Numerical investigation of convergence of Fourier series, poly-nomials, and method of finite elements

Authors

  • В.П. Андрієвський Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна Author
  • І.Ю. Мартинюк Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна Author
  • О.В. Максим’юк Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна Author

DOI:

https://doi.org/10.33271/crpnmu/74.124

Keywords:

finite element, finite element method, semi-analytical finite element method, stress-strain state, nodal reactions, stiffness matrix, Fourier series, polynomials, numerical investigations

Abstract

Purpose. To compare the efficiency of using finite elements with variable and averaged mechanical and geometric parameters and to investigate the convergence of results obtained by the semi-analytical finite element method (SAFEM) using Fourier series and polynomials with the results obtained by the finite element method (FEM). The methods. The construction and development of an algorithm for studying the stress-strain state of spatial bodies with variable and averaged mechanical and geometric parameters were carried out based on SAFEM. Findings. Solvability indicators of SAFEM were obtained for calculating nodal reactions and stiffness matrix coefficients of finite elements with variable and averaged mechanical and geometric parameters. Numerical convergence studies of results obtained using SAFEM with Fourier series, polynomials, and the finite element method were conducted for a benchmark example, which was the Boussinesq problem for a half-space subjected to a concentrated force. The results indicate that the convergence of the investigated coordinate functions in the considered problem is of the first order. The originality. The obtained solvability indicators of SAFEM for calculating nodal reactions and stiffness matrix coefficients of finite elements with variable and averaged mechanical and geometric parameters allow for the study of various classes of problems. Numerical convergence studies using Fourier series, polynomials, and the finite element method were conducted for the benchmark example. Practical implementation. The practical significance lies in the development of a methodology for determining the stress-strain state of relevant spatial elements of structures with variable and averaged mechanical and geometric parameters subjected to arbitrarily distributed spatial loads.

References

1. Баженов, В.А., Гуляр, О.І., Пискунов, С.О., & Сахаров, О.С. (2005). Напіваналітичний метод скінчених елементів в задачах руйнування просторових тіл . КНУБА.

2. Баженов, В.А., Гуляр, О.І., Пискунов, С.О., & Сахаров, О.С. (2014). Напіваналітичний метод скінчених елементів в задачах руйнування просторових тіл . Каравела.

3. Іванченко, Г., Максим'юк, Ю., Козак, А., & Мартинюк, І. (2021). Побудова розв'язувальних рівнянь напіваналітичного методу скінченних елементів для призматичних тіл складної форми. Управління розвитком складних систем, (46), 55–62. https://doi.org/10.32347/2412-9933.2021.46

4. Максим'юк, Ю., Козак, А., Мартинюк, І., & Максим'юк, О. (2021). Особливості виведення формул для обчислення вузлових реакцій і коефіцієнтів матриці жорсткості скінченого елемента з усередненими механічними і геометричними параметрами. Будівельні конструкції. Теорія і практика , (8), 97–108. https://doi.org/10.32347/2522-4182.8.2021

5. Баженов, В.А., Пискунов, С.О., Cолодей, І.І., Андрієвський, В.П., & Сизевич, Б.І. (2005). Матриця жорсткості і вектор вузлових реакцій скінченного елемента для розв'язання просторових задач термов'язкопружнопластичності НМСЕ. Опір матеріалів і теорія споруд, 76 , 3–26.

6. Novatskii, V. (1975). Teoriya uprugosti . Mir.

Published

2020-01-01

Issue

Section

Статті