruktsii teoriia i praktyka  – 2020. – Vyp. 7. – S. 101–108.
  6. Peterson R. Koэffytsyentы kontsentratsyy napriazhenyi (Coefficients of stress concentration) – M.: Myr, 1977.-302s.
  
References: 
  1. Bazhenov V.A. Napivanalitychnyi metod skinchenykh elementiv u pruzhnii ta pruzhno-plastychnii postanovtsi dlia kryvoliniinykh pryzmatychnykh obiektiv (Semi-analytical method of finished elements in elastic and elastic-plastic position for curviline prismatic objects) / V.A. Bazhenov, А.A. Shkril’, Yu.V. Maksimyuk, I.Yu. Martyniuk, О.V. Maksimyuk // Opir materialiv i teoriia sporud– 2020. – Vyp. 105. – S. 24–32.
  2. Dluhach M.Y. Metod setok v smeshannoi ploskoi zadache teoryy upruhosty (Mesh method in mixed plane problem of elasticity theory)- Kyev: Nauk.dumka, 1964.- 259s.
  3. Huliar O.I. Universalnyi pryzmatychnyi skinchenyi element zahalnoho typu dlia fizychno i heometrychno neliniinykh zadach deformuvannia pryzmatychnykh til (Universal prismatic finite element of general type for physically and geometrically nonlinear problems of deformation of prismatic bodies) / O.I. Huliar, Yu.V. Maksymiuk, A.A. Kozak, O.V. Maksymiuk // Budivelni konstruktsii teoriia i praktyka  – 2020. – Vyp. 6. – S. 72–84.
  4. Maksimyuk Yu.V. Osnovni spivvidnoshennia dlia fizychno i heometrychno neliniinykh zadach deformuvannia pryzmatychnykh til (Basic relations for physically and geometrically nonlinear problems of deformation of prismatic bodies) / Yu.V. Maksimyuk, S.O. Pyskunov, A.A. Shkril, O.V. Maksimyuk // Opir materialiv i teoriia sporud– 2020. – Vyp. 104. – S. 255–264.
  5. Maksymiuk Yu.V. Alhorytm rozviazannia systemy liniinykh ta neliniinykh rivnian napivanalitychnym metodom skinchenykh elementiv dlia kryvoliniinykh neodnoridnykh pryzmatychnykh til (Algorithm for solving a system of linear and nonlinear equations by the semivanalytic finite element method for curvilinear inhomogeneous prismatic bodies) / Yu.V. Maksymiuk, M.V. Honcharenko, I.Iu. Martyniuk, O.V. Maksymiuk // Budivelni konstruktsii teoriia i praktyka  – 2020. – Vyp. 7. – S. 101–108.
  6. Peterson R. Koэffytsyentы kontsentratsyy napriazhenyi (Coefficients of stress concentration) – M.: Myr, 1977.-302s.