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第8章平面问题有限元法
第8章 平面问题有限元法
本章以平面问题的线性静力分析为例,介绍有限元法的基本原理和概念,其他问题的有
限元法具有类似的分析过程,详细介绍请参见关于有限元法的专著。
静力分析是指结构所受外力不随时间变化,其应力和变形也是不随时间变化的常数,是
结构分析中的一种最简单、最基本的分析类型,其有关概念和方法也可推广应用到动力分析。
线性是指结构的应力与应变的关系(本构关系)呈线性,是一类易于求解的问题,也是非线
性问题求解的基础。平面问题是指应力和应变限于某个平面内变化,而厚度方向的应力和应
变要么为零,要么为非独立变量。
本章首先简单介绍弹性力学的基本概念和方程,这是推导结构有限元方程的基础,然后
介绍平面问题的有限元法。
8.1 弹性力学有关知识
8.1.1 弹性力学中的物理量
载荷、应力、应变和位移是弹性力学中的几个主要物理量。
一、载荷
载荷是外界作用在弹性体上的力,又称为外力。它包括体力、面力和集中力三种形式。
体力是分布于整个弹性体体积内的外力,如重力、惯性力。在弹性体内任一点,单位体
积的体力用Pv表示,它可分解为给定坐标系x 、y 、z三个坐标轴上的投影p vx 、p vy 、p vz ,称为
体力分量。体力可用矩阵表示为
T
{Pv }={p vx pvy p vz }
说明:本书用花括号“{ }”表示列矩阵,方括号“[ ]”表示方阵。为节省书写空间,
列矩阵通常写成转置矩阵的形式,上标T表示转置矩阵。
面力是作用于弹性体表面上的外力,如气体压力、液体压力、接触压力。在表面上任一
点,作用在单位面积上的面力用Ps表示,它在坐标轴上的三个投影p sx 、p sy 、p sz称为面力分量。
面力的矩阵表示为
T
{Ps }={p sx p sy p sz }
如果外力作用面很小,可视为外力作用在一个点上,则这种外力称为集中力。集中力用
Pc表示,它在坐标轴上的投影p cx 、p cy 、p c z称为集中力分量。
集中力的矩阵表示为
T
{Pc }={p cx p cy p cz }
二、应力
弹性体受到载荷作用后,其内部将产生内力。体内某一点作用于某个截面单位面积上的
内力称为应力(stress ),它反映了内力在截面上的分布密度。
为研究弹性体内某一点的应力,从该点附近切出一个微小六面体,称为微分体,其棱边
分别平行于三个坐标轴,如图8-1所示。
微分体每个表面上的应力可分解为一个正应力和两个剪应力。垂直于表面的应力称为正
应力(normal stress ),用字母σ表示,并附加一下角标,以表示应力的作用面和作用方向。
如 σ表示作用于垂直于x轴的平面上,沿x轴方向的正应力。平行于表面的应力称为剪应力
x
(shear stress ),用字母 τ表示,并加上两个下角标,前一个表示 τ的作用面垂直于哪一个
坐标轴,后一个表示作用方向。例如, τ 是作用在垂直于x轴的平面上且沿着y 轴方向的剪
xy
应力。微分体上的应力如图8-1 (a )所示。
z z
ε
σ z
z
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