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有限元分析平面问题有限单元法.ppt

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第一页,共二十七页,2022年,8月28日 内容 Chp.4 平面问题的有限元法 1 4.1 连续体的离散化 4.2 常应变三角形单元 4.3 形函数的性质 4.4 刚度矩阵 要求 理解:连续体有限元分片插值的含义 有限元分析中的几个常用概念,包括: 形函数,应变矩阵,应力矩阵,刚度矩阵等 掌握:常应变三角形单元分析流程 课后作业 推导常应变三角形单元各矩阵 有限元分析——4-1,2,3,4 第二页,共二十七页,2022年,8月28日 回顾 刚架有限元分析的基本流程 整体 离散 梁单元分析 单元 组装 整体解算 刚架结构 结构整体刚度方程 P P 1 4 3 2 1 2 3 4 5 6 e i j Tj mj qj Ti mi qi O’ 单元内力 e i j △j fj △i fi y’ x’ O’ 单元变形 单元刚度方程 材料力学 第三页,共二十七页,2022年,8月28日 离散化方法 节点:i,j 单元编号 e P P 1 4 3 2 1 2 3 4 5 6 单元(element): 节点(node): 1, 2, 3, 4 4 1 2 3 4 5 6 e i j 其中:e = 1, 2, 3, 4, 5, 6 ; i ,j = 1, 2, 3, 4 回顾 天然划分出各梁单元 第四页,共二十七页,2022年,8月28日 梁单元分析 由材料力学得: 单元节点力与单元节点位移之间的关系 局部坐标系单元受力 e i j Tj mj qj Ti mi qi O’ 局部坐标系单元变形 e i j △j fj △i fi y’ x’ O’ 回顾 第五页,共二十七页,2022年,8月28日 总体刚度矩阵的组装 P P 1 4 3 2 1 2 3 4 5 6 组装原理: 位移协调条件 节点平衡条件 位移协调条件:各单元共享节点的位移相等 节点平衡条件:各节点单元内力与节点外力构成平衡力系 回顾 最终数学模型: 第六页,共二十七页,2022年,8月28日 基本概念 回顾 单元(element) 节点 (node) 单元节点位移 (node displacement) 单元节点内力 (node force) 单元刚度矩阵 (element stiffness matrix) 整体刚度矩阵组装原理 总体刚度矩阵,载荷向量,刚度方程 第七页,共二十七页,2022年,8月28日 新问题:连续体的有限元分析 如何离散化? 如何单元分析? 如何组装单元? 第八页,共二十七页,2022年,8月28日 一、连续体的离散化 人工节点 逼近性离散 节点位置,单元形状、大小都会影响对原始结构的逼近描述 平面问题: 三角形、矩形、任意四边形… 空间问题: 四面体、正方体、任意六面体… 第九页,共二十七页,2022年,8月28日 单元分析的理论基础: 二、平面问题三角形单元分析 建立三角形单元节点力与单元节点位移之间的关系 单元分析的目的: 弹性力学基本理论 vm um vj vi ui i (xi , yi) j (xj , yj) m (xm , ym) e uj y x o Fym Fxm Fyj Fyi Fxi i (xi , yi) j (xj , yj) m (xm , ym) e Fxj y x o 单元节点位移 单元等效节点力 (基本变量,基本方程,边界条件) ~ ? 第十页,共二十七页,2022年,8月28日 二、平面问题三角形单元分析 平面问题弹性力学基本理论回顾: 基本变量 几何方程 平衡方程 物理方程 平面应力问题 平面应力问题 第十一页,共二十七页,2022年,8月28日 单元变形分析(位移) 问题:平面三角形问题中仍包含无穷多内部连续点,如何用节点位移表征内部连续位移? 二、平面问题三角形单元分析 解决思路:插值,即用节点位移插值近似其它点的位移。 vm um vj vi ui i (xi , yi) j (xj , yj) m (xm , ym) e uj y x o 如何插值? 多项式中包含的项数越多,就越接近实际的位移分布,越精确。但选取多少项数,要受单元型式的限制。 第十二页,共二十七页,2022年,8月28日 二、平面问题三角形单元分析 单元变形分析(位移) vm um vj vi ui i (xi , yi) j (xj , yj)

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