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有限元作业第一次作业
土木工程专业有限元第一次作业姓 名:班 级:学 号:指导教师:二 〇 一 五年 6月12日题目:八节点三维规则六面体单元,已给定8个节点的坐标。试查资料并论述: 1、单元中位移函数u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z)和单元节点位移{δe }的关系式;2、[ B ]矩阵的计算步骤和计算式;3、单元刚度矩阵[ k e ]的一般计算方法和计算步骤;4、论述相邻单元间公共边界上位移的连续性;5、如果已经求解得到单元8个节点的位移值{δe }怎样求单元中某一点A(x,y,z)的应力?解:1、取六面体单元的4个角点为节点,以其对称轴为轴。任一节点有三个方向的位移,此单元有8个节点,故总共有24个自由度。如图1所示,其中原点O取在长方体的几何中心,8个节点的编号为数学1~8,则此单元的位移列阵为ZYO图1该单元有8个节点,因此每个方向的位移场可以设定8个待定系数,根据确定位移模式的基本原则(从低阶到高阶、唯一确定性),选取该单元的位移模式为: (1-1)将8个节点的坐标值代入上式,可列出8个节点位移分量的值为: (1-2)由式(1-2)的8个方程中可解出,将它们代入式(1-1),得:将上式写成矩阵形式,为 (1-3)其中,为三阶单元矩阵,而为形状函数矩阵,由于位移采用同样的插值形式,故有: (1-4a)上式中,各形状函数有: (1-4b) 将式(1-4b)依次代入式(1-3),即得位移函数,,与单元节点位移的关系式,其中, 2、根据空间问题的几何方程,单元应变可用节点位移表示如下: (2-1)其中: (2-2)即要求出矩阵中的元素,,。代入(1-4b)中的表达式,可求出相应的。如的矩阵表达式为: (2-3a)同理,可求出任意的表达式,最终可求出应变矩阵。3、根据虚功原理,在任意给出的节点虚位移下,单元节点力(外力)及内力所做的虚功之和应等于零,即: (3-1)单元节点虚位移以矩阵形式表达为:,则单元内各点将产生相应的虚位移与虚应变,它们都是坐标的函数,由下式可得: , (3-2)单元节点力:,则单元节点力的虚功为: (3-3)而内力虚功为: (3-4)其中: (3-5)由此可得: 将单元节点力虚功与内力虚功代入,得:则有: (3-6)其中: (3-7)即为所求的单元刚度矩阵。应力矩阵为已知,且在三维应力状态下,弹性系数矩阵的一般形式为: (3-8)将按节点分块可表示为: (3-9)其中子矩阵的计算公式为: (3-10)4、证明:由单元的位移表达式(1-3)可知,该单元的位移在方向均呈线性变化,为线性位移模式。而因为在单元的边界上,位移是按线性变化的,且相邻单元公共节点上有相同的节点位移值,这样即可保证两个相邻单元在其公共边界面上的位移是相同的,即相邻单元公共边界面位移是连续的。5、根据空间问题的本构方程,单元应变可用节点位移表示如下: (5-1)由式(3-8)和式(2-2)可分别求出矩阵和,故由式(5-1),若已知单元8个节点的位移值,可求出单元中某一点的应力。2
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