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第六章用有限单元法解讲述
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 各单元的应力为 * 各单元的应力为 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 单元劲度矩阵K * 取 , * 应变矩阵B 应力矩阵S * 应力矩阵S * 例:试写出图示在平面应力情况下的三角形单元的形函数N、应变矩阵B。 * * 应变矩阵B * §6-6 荷载向结点移置 单元的结点荷载列阵 在FEM中,与结力相似,须将作用于单元中的外荷载向结点移置,化为等效结点荷载, (1)刚体静力等效原则——使原荷载与移置荷载的主矢量以及对同一点的主矩也相同。 1. 移置原则 (2)变形体静力等效原则——在任意的虚位移上,使原荷载 与移置荷载的虚功相等。 * 刚体静力等效原则只从运动效应来考虑,得出移置荷载不是唯一的解; ∴在FEM中,采用变形体的静力等效原则 变形体的静力等效原则考虑了变形效应,在一定的位移模式下,其结果是唯一的,且也满足了前者条件的。 2. 集中力的移置公式 原荷载 作用于单位厚度单元中任一点(x,y)上; 移置荷载 作用于结点i、j、m。 假设发生一组结点虚位移 ,则(x,y)点的虚位移为 * 使移置荷载的虚功等于原荷载的虚功: 即: 应用式(a),将 fPt 代之为 并在边界上积分,得 3. 单元边界Su上面力 的移置公式 4. 单元内体力f 的移置公式 应用式(a),将fPt代之为 并在边界上积分,得 * 当位移模式为线性函数时,由虚功方程得出的移置荷载,与按刚体静力等效原则得出的结点荷载相同。 例:设有均质等厚度的三角形单元受有重力荷载fP,作用在单元重心,求移置到各结点的荷载。 利用虚位移原理 去除i点在垂直方向的约束,代以Fiy 又 同理 * 去除i点在水平方向的约束,代以Fix 又 同理 例:设有均质等厚度的三角形单元ij边上受有图示均布荷载P,求移置到各结点的荷载。 * §6-7 结构的整体分析 结点平衡方程组 在单元分析中,从单元的结点位移→求位移分布→求应变→求应力→求结点力,为单元的内力分析;外荷载移置到结点荷载,为单元的外力分析。 假设将结点i与周围的单元切开,则围绕i结点的每个单元,对i 结点有结点力( )的作用, 也有外荷载移置的结点荷载( )的作用。 下面考虑整体分析。 i 结点的平衡条件为 对某一个单元ijm 其中 是对围绕i 结点的单元求和 * 代入(a)式 ,可表示为 在(b)式中 i、j、m是单元内部的结点编号,称为局部编号; i=1,2,…,n是整体结构的结点编号,称为整体编号 将式(b)按整体结点编号排列,得整个结构的平衡方程组 ——整体结点位移列阵 ——整体结点荷载列阵 ——整体劲度矩阵 元素Krs是相同整体编号的单元劲度矩阵元素krs叠加而成 * 例 图(a)所示的深梁,在跨中受集中力F的作用, 试用有限单元法求解跨中的位移。若取 F 2 m 1 m F 1 m 1 m 1 m 图(a) 图(b) * I i(2) j(3) m(4) m(1) i(3) j(2) II 图(c)中,只有两个未知结点位移v1,v2 。其余的结点位移均为零。 1 m 1 m I II 1 2 3 4 x y 图(c) 图(d) 图(e) 未知的结点位移列阵是 对应的结点荷载列阵是 * 1 m 1 m I II 1 2 3 4 x y 图(c) 下面我们直接来建立对应于未知结点位移的平衡方程式, 对于三角形单元,按照结点的局部编号 (i、j、m ), 结点力一般公式是 I i(2) j(3) m(4) * I i(2) j(3) m(4) m(1) i(3) j(2) II 图(d) 图(e) 单元I、II的单元劲度矩阵均为 * I i(2) j(3) m(4) m(1) i(3) j(2) II 图(d) 图(e) 单元I结点的局部编号与整体编号的关系是 单元 I II 局部编号 整体编号 整体编号 i 2 3 j 3 2 m 4 1 单元 I 单元 II * 整体结点平衡方程 写成 每个子块是2×2的矩阵 例
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