+ All Categories
Home > Documents > O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň,...

O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň,...

Date post: 13-Jan-2016
Category:
Upload: melissa-roberts
View: 218 times
Download: 2 times
Share this document with a friend
59
O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti
Transcript
Page 1: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

O metodě konečných prvkůLect_9.ppt

M. Okrouhlík

Ústav termomechaniky, AV ČR, PrahaPlzeň, 2010

Disperzní vlastnosti

Page 2: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Dispersion

due to• space discretization

• time discretization• geometry

• material

Page 3: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

It is known thatthe spatial and temporal discretizations always

accompany the finite element modelling of transient problems,

the topic is of academic interest but has important practical consequences as well.

In the contributionthe spatial dispersive properties of typical

Lagrangian and Hermitian elements will be presented,the dispersion due to time discretization will be

briefly mentioned andexamples of spatial and temporal dispersions

will be shown.

Page 4: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 5: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 6: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 7: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

If )(k ... a so called dispersion relation ... is a linear function of k ... the wavenumber, then the system is called NONDISPERSIVE, otherwise it is DISPERSIVE. For non-dispersive systems the velocity of propagation is constant – does not depend on frequency.

Page 8: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

L1 … constant strain element

Page 9: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

consistent

diagonal

Page 10: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 11: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Ec

l

c

kl

kl

kl

00

00

0

*

0*

0

0*

withand where

matrix mass diagonalfor ))cos(1(2

matrix mass consistentfor )cos(2

))cos(1(6

Dispersion for 1D constant strain elements with consistent and diagonal mass matrix formulations

Page 12: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Podrobné odvozenípro L1C a L1D

See: c/telemachos/vyukove texty/disperse_c3.doc

Page 13: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 14: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 15: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 16: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 17: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 18: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 19: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 20: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 21: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 22: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 23: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 24: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 25: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

% disp_L1

% dispersive properties of L1 element

clear

i = 0;

gamma_range = 0.01:0.01:pi;

length_gr = length(gamma_range);

for gamma = gamma_range

i = i + 1;

n = (1 - cos(gamma));

n_c = 6*n;

n_d = 2*n;

den = 2 + cos(gamma);

om_c_star(i) = sqrt(n_c/den);

w_c_star(i) = om_c_star(i)/gamma;

om_d_star(i) = sqrt(n_d);

w_d_star(i) = om_d_star(i)/gamma;

lambda(i) = 2*pi/gamma;

end

for i = 1:length_gr

lambda_rev(i) = lambda(length_gr - i + 1);

w_c_star_rev(i) = w_c_star(length_gr - i + 1);

w_d_star_rev(i) = w_d_star(length_gr - i + 1);

om_c_star_rev(i) = om_c_star(length_gr - i + 1);

om_d_star_rev(i) = om_d_star(length_gr - i + 1);

end

% points

figure(1)

subplot(3,1,1); plot(gamma_range,om_c_star, gamma_range,om_d_star)

title('frequency vs. gamma'); axis([0 3.14 0 4])

subplot(3,1,2); plot(gamma_range,lambda)

title('lambda vs. gamma')

v = [0 20 0 4];

subplot(3,1,3); plot(lambda_rev,om_c_star_rev, lambda_rev,om_d_star_rev); axis(v)

title('frequency vs. lambda')

xx = [0 100]; yy1 = [1.01 1.01]; yy2 = [0.99 0.99];

ww = [1 1];

figure(2)

subplot(2,1,1); plot(gamma_range,w_c_star, gamma_range,w_d_star, xx,ww)

title('phase velocity vs. gamma'); axis([0 3.14 0 1.3])

legend('consistent', 'diagonal', 'continuum', 3)

% subplot(3,1,2); plot(gamma_range,lambda)

% title('lambda vs. gamma')

v = [2 15 0.6 1.3];

subplot(2,1,2); plot(lambda_rev,w_c_star_rev, lambda_rev,w_d_star_rev, xx,yy1, xx,yy2); axis(v)

title('phase velocity vs. lambda')

xlabel('lambda is non-dimensional wave length - how many element lengths into the wave length of a given harmonics')

legend('consistent', 'diagonal', '+1%', '-1%', 4)

Page 26: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

phase velocity vs. gamma

consistentdiagonalcontinuum

2 4 6 8 10 12 140.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3phase velocity vs. lambda

lambda is non-dimensional wave length - how many element lengths into the wave length of a given harmonics

consistentdiagonal+1%-1%

Page 27: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

phase velocity vs. frequency

consistentdiagonalcontinuum

Page 28: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 29: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 30: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

1D continuum is a non-dispersivemedium, it has infinite number of frequencies, phase velocity is constantregardless of frequency.

