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弹性力学
主讲:童中华
安徽工业大学
《弹性力学简明教程》
第三版
徐芝纶
§5+ 上一讲回顾
弹性体总的形变势能为
【位移变分方程】在实际平衡状态发生位移的变分时,所引起的形变势能的变分,等于外力功的变分。
【位移变分法】
第六章 用有限单元法解平面问题
§6+ 有限元法及软件介绍
弹性力学问题的解法
解析方法:无穷小单元满足平衡微分方程、相容方程,边界上满足应力和位移边界条件。问题转化成定义在连续体上的偏微分方程问题。
有限元法:有限大单元满足平衡方程、临近单元位移连续,边界上满足应力和位移边界条件。问题转化成定义在有限多个单元上的代数方程问题。
有限元法是将连续体离散化,用有限大单元取代微分体,将问题转化为适合数值解法的结构型问题的求解方法。在固体力学、流体力学、传热学等领域皆有广泛的应用。
§6+ 有限元法及软件介绍
结力研究对象是离散化结构。如桁架,各单元(杆件)之间除结点铰结外,没有其他联系(图a)。
有限元法研究对象是连续体(待离散化)(图b)。
结构力学结构和有限元法结构的比较
将连续体变换为离散化结构(图c):将连续体划分为有限多个、有限大小的单元,并使这些单元仅在一些结点处用铰连结起来,构成所谓‘离散化结构’。
图(c)与 图(a)相比:
两者都是离散化结构;
区别是:
(a)的单元是杆件,
(c)的单元是三角形块体(内部仍是连续体)。
§6+ 有限元法及软件介绍
§6+ 有限元法及软件介绍
有限元法基本思路(按位移求解)
1. 将连续体划分成离散化的单元结构体;
2. 设结点位移为基本未知量,按弹性力学方法对单元进行力学分析,将所有物理量和方程用结点位移表示;
3. 列结点的平衡方程,将单元装配成整体,得到整体结构所要满足的平衡方程,未知量为结点位移;
4. 求解所有结点的位移,计算待求物理量,如关键点的应力,区域平均应力水平,结构变形图等。
(1)具有通用性和灵活性。
(2)对同一类问题,可以编制出通用程序,应用计算机进行计算。
(3)只要适当加密网格,就可以达到工程 要求的精度。
§6+ 有限元法及软件介绍
有限元法(Finite Element Method) 的特点
FEM的两种主要导出方法:结力法和变分法。
本章介绍平面问题的FEM,仅叙述按位移求解的方法。采用矩阵表示,可使公式统一、简洁,且便于编制程序。
§6+ 有限元法及软件介绍
常见有限元法软件
【ANSYS】通用商用软件,适用范围广,前后处理模块完备,人机交互友好,容易上手,参考书多如牛毛。
提供参数化设计语言(ANSYS Parameter Design Language),可以通过脚本语言编程实现ANSYS常规操作,包括输入、输出及设计优化等功能。
向所有领域工作者推荐。
1.结构静力分析
2.结构动力学分析
3.结构非线性分析
4.动力学分析
5.热分析
6.电磁场分析
7.流体动力学分析
8.声场分析
9.压电分析
缺陷:土木材料的本构关系少。
软件主要包括三个部分:
前处理模块,分析计算模块,后处理模块。
§6+ 有限元法及软件介绍
【MSC.Marc】既可以像ANSYS那样实体建模,也可以采用扩展法建模;具有极强的结构分析能力和非线性计算能力。
(1)几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性,材料非线性和边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。
(2)MARC的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线复杂材料行为的材料模型。
(3)收敛速度快,大概比ANSYS快5~6倍;
计算土和水的功能很强,提供了土的摩尔-库仑模型(线性和非线性)、修正邓肯-张模型和修正剑桥模型;计算混凝土的功能不够强;摩擦分析能力不强;参考书较少。
向土木专业推荐
§6+ 有限元法及软件介绍
【ADINA】建模方便;非线性计算能力强,收敛速度和marc差不多;没有前后处理,但有源代码,适合二次开发。
计算土和水的功能不如Marc;计算混凝土的功能比Marc强;摩擦分析效果比Marc好。参考书较少。
向搞FEM软件开发工作者推荐
【ABAQUS】被广泛地认为是功能最强的有限元软件,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。参考书较少。
向资深FEM工作者推荐
§6-1 基本量及基本方程的矩阵表示
体力
面力
应力
应变
位移
几何方程
§6-1 基本量及基本方程的矩阵表示
物理方程
其中D为弹性矩阵,对于平面应力问题是
§6-1 基本量及基本方程的矩阵表示
i
j
虚功方程:
外力在虚位移上的虚功等于应力在虚应变上的虚功
有限元中将各种外力以作用于结点上的等效集中力代替,用结点
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