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有限元基本理论及工程应用大作业
学 院:机械工程学院
班 级 : 机械(硕)2002班
组 员: 刘成 3112001089
王彬 3112001070
刘亮亮 3112001075
李朝辉 3112001076
熊朋(硕2006)3112058003
1 对一维有限元问题
(1)推导出三点二次单元的形函数,给出相应的图形,并与两点线性单元进行比较;
(2)若用三点二次单元对图示一端固定,弹性模量为E,截面面积为A的等直杆轴向拉压问题进行有限元分析,试给出总体有限元方程。
(3)给出左端点的位移。
L/4
L/4
L3/4
F
3F
解:(1)三点二次单元:
-10
-1
0
1
i
j
m
设:
解得:
所以形函数:
两点线性单元:
(2)对一个单元ij
对于1号单元:
对于2号单元:
组装总体刚度矩阵:
(3)考虑约束条件:=0,
解得:
2、热传导问题的有限元分析。(1)推导对应二维热传导的“能量泛函”(2)用四节点线性形函数表示该“能量泛函”并写出其对应的一般的矩阵形式。
解:(1)二维热传导的能量泛函为:
U
=
推导过程:二维温度场相应的微分方程和边界条件为
?
能量泛函Ue的变分为(对求导后令ε=0
δ
=
通过化简可得到:
δ
泛函取极值的必要条件是δU
-
再有变分法基本预备定理便得,
?
由题意满足边界条件。即能量泛函为U
(2)由题意:四节点等参元的插值函数为
ε
代入温度值T:
T=
其中形状函数为
N
坐标函数:
ξ
x=
通过坐标变换
令 A=?T
XC=?x?
YC=?y?
将他们代入泛函Ge
G
Ge
?G
写成矩阵的形式
?
其中kkij
同理可以得到
?
其中zzij=
因为?
所以?
令[KK]
可得:?
其中[KK]4
3. 使用四节点四边形单元的形函数推导热传导问题的单元刚度矩阵。
四结点等参数单元的插值函数为,采用它作为温度插值函数并代入温度值T,得到
形函数为
(i=1~4)
假设局部坐标系下的单元形状、结点排列和边的定义如下图所示,节点坐标为1:(-1,-1),2:(1,-1),3:(1,1),4:(-1,1)。
因此坐标函数为
(3-1)
(3-2)
根据
得到
令,,,
则
得到
(3-3)
ds与或之间的变换为
当ds在2号、4号边时,=常数,=0,则;当ds在1号,3号边时,=常数,=0,则。
为便于推导,写成统一的格式为:
(3-4)
令
其中为单元内任一点处的温度值,(i=1,2,3,4)为结点处的温度值。
由式(3-2),有
,
,
将它们代入能量泛函式,经过坐标变换,有
(3-5)
为方便后面求泛函极值,这里先写出对温度的偏导数:
将上式按i=1,2,3,4展开,并写成矩阵形式,有
式中包含的XC,XA,YC,YA,,均与温度T无关,只是的函数,而A和B则是结点温度,,,的函数。
又由于
所以
i=1,2,3,4;j=1,2,3,4
类似的,可以得到
i=1,2,3,4;j=1,2,3,4
回到温度泛函式,对温度求导,有
令
则
其中,
即为单刚阵最后形式。
4、在总体坐标系中有一个任意三角形,设三个节点的坐标分别为:
节点1:(x1, y1)
节点2:(x2, y2)
节点3:(x3, y3)
(1)试推导其总体坐标系中的形函数。
(2)证明(1)给出的形函数与用面积坐标表达的形函数等价。
解:
(1)如图为总体坐标系中的任意三角形单元。节点编号是1、
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