Discretized model is dispersive,it has finite number of frequencies,velocity depends on frequency, spectrum is bounded,there are cut-offs.

overestimated consistentFrequency (velocity) is with mass matrix.

underestimated diagonal

L1 element

Page 31: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Eigenvectors, unconstrained rod, 24 L1C elements

Notice the rigid body mode

Higher modes havewrong shapes

Not in accordance with assumed harmonic solution

Nodes in opposition

The system cannot be forced to vibrate more violently

Page 32: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 33: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 34: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 35: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 36: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 37: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

1D – velocity vs. frequency for higher order elements: L2, L3, H3

Band-pass filter

A mixed blessing of a longer spectrum

Page 38: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

1D Hermitian cubic element, H3

Page 39: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Eigenvectors of a free-free rod modeled by H3C elements

Page 40: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

transversal,shear,S-wave

primary,longitudinal,P-wave

Von Schmidt wavefront

2D wavefronts, Huygen’s principleMaterial points having been hitby primary wave becomesources of both types of wavesi.e. P and S

dp007

Page 41: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

2D isotropic medium, plane stress, FE simulation

Page 42: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Dispersive properties of a uniform mesh(plane stress) assembled of equilateral elements, full integrationconsistent and diagonal mass matrices

wavenumberHow many elements to a wavelenght

Direction of wave propagation

Dispersion effects depend alsoon the direction of wave propagation

Artificial (false) anisotropy

Page 43: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Dispersive properties of a uniform mesh (plane stress) assembled of square isoparametric elements, full integration, consistent mass matrix

Hodograph of velocities

meshsize

wavelength

Page 44: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Hodograph of velocities

Page 45: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Hermitian elements are disqualified due to their ‘long’ spectrum

Page 46: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Eigenmodes and eigenvalues of a four-node bilinear element

Page 47: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Eigenmodes and eigenvalues of a four-node bilinear element

Page 48: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 49: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 50: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Time and space discretization errors vs. frequency

Mother nature is kind to us

Page 51: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

No algorithmic damping

Small algorithmic damping

The effect of space and time discretization cancels out

Page 52: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

eps t = 0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1dis

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

vel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-50

0

50

100

150

200acc

L1C, 100 elements, h = 0.01, gamma = 0.6, beta = 1/6

‘Dispersionless’ Newmark

E:\edu_mkp_liberec_2\mtl_prog\mtlstep\linbad_c1_dispersionless_newmark.m

Page 53: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-1

-0.5

0

eps t = 0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dis

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.5

1

vel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-50

0

50

acc

L1C, 100 elements, h = 0.01, gamma = 0.5, beta = 0.25*(0.5+gamma)^2

Newmark, no algorithmic damping

Page 54: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

eps t = 0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dis

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

vel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-30

-20

-10

0

10

20acc

Newmark, with small algorithmic damping

L1C, 100 elements, h = 0.01, gamma = 0.6, beta = 0.25*(0.5+gamma)^2

Page 55: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

eps t = 0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dis

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

vel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-20

-10

0

10

acc

Newmark, with medium algorithmic damping

L1C, 100 elements, h = 0.01, gamma = 0.7, beta = 0.25*(0.5+gamma)^2

Page 56: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0eps t = 0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5dis

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1vel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-8

-6

-4

-2

0

2

4acc

Newmark, with too big algorithmic damping

L1C, 100 elements, h = 0.01, gamma = 2, beta = 0.25*(0.5+gamma)^2

Page 57: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0eps t = 0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.1

0.2

0.3

0.4

dis

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8vel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-3

-2

-1

0

1

2acc

Newmark – s vaničkou jsme vylili i dítě

L1C, 100 elements, h = 0.01, gamma = 10, beta = 0.25*(0.5+gamma)^2

Page 58: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.
Page 59: O metodě konečných prvků Lect_9.ppt M. Okrouhlík Ústav termomechaniky, AV ČR, Praha Plzeň, 2010 Disperzní vlastnosti.

Recommended