第4章杆系结构的有限元法(2学时).ppt

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有限元基础 第四章 刘艳芳 Email: liuyf@buaa.edu.cn Add: 工程训练中心西配楼406 Tel: 8233 8121 第四章 杆系结构的有限元法 章节目录 4.1 概述 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.3 梁的有限元分析 4.4 刚架的有限元分析 4.1 概述 4.1.1 杆系结构 定义 由有限根杆件在它们的端点处相互连接而成的结构 分类 平面杆系:各杆轴线和外力作用线在一个平面内 空间杆系:各杆轴线和外力作用线不在一个平面内 工程中常见类型 拉压直杆,桁架(平面和空间),梁(简支悬臂梁等),刚架(平面和空间) 4.1 概述 4.1.2 杆系单元 定义 杆系结构中的杆件、梁、柱等称为杆系单元。连接的点称为节点。 杆系单元为一维单元。 结构离散 一般原则: 杆系的交叉点、边界点、集中力作用点、杆件截面尺寸突变处等都应该设置节点,节点之间的杆件即构成单元。 4.1 概述 4.1.2 杆系单元 分类 桁架单元:桁架中的杆件 刚架单元:刚架中的杆件 区别: 桁架节点:铰节点 传递力! 刚架节点:刚节点 传递力和力矩! 4.1 概述 4.1.3 杆系单元的有限元分析 与平面问题和空间问题比较, 基本流程完全相同; 具体计算细节需要按照杆系单元的特性来进行。 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.1 拉压直杆 (单元描述) 几何形状:等截面A,长度为l 载荷:沿轴线分布 节点:2个 局部坐标系:沿轴线定义的一维坐标系 ox 因此, 节点坐标 在x轴的坐标: xi , xj 节点位移(自由度) 沿x轴的位移: ui , uj 单元节点位移列阵 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.2 位移模式 单元位移模式的推导 位移模式 形函数 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.3 应变 应变分量 拉压直杆只有轴向应变: 几何方程的推导 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.4 应力 应力分量 拉压直杆只有轴向应力: 物理方程的推导 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.5 单元刚度矩阵 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.5 单元节点等效载荷 (轴向载荷) 集中力 根据离散的要求,集中力直接施加在所处节点上 体力 轴向分布载荷q(x) 推导依据: 面力 按照集中载荷施加在面所在的节点上 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.6 平面桁架的有限元分析 网格离散 单元分析 整体分析 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.6 平面桁架的有限元分析 网格离散 单元分析:在局部坐标系下建立单元平衡方程 整体分析:在整体坐标系下组装整体平衡方程 因此,组装过程中需要两个坐标系之间的转换: 整体坐标系:OXY 局部坐标系: Oxy 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.6 平面桁架的有限元分析 整体坐标系OXY :节点位移为Ui ,Vi (i , j) 局部坐标系 Oxy: 节点位移为ui ,uj 则有: 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.6 平面桁架的有限元分析 推导: 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.6 平面桁架的有限元分析 因此,单元刚度矩阵在局部坐标系和整体坐标系下的变换式: 4.2 拉压直杆的有限元分析 4.2.6 平面桁架的有限元分析 在整体坐标系下的单元刚度矩阵为: 4.3 梁的有限元分析 4.3 梁的有限元分析 材料力学基础知识 4.3 梁的有限元分析 4.3 梁的有限元分析 4.3.2 位移模式 代入单元两个节点的坐标和位移条件,即可求解四个待定常数a1-a4: 4.3 梁的有限元分析 4.3.3 应变 4.3 梁的有限元分析 4.3.4 应力 4.3.5 单元刚度矩阵 4.3 梁的有限元分析 4.3.6 等效节点载荷 若存在集中力或者集中力矩,将作用点取为节点 若存在分布载荷,按照虚功等效的原则进行计算 适用情况:截面高度小于长度的1/5的杆系结构。 原因:单元的位移模式,决定了没有考虑剪切挠度。 4.3 梁的有限元分析 4.3.7 应用实例 4.4 刚架的有限元分析 4.4.1 平面刚架 相互独立的两种变形形式 轴向拉压 面内弯曲 因此: 刚架单元=杆单元+梁单元 局部坐标系: oxyz 4.4 刚架的有限元分析 4.4.1 平面刚架 4.4 刚架的有限元分析 4.4.2 平面刚架单元(单

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