第四章有限元法..ppt

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二、有限元法分析过程 有限元法分析过程大体可分为:前处理、分析、后处理三大步骤。 1.前处理 对实际的连续体离散化后就建立了有限元分析模型,这一过程是有限元法的前处理过程。在这一阶段,要构造计算对象的几何模型,要划分有限元网格,要生成有限元分析的输入数据,这一步是有限元分析的关键。 * 2.有限元分析 有限元分析过程主要包括:单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解约束方程等过程。这一过程是有限元分析的核心部分,有限元理论主要体现在这一过程中。 结构有限元法包括三类:有限元位移法、有限元力法、有限元混合法。 * 有限元位移法以节点位移作为基本未知量; 有限元力法以节点力作为未知量; 有限元混合法的一部分基本未知量为节点位移,另一部分基本未知量为节点力。 有限元位移法计算过程的系统性、规律性强,特别适宜于编程求解。一般除板壳问题的有限元应用一定量的混合法外,其余全部采用有限元位移法。 因此,一般不做特别声明时,有限元法指的是有限元位移法。 * 3.有限元分析的后处理 有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编辑组织和图形表示三个方面。它可以把有限元分析得到的数据,进一步转换为设计人员直接需要的信息,如应力分布状态、结构变形状态等,并且绘成直观的图形,从而帮助设计人员迅速的评价和校核设计方案。 * 三、有限元求解实例分析 【例1】一根由两段组成的阶梯轴,一端固定,另一端承受一个轴向载荷F3。这两段的横截面积分别为A(1)和A(2),长度分别为L(1)和L(2),弹性模量分别为E(1)和E(2) ,如图所示。求出这两段的应力和应变。已知数据分别为F3=100N, * 1 ① 2 ② 3 A(1) E(1) A(2) E(2) L(1) L(2) Φ1 F2 F3 Φ2 Φ3 F1 F3 ① ② 2 1 3 * 【解】 1.离散化 把这根阶梯轴看成是由两个单元组成的,节点选在截面积突变处,两个单元的连接处是一个节点,该阶梯轴的两端视为另外两个节点,所以整个结构共有三个节点。这根轴是一维结构,并只受轴向载荷,因此各单元内只有轴向位移。三个节点位置的位移量分别记为 、 、 。在整个结构中节点载荷及节点位移均用大写字母标记,其角标为节点在总体结构中的编码,简称总码。 ① ② 2 1 3 * 下面分析某等截面单元(e)。当两端分别承受两个轴向力 和 作用时的位移情况。根据材料力学的知识可知,在两端节点i、j处的位移量 和 与轴向力 和 的关系式为: 2)求单元刚度矩阵 * 在分析单元刚度矩阵时,载荷F和位移 等参数的上角标为该单元的编码,下角标为该单元内节点的局部编码。上两式可写成: 或简写为: 注意: * 式中 ——为单元刚度矩阵或单元特性矩阵,其阶数等于单元中所包含的节点数; ——为单元节点力向量(列阵); * ——为单元节点位移向量(列阵),也为单元自由度列阵; 将单元刚度矩阵改写成矩阵的标准形式,则 * 该矩阵中任意一个元素 都称为单元刚度系数,它表示: 该单元内除节点 j 产生单位位移外,其余各节点的位移均为零时在节点 i 处所引起的载荷。 * 3.总体刚度矩阵的集成和总体平衡方程的写出 该阶梯轴上三个节点位移 、 、 和三个节点轴向力 分别组成该整体结构的节点位移向量 和节点轴向力向量 。 两向量间的转换关系可表示为 或 ① ② 2 1 3 * 上式中的转移矩阵称为总体刚度矩阵或总体特性矩阵,其阶数等于总体结构中的节点总数。 [K]中的元素 称为总体刚度系数,它表示在整体结构中除了节点 j 产生单位位移外,其余各节点的位移均为零时在节点 i 处所引起的载荷。 * 求出总体刚度矩阵是进行总体分析的主要任务,一旦获得总体刚度矩阵,可以很容易地写出总体平衡方程。 求总体刚度矩阵[K]的方法主要由两种:一是直接法,即根据总体刚度系数的定义求解;另一种方法是集成法,即由各单元刚度矩阵求总体刚度矩阵。 * 根据刚度系数的定义,当本结构中的节点2和节点3位移量均为零时,要使节点1产生单位位移,在节点1处所需施加的载荷为 ,此即为K11;当节点1、3固定,节点2产生单位位移时,在节点1处所引起的载荷为 ,此即为K12; (1)直接法求总体刚度矩阵[K] ① ② 2

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