非线性有限元3.pptx

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非线性有限元3

非线性有限元 第3章 连续介质力学 ;绪论 连续介质力学 (Ch.3) 完全的Lagrangian有限元格式(Ch.4) 更新的Lagrangian有限元格式(Ch.4) 应力率及应力更新(Ch.3、5) 本构关系 (Ch.5) 显式求解方法和稳定性 (Ch.6) 隐式求解方法和稳定性 (Ch.6);第3章 连续介质力学 ;1 引言 ;1 引言 ;2 变形和运动 ;2 变形和运动 ;拉格朗日和欧拉;2 变形和运动 ;2 变形和运动 ; 空间变量 x 和时间 t 的任何函数的材料时间导数可以通过链规则得到;小结: u = displacement u = x ? X x is the current position = (x, y) in 2D X is the reference position = (X, Y ) in 2D x also denotes spatial (Eulerian) coordinates X also denotes material (Lagrangian) coordinate;变形梯度-是运动函数的Jacobian矩阵 ;2 变形和运动 ;2 变形和运动 ;2 变形和运动 ;运动条件;2 变形和运动 ;例3.1;三角形3节点线性位移单元的构形(见附录3) ;将未变形构形中的节点坐标代入上式 ; 在单元中的位移是材料坐标的线性函数,变形梯度仅为时间函数,若给定时间,F 为常数。Jacobian行列式给出为;例3.3;沿着由节点1和2以及节点1和4所定义的边界上位移场为零,运动为 ;例3.4;解:;极分解定理 ;极分解定理证明 ;2 变形和运动 ;2 变形和运动 ;通过极分解定理分别求在t=1.0 和 t=0.5 时的刚体转动R和伸长张量U ;在三角形面积坐标的形式下,运动描述为 ;转动矩阵R ;3 应变度量;一个单元绕着原点转动了θ角。计算线性应变 ;3 应变度量; 线性分析的适用性则在于能够容许误差的量级,最终取决于感兴趣的应变的大小。如果感兴趣的应变量级是10-2,那么1%的误差是能够接受的(几乎总是这样)。如果感兴趣的应变更小,可接受的转动更小,对于10-4量级的应变,为满足1%的误差,转动必须是10-3 弧度量级的。 这些指导数据假设平衡解答是稳定的,即不可能发生屈曲。然而,即使是在很小的应变下,屈曲是可能的,所以当可能发生屈曲时,应该使用能适合应付大变形的度量。 ;3 应变度量;3 应变度量;3 应变度量;例子:;第二个运动度量D,称为速度应变, 是变形的率度量, 定义速度梯度 ;没有变形,转动张量和角速度张量相等:W=Ω。 由速度梯度定义,在刚体运动中变形率D=0,所以L=W ???积分;从共轴旋转坐标系理解变形过程 当发生有限剪切变形时,转动张量与角速度张量有较大差别;证明在刚体运动中变形率D=0;3 应变度量;3 应变度量;注意:;它的主值是在矩阵U的主方向上线段的伸长,矩阵U与应变联系得非常紧密。 (U为客观张量,其优势在于建立本构方程) 张量U-I 称为Biot应变张量 lnU 称为Hencky 应变 λ-1称为工程应变; ;小结:;例3.5 拉伸和转动联合作用下的应变度量 ;得到Green应变张量;为了确定变形率的时间历史,计算变形梯度的时间导数和逆 ; 一个单元经历了图示的变形阶段。在这些阶段之间的运动是时间的线性函数。计算每一阶段的变形率张量D,对于回到未变形构形的整个变形循环,获得变形率的时间积分。 ;得到速度梯度和变形率为 ;例3.7 计算变形率的时间积分 ;例3.7 计算变形率的时间积分 ;例3.7补证:计算Green应变率的时间积分;由此证明:Green应变率在任何闭合循环上的积分等于零。换句话说,Green应变率的积分是路径无关的。;4 应力度量;4 应力度量;4 应力度量;4 应力度量; 在物体中的每个点都构造了一个坐标系。这个坐标系随着材料或单元一起转动。通过将这些张量表达在一个随材料而转动的坐标系中,很容易处理结构单元和各向异性材料,如复合材料。 ;4 应力度量;旋转Cauchy应力和旋转变形率定义为;4 应力度量;例3.8 平面问题 ;因为应力是嵌入在材料中,在转动t=π/2ω构形中的应力状态为;5 应力率及框架不变性;客观率 ;客观率 ;客观率 ;通过应力张量的客观率可以解释材料的转动;称为框架不变率。 考虑两种客观率: Jaumann率, Green-Naghdi率。 框架不变性的核心是应力的(变化)材料导数不受刚体位移的影响。 所有这些都应用于当前的有限元软件中,如ABAQUS。还有许多其它的客观率将在后面讨论。;Cauchy应力的Jau

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