第二弹性力学问题有限元法的一般原理和表达格式.pptVIP

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June 3, 1996 总体刚度方程: 代入边界条件的求解方程 一、 空间问题的有限元 空间有限元分析两个主要困难 离散化不像平面那样直观,人工离散容易产生误差 未知量的数量剧增 §2-7 轴对称问题和空间问题的有限元法 空间问题常应变四面体单元 一、位移模式 i j m p o x y z 结点位移 三维线性函数 刚体移动 常量正应变 刚体转动 常量切应变 收敛性检验 2、连续性 1、完备性 (i,m) (j,p) (i,j,m,p) 2、单元应变 (i,j,m,p) 3、单元应力 4、单元刚度矩阵 类似于平面问题中的分析,将 代入空间问题的虚功方程 常应变单元 5、总体刚度矩阵与求解方程 代入边界条件的求解方程 三维问题的体积坐标 4 1 3 2 o x y z 常应变四面体单元 二、 轴对称问题的有限元格式 轴对称问题 几何形状、约束条件、作用载荷都对称于某一固定轴 对称轴为z轴,径向为r轴,环向为 轴 位移、应力、应变只与r、z有关(v=0) (5)引进位移边界条件求解节点位移 (6)应力计算 §2-6 高阶单元和矩形单元 回顾 三结点三角形单元 位移模式是线性的 单元的应力和应变是常量 计算精度较低 计算精度 有限元分析时,当单元数目确定后,精度主要取决于单元形式。 提高精度也就是减少分析误差,误差的主要来源之一是单元的位移函数与实际位移的差异。 增加单元节点,采用高阶次的位移模式,提高计算精度 1 2 3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (a)线性单元 (b)二次单元 (c)三次单元 一、六结点三角形单元 x y 0 m j i 1 2 3 1、位移模式 位移模式的项数与自由度数相当;阶次对称。 常应变三角形单元是在直角坐标下分析的。 若仍在直角坐标系中分析三角形高阶单元,形函数的建立及单元分析得到的公式将比较复杂。 面积坐标 2、面积坐标 面积坐标系就是利用三角形单元面积比的关系,来确定三角形单元中任一点在单元中的位置,称作面积坐标 直角坐标 面积坐标 (1)面积坐标的概念 y x 0 m j p H i h (a) 三角形三结点单元 (b) (c) (2)面积坐标和直角坐标的关系 (i)用直角坐标表示面积坐标 (ii)用面积坐标表示直角坐标 3、六结点三角形单元的位移插值函数 式中: 建立形函数的方法 间接法:如建立常应变三角形单元形函数是采用了广义坐标法。 直接法:利用形函数应满足的条件建立形函数。 1 2 3 边线方程法 (1)求出除该点之外的其余各结点的边线或连线方程; (2) 边线方程连乘得到有待定常数的形函数表达式,并检查是否与位移模式同阶次; (3) 根据形函数在本身结点为1的特性求得选定常数。 如求 边线方程 将结点i的面积坐标(1,0,0)及(Ni)i=1代入上式得 同理可求得 请同学们推导N1,N2,N3 4、六结点三角形单元的刚度矩阵 (1)应变矩阵 (1,2,3) 应变矩阵的元素是面积坐标的一次式,也是直角坐标的一次式。 应变是线性变化的。 2、应力矩阵 应力矩阵的元素是面积坐标的一次式,也是直角坐标的一次式。 应力是线性变化的。 3、单元刚度矩阵 如 面积坐标的幂函数在三角形单元上的积分 对于平面应力问题 二、4节点矩形单元 a a b b 位移模式(插值): 检验其收敛性 1、完备性 2、连续性 应变矩阵: 应力矩阵: 单元刚度矩阵: 单元刚度矩阵的性质 1)单元刚度矩阵的物理意义 元素值为单位位移所引起的节点力 J节点产生单位水平位移时在i节点引起的水平节点力分量 J节点产生单位水平位移时在i节点引起的竖直节点力分量 2)单元刚度矩阵为对称矩阵 由功的互等定理中的反力互等可知 3)单元刚度矩阵与单元位置无关(但与方位有关) 单元刚度矩阵与单元位置(刚体平移)无关 4)奇异性 物理意义:在无约束的条件下,单元可以做刚体运动,其位移是不定的。 4、整体刚度矩阵与等效结点力 1)整体刚度矩阵 单元上的势能泛函 (2-28) 结构的总势能泛函 通过单元集合后: 其中: i ① ② ③ y 0 x i ① i ③ 一、总体刚度方程 方法一:节点平衡法 i ② i 根据外荷载与节点力的平衡条件,得: 节点力是节点位移和刚度系数的乘积 同理可对其它节点进行平衡 总体平衡方程 优点:力学概念清晰,以每一个节点为单位进行平衡 缺点:编写程序比较麻烦 8 7 5 4 1 2 3 5 6 7 8 9 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 方法二:直接刚度法 (1)统一使用整体节点编号 总体码 局部码 反映了局部量与整体量的对应关系 (2)依照结构总体的节点自由度数2n扩展单元刚度矩阵与单元节点荷载列阵,使它们成为可以两两叠加的贡献阵 (i)单元刚度矩阵

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