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2D四杆桁架结构的有限元分析实例
实例:2D四杆桁架结构的有限元分析
学习有限元方法的一个最佳途径,就是在充分掌握基本概念的基础上亲自编写有限元分析程序,这就需要一个良好的编程环境或平台。MATLAB软件就是这样一个平台,它以功能强大、编程逻辑直观、使用方便见长。将提供有限元分析中主要单元完整的MATLAB程序,并给出详细的说明。
1D杆单元的有限元分析程序(Bar1D2Node)
最简单的线性杆单元的程序应该包括单元刚度矩阵、单元组装、单元应力等几个基本计算程序。下面给出编写的线性杆单元的四个MATLAB函数。
Bar1D2Node _Stiffness(E,A,L)
该函数计算单元的刚度矩阵,输入弹性模量E,横截面积A和长度L,输出单元刚度矩阵k(2×2)。
Bar1D2Node _Assembly(KK,k,i,j)
该函数进行单元刚度矩阵的组装,输入单元刚度矩阵k,单元的节点编号i、j,输出整体刚度矩阵KK。
Bar1D2Node _Stress(k,u,A)
该函数计算单元的应力,输入单元刚度矩阵k、单元的位移列阵u(2×1)以及横截面积A计算单元应力矢量,输出单元应力stress。
Bar1D2Node_Force(k,u)
该函数计算单元节点力矢量,输入单元刚度矩阵k和单元的位移列阵u(2×1),输出2×1的单元节点力矢量forces。
基于1D杆单元的有限元分析的基本公式,写出具体实现以上每个函数的MATLAB程序如下。
%%%%%%%%%%% Bar1D2Node %% begin %%%%%%%%%
function k=Bar1D2Node_Stiffness(E, A, L)
%该函数计算单元的刚度矩阵
%输入弹性模量E,横截面积A和长度L
%输出单元刚度矩阵k(2×2)
%---------------------------------------
k=[E*A/L -E*A/L; -E*A/L E*A/L];
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
function z=Bar1D2Node_Assembly(KK,k,i,j)
%该函数进行单元刚度矩阵的组装
%输入单元刚度矩阵k,单元的节点编号i、j
%输出整体刚度矩阵KK
%-----------------------------------
DOF(1)=i;
DOF(2)=j;
for n1=1:2
for n2=1:2
KK(DOF(n1), DOF(n2))= KK(DOF(n1), DOF(n2))+k(n1, n2);
end
end
z=KK;
%------------------------------------------------------------
function stress=Bar1D2Node_Stress(k, u, A)
%该函数计算单元的应力
%输入单元刚度矩阵k, 单元的位移列阵u(2×1)
%输入横截面积A计算单元应力矢量
%输出单元应力stress
%-----------------------------------
stress=k*u/A;
%-----------------------------------------------------------
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
function forces=Bar1D2Node_Force(k, u)
%该函数计算单元节点力矢量
%输入单元刚度矩阵k和单元的位移列阵u(2×1)
%输出2×1的单元节点力分量forces
%-----------------------------------------
forces=k*u;
%%%%%%%%%%% Bar1D2Node %% end %%%%%%%%%
【四杆桁架结构的有限元分析数学推导】
如图所示的结构,各杆的弹性模量和横截面积都为E=29.54×10N/mm2, A=100mm 2,试求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。
图 四杆桁架结构
解答:对该问题进行有限元分析的过程如下。
(1) 结构的离散化与编号
对该结构进行自然离散,节点编号和单元编号如图所示,有关节点和单元的信息见表1表3。
表1 节点及坐标表2 单元编号及对应节点表3 各单元的长度及轴线方向余弦
节点 x y 单元 节点 节点2 单元 l xn yn 1 0 0 ① 1 2 ① 400 1 0 2 400 0 ② 3 2 ② 300 0 -1 3 400 300 ③ 1 3 ③ 500 0.
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