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第一节 有限元法概述 第二节 基本物理量和方程的矩阵表示 第三节 结构离散化 第四节 单元位移模式 解的收敛性 第五节 单元分析 单元刚度矩阵 算例:设某三角形单元ijm如下图(2-8)所示。已知:弹性常数E=1.5,v=0.25;厚度t=0.4试计算:应变矩阵[B]应力矩阵[S]单元刚度矩阵[k]e1.常数计算和面积计算 面积△=1/2(bicj – bjci)=0.5 2.应变矩阵[B]和应力矩阵 [S]: 3.单元刚度矩阵[k]e =[B]T[D][B] △t =[B]T[S]△t 根据上述条件,试计算图(2-9)所示三角形ijm的单元刚度矩阵: 由公式(2-2): 可以看出,bi,bj ,bm和ci,cj,cm等只与单元的方位有关,不随坐标的平移而变化。可以利用这一性质适当选择原点的位置以简化单元刚度矩阵的计算。 图示:单元(1,2,3),已知E,h,μ=0,平面应力,坐标(0,1)(0,0)(1,0),写出单刚;若结点次序变化,讨论单刚的变化。 图示:单元(1,2,3),已知E,h,μ=0,平面应力,坐标(0,1)(0,0)(1,0),写出单刚;若结点次序变化,讨论单刚的变化。 所以当单元趋于很小时,即 时,为了使FEM之解逼近于真解。则为了保证FEM收敛性,位移模式应满足下列条件: FEM中以后的一系列工作,都是以位移 模式为基础的。 因为当单元 时,单元中的位移和应变都趋近于基本量--刚体位移和常量应变。 (1)位移模式必须能反映单元的刚体位移。 (2)位移模式必须能反映单元的常量应变。 可见刚体位移项在式(a)中均已反映。 与刚体位移相比, 将式(a)写成 (3)位移模式应尽可能反映位移的连续性。 即应尽可能反映原连续体的位移连续 性。在三角形单元内部,位移为连续;在两单元边界ij 上, 之间均为线性变化,也为连续。 对式(a)求应变,得: 可见常量应变也已反映。 (1)和(2)是必要条件,而加上(3)就为充分条件。 为了保证FEM的收敛性: 例:判断三角形单元位移函数 是否满 足位移函数的收敛性? 解:(1) 令: 因此,u , v 包含了单元的刚体位移。 (2) 因此,应变分量包含了常应变。 (3) 单元内,u , v 显然是连续函数。 对单元①: 对单元②: 所以,不同单元在公共节点处位移相等,保证了节点处的连续性。 u, v 在任一单元内都是坐标的线性函数,在公共边界ij 上当然也 是线性的。 经过两点的直线只有一条,所以公共边界ij 上任一点位移相等,保证 位移函数在公共边界上是连续的。 思考题 1.应用泰勒级数公式来选取位移模式,为什么必须从低次项开始选取? 2.试考虑:将结构力学解法引入到求解连续体的问题时,位移模式的建立是一个关键性工作,它使得单元(连续体)内部的分析工作都有可能进行了。 1. 单元的应变和应力 (1) 单元的应变 单元的位移模式 反映了单元内任一点的应变与节点位移之间的关系 应变矩阵 应变矩阵子矩阵 (i, j, m) 对三角形单元, 均仅与节点坐标有关 为常量矩阵 为常量 三角形单元为常应变单元 (2) 单元的应力 反映了单元内任一点的应力与节点位移之间的关系 应力矩阵 应力矩阵子矩阵 (i, j, m) 说明: 为常量,单元应力为常量。三角形单元为常应力单元; 对三角形单元,不同单元之间应力、应变有突变。 位移函数误差量级: 应力应变误差数量级: 即使位移精度满足了要求,应力精度不一定满足要求 措施: a, 细化网格; b, 采用高次单元 权衡计算精度和计算量之间的关系 2. 单元刚度矩阵 建立节点力与节点位移之间的关系。 (1) 单元刚度矩阵的推导 以单元为研究对象,假想将单元与节点i 切开,节点作用于单元上的力,称为节点力。 令节点 产生了一组虚位移: 相应单元虚位移: 相应单元虚应变: 由虚功方程:外力(节点力 )在虚位移(节点虚位移 )上的虚功,等于应力 在虚应变 上的虚功,即: ( 与
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