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有限单元法的基本原理
2.5.11 数值积分 在求解刚度矩阵和结点荷载时,需计算如 的积分。但 一般是很复杂的,通常难以用显式表示其积分,一般都用数值积分方法计算积分 值,即在单元内选出某些点,称为积分点,求出被积函数 在这些点的 值,然后根据这些数值求出积分值。 数值积分有两类方法,一类方法积分点是等间距的,如辛普生方法;另一类方法 积分点是不等间距的,如高斯方法。 一维高斯积分公式 0.3478548451 0.6521451549 n=4 0.8611363116 0.3399810436 0.5555555556 0.8888888889 n=3 0.7745966692 0.0000000000 1.0000000000 n=2 0.5773502692 Hi ±ξi 和 是根据计算精度最高而选定的,积分点 应是勒让德多项式 的根。 加权系数 按下式计算。 二维及三维高斯积分公式 先令 保持常数,计算沿 方向的积分 再沿 方向积分 对三重积分有 一般采用2×2×2高斯积分 2.6 非线性有限元分析方法 线性弹性力学采用两个基本假定: 1。材料的应力应变关系是线性的,即假定材料符合胡克定律 2。应变位移关系是线性的,即小位移假定。 例如当钢材的应力超过其比例极限后,应力应变关系便是非线性的。又如土壤和岩石的应力应变关系也是非线性的。这些称为材料非线性。 又如梁、板及薄壳等结构失稳后,由于产生了大位移,其应变位移关系是非线性的,这些称为几何非线性。 在热传导问题中,某些情况下材料的导温系数及内部热源与温度有关。在流体力学中,粘滞系数与流速有关,或者由于出现紊动,达西定律不再适用。这些问题都是非线性的。 当材料的应力应变关系是非线性的时,刚度矩阵不是常数,而与应变和变位值有关。 可记为 。这时结构的整体平衡方程是如下的非线性方程组: (1) 2.6.1 增量法 采用增量法分析非线性问题时,把荷载划分为许多荷载增量,这些增量可以相等,也可以不等。每次施加一个荷载增量。在每一步计算中,假定方程是线性的,刚度矩阵是常数,在不同的荷载增量中,刚度矩阵可以具有不同的数值。每步施加一个荷载增量{ΔP},得到一个位移增量{Δδ } ,累积后即得到位移{ δ}。 增量法是用一系列线性问题去近似非线性问题,实质上是用分段线性的折线去代替非线性曲线。 一、始点刚度法 刚度矩阵[Ki-1]是根据应力应变关系在第i步的开始计算的。 二、中点刚度法 求出 → 改进方法 或 2.6.2 迭代法 用迭代法求解非线性问题时,一次施加全部荷载,然后逐步调整位移,使基本方程 得到满足 一、直接迭代法 先给出一个近似解 如 ,由应力应变 关系求出 第一次近似解为 从第n次近似解求出第n+1次近似解的公式 收敛准则 直接迭代法每步采用的都是割线刚度矩阵 二、牛顿(Newton-Raphson)法 由此得第n+1次近似解为 设 是第n次近似解,一般地,有 在 附近将 式作泰勒展开,并只保留线性项,有 三、修正牛顿法 对大型问题来说形成刚度矩阵并求逆是很费计算时间的。 牛顿法在每次迭代中都要重新建立刚度矩阵并求逆,一次 计算时间较长。如果只在第1次迭代时计算刚度矩阵 并求出逆阵 在以后的迭代中都用这个逆阵进行计算 那么第n步的迭代公式为 该法每次迭代节省计算时间较多,虽然迭代过程中的收敛速度有所降低,但在大 多数情况下,总的计算时间还是比牛顿法省。为提高收敛速度,可以在每经过k次 迭代以后重新计算一个 这样,在第1步计算中对 三角分解并存储,在以后个步迭代中只需按上式进行 简单回代就行了。这种方法称为修正牛顿法。 四、 的计算 初应力法 材料的应力应变关系为 初应力引起的单元结点力为 将结点周围有关单元的结点力加以集合,得到初应力引起的结点失衡力为 初应变法 在某些问题中,难以用应变明显地表示应力,如徐变 问题。相反,可以用应力明显地表示应变 线弹性应力应变关系为 在应力应变关系中引进初应变 ,使得 初应变 由下式计算 初应变引起的结点失衡力 2.6.3 混合法 混合法是同时采用增量法和迭代法。把荷载划分成较少的几个增量,对每一荷载增量进行迭代计算。 增量法的优点:适用范围广泛,即其通用
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