Algorithmen zur Dynamik im Zeitbereich
3.2 Die Newmark Methode
Das Newmark-Verfahren ist ein implizites Integrationsverfahren und gehört zu den Einschrittverfahren, da zur Berechnung der Bewegungsgrößen zur Zeit t
n+1 nur die Bewegungsgrößen des vorangegangenen Zeitschritts benötigt werden. Dabei werden zwei Parameter

eingeführt, mit denen die Stabilität und die Genauigkeit des Verfahrens gesteuert werden.
Das Newmark-Verfahren ist eine Variation des linearen Beschleunigungsverfahrens (siehe unten). In (Bild 3.2) ist der lineare Beschleunigungsverlauf zwischen den Zeitpunkten t und t +

dargestellt. Für die Geschwindigkeit und die Verschiebung zum Zeitpunkt t +

werden folgende Annahmen getroffen
Für

=1/2 und

=1/6 entspricht das Newmark-Verfahren dem linearen Beschleunigungsverfahren. Für

=1/2 und

=1/4 wird das Verfahren zu einem konstanten Durchschnittsbeschleunigungsverfahren, das die ursprüngliche Form des Newmark-Verfahrens darstellt.
Werden die Gleichungen (3.7) und (3.8) so umgeformt, dass sich die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen als Funktion der bekannten Größen zum Zeitpunkt t und der unbekannten Verschiebung darstellen lassen, so kann mit der Gleichgewichtsbedingung zum Zeitpunkt t +
die gesuchte Verschiebung bestimmt werden. Nachdem das Ergebnis für die Verschiebung

in die umgestellten Gleichungen (3.7) und (3.8) eingesetzt worden ist, ergibt sich die Beschleunigung und Geschwindigkeit zur Zeit t +

.
3.1.1 Vorteile des Verfahrens
- Zur Berechnung sind nur die bekannten Größen zum Zeitpunkt t erforderlich. Es handelt sich daher um ein Einschrittverfahren.
- Das Newmark-Verfahren ist uneingeschränkt stabil für

und

- Zur Berechnung im ersten Zeitintervall ist kein besonderes Startverfahren erforderlich.
3.1.2 Nachteile des Verfahrens
- Zu den wesentlichen Nachteile des Newmark-Verfahrens gehört, dass auf der linken Gleichungsseite die Steifigkeitsmatrix S auftritt (siehe Schema: Schritt 2 Zeitschrittberechnung). Diese Tatsache führt zu erhöhtem Rechenaufwand bei der Gleichungsauflösung, insbesondere bei nichtlinearem Strukturverhalten.
3.1.3 Das Schema
A: Anfangsberechnung
1. Aufstellung der Koeffizientenmatrizen
S Steifigkeitsmatrix
D Dämpfungsmatrix
M Massematrix
2. Die Anfangsgrößen

werden eingeführt.
3. Wahl des Zeitschritts

sowie der Parameter

und

, Berechnung der Konstanten
4. Berechnung der effektiven Steifigkeitsmatrix S
5. 5. Dreieckszerlegung von S
eff
B:Zeitschrittberechnung
1. Berechnung der effektiven Lasten F
eff zur Zeit t +
2. Die Verschiebung zur Zeit t +

ermitteln aus
3. Die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zum Zeitpunkt t berechnen