Naslov Stable Long-Term Numerical Integration of Motion of Beams and Their Interaction
Naslov (hrvatski) Stabilno dugotrajno numeričko integriranje kretanja grednih nosača i njihova interakcija
Autor Jan Tomec
Mentor Gordan Jelenić (mentor)
Mentor Sara Grbčić Erdelj (komentor)
Član povjerenstva Edita Papa Dukić (predsjednik povjerenstva)
Član povjerenstva Olivier Brüls https://orcid.org/0000-0003-2668-1353 (član povjerenstva)
Član povjerenstva Johannes Gerstmayr https://orcid.org/0000-0003-3576-1830 (član povjerenstva)
Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj Sveučilište u Rijeci Građevinski fakultet Rijeka
Datum i država obrane 2024, Hrvatska
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana TEHNIČKE ZNANOSTI Građevinarstvo
Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC ) 624/625 - Građevinarstvo. Građevinsko inženjerstvo i tehnika. Građevinska tehnika kopnenog prometa (ceste, željeznice)
Sažetak This thesis explores the advancement and refinement of numerical models for beams within the finite element method, a critical tool widely adopted across industries for simulations. Specifically, my research has been focused on the dynamics of beams and their conservation properties when considered using geometrically non-linear models. The second research question concerns contacts between beams. Both of these are significant as model reduction techniques, which allow faster and more complex simulations of our physical environment. The core objectives of this work are to investigate the conservation of mechanical properties of beams for long-term stable formulations and to develop a robust method for understanding and simulating beam-to-beam contact mechanics across diverse scenarios. Our methodology blends theoretical analysis with numerical simulations, focusing on geometrically-exact beam theory and beam-to-beam contacts, supported by the development of open-source research code. As a result, I have developed a novel dynamic beam finite element, which is capable of conserving linear and angular momentum and almost conserve energy. This element features an advanced interpolation of position and rotation on SE(3) group, which allows the element to be objective and locking-free. The conservation properties have been achieved using the Lie midpoint rule for time integration and an independent velocity field. Additionally, I have devised several contact formulations for line-to-line contacts, notably applying the existing mortar method to beams, and introducing a novel, unbiased contact formulation. Both of these methods have been combined with the Lagrange-multiplier and the penalty method and compared using benchmark tests. The thesis contributes to the field by offering novel approaches in beam dynamics and contacts, characterised by robustness and stability. I have discussed their advantages and drawbacks in detail and point out potential areas for further investigation.
Sažetak (hrvatski) Ova disertacija istražuje napredak i poboljšanje numeričkog modela grede u okviru metode konačnih elemenata, ključnog alata koji je široko prihvaćen u industriji za simulacije. Konkretno, naše istraživanje je bilo usmjereno na dinamiku greda i sačuvanija mehaničkih svojstva kada se ti razmatraju korištenjem geometrijski nelinearnih modela. Drugo istraživacko pitanje odnosi se na kontakte između greda. Oba su značajna kao tehnike redukcije modela, koje omogućavaju brže i kompleksnije simulacije. Osnovni ciljevi ovog rada su istražiti sačuvanije mehaničkih svojstva greda kod dugoročno stabilne formulacije i razviti robustnu metodu za razumijevanje i simuliranje mehanike kontakta grede s gredom u različitim scenarijima. Naša metodologija kombinira teorijsku analizu s numeričkim simulacijama, fokusirajući se na teoriju geometrijski točnih greda i kontakte grede s gredom, uz podršku razvoja otvorenog istraživačkog koda. Kao rezultat, razvili smo novi dinamički konačni element za grede, koji je sposoban sačuvati linearnu i kutnu količinu kretanja i gotovo sačuvati energiju. Ovaj element sadrži naprednu interpolaciju pozicije i rotacije na SE(3) grupi, što elementu omogućava da bude objektivan i bez shear-locking-a. Svojstva sačuvanja postignuta su korištenjem Liejevog srednjeg pravila za integraciju vremena i neovisnog polja brzine. Osim toga, osmislili smo nekoliko formulacija kontakta za kontakte tipa linija s linijom, naime primjenjujući postojeću mortar metodu na grede, te uvođenjem nove, nepristrane formulacije kontakta. Obe ove metode kombinirane su s Lagrangeovim množiteljima i penalty metodom te uspoređene brojnim testovima. Disertacija doprinosi području nudeći nove pristupe u dinamici greda i kontakta, karakterizirane robusnošću i stabilnošću. Detaljno smo raspravljali o njihovim prednostima i nedostacima te istaknuli potencijalna područja za daljnje istraživanje.
Ključne riječi
Finite element method
Geometrically-exact beam theory
Energy–momentum conservation/decay
Mortar method
Lie groups
Ključne riječi (engleski)
Metoda konačnih elemenata
Geometrijski točna teorija greda
Očuvanje/propadanje energije-količine kretanja
Mortar metoda
Liejeve grupe
Jezik engleski
URN:NBN urn:nbn:hr:157:363303
Datum promocije 2024
Studijski program Naziv: Stjecanje doktorata znanosti izvan doktorskog studija Vrsta studija: sveučilišni Stupanj studija: poslijediplomski doktorski Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti (dr. sc.)
Vrsta resursa Tekst
Opseg X, 118 str.; 31 cm
Način izrade datoteke Izvorno digitalna
Prava pristupa Otvoreni pristup
Uvjeti korištenja
Datum i vrijeme pohrane 2024-10-14 12:03:55