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有限元法理论及应用大作业
试简要阐述有限元理论分析的基本步骤主要有哪些?
答:有限元分析的主要步骤主要有:
(1)结构的离散化,即单元的划分;
(2)单元分析,包括选择位移模式、根据几何方程建立应变与位移的关系、根据虚功原理建立节点力与节点位移的关系,最后得到单元刚度方程;
(3)等效节点载荷计算;
(4)整体分析,建立整体刚度方程;
(5)引入约束,求解整体平衡方程。
2、有限元网格划分的基本原则是什么?指出图示网格划分中不合理的地方。
题2图
答:一般选用三角形或四边形单元,在满足一定精度情况,尽可能少一些单元。
有限元划分网格的基本原则:
拓扑正确性原则。即单元间是靠单元顶点、或单元边、或单元面连接
几何保持原则。即网络划分后,单元的集合为原结构近似
特性一致原则。即材料相同,厚度相同
单元形状优良原则。单元边、角相差尽可能小
密度可控原则。即在保证一定精度的前提下,网格尽可能的稀疏一些。
(a)(b)中节点没有有效的连接,且(b)中单元边差相差很大。
(c)中没有考虑对称性,单元边差很大。
3、分别指出图示平面结构划分为什么单元?有多少个节点?多少个自由度?
题3图
答:(a)划分为杆单元,8个节点,12个自由度。
(b)划分为平面梁单元,8个节点,15个自由度。
(c)平面四节点四边形单元,8个节点,13个自由度。
(d)平面三角形单元,29个节点,38个自由度。
4、什么是等参数单元?。
答:如果坐标变换和位移插值采用相同的节点,并且单元的形状变换函数与位移插值的形函数一样,则称这种变换为等参变换,这样的单元称为等参单元。
5、在平面三节点三角形单元中,能否选取如下的位移模式,为什么?
(1).(2).
答:(1)不能,因为位移函数要满足几何各向同性,即单元的位移分布不应与人为选取的坐标方位有关,即位移函数中的坐标x,y应该是能够互换的。所以位移多项式应按巴斯卡三角形来选择。
(2)不能,位移函数应该包括常数项和一次项。
6、设位移为线性变化,将图示各单元边上的载荷等效到相应的节点上去。
(1)集中力F平行于x轴,e点到i、j点的距离分别为lie,lje;
(2)边长为lij的ij边上有线性分布载荷,最大值为q。
题6图
答:(1)
(2)i,j两节点受到的力分别为,
7、图示三角形ijm为等边三角形单元,边长为l,单位面积材料密度位ρ,集中力F垂直作用于mj边的中点,集度为q的均布载荷垂直作用于im边。写出三角形单元的节点载荷向量。
题7图题8图
答:将q移置到m,i节点:
将F移置到m,j两节点:
将重力移置到i,j,m点:
叠加后得:
8、如图所示为线性位移函数的三角形单元,若已知i、j两个节点的位移为零,试证明ij边上任意一点的位移都为零。
证:设ij边上任一点坐标为x,y,则其位移为:
∵i、j点位移为0
∴所以ui,vi,uj,vj均为0
要证{δ}=0,只需证Nm=0
∵Nm=(am+bmx+cmy)/2A,am=xiyj-xjyi,bm=yi-yj,cm=xj-xi
∴Nm=[xiyj-xjyi+(yi-yj)x+(xj-xi)y]/2A=[xyi-yxi]/2A
∵该点为ij边上任一点
∴yi/xi=y/x
∴Nm=0
9、已知图示的三角形单元,其jm边和mi边边长均为a,单元厚度为t,弹性模量为E,泊松比为μ=0,试求:
(1)行函数矩阵N;
(2)应变矩阵B;
(3)应力矩阵S;
(4)单元刚度矩阵K。
解:令m点为坐标原点,则m点坐标为(0,0),j点坐标为(0,a),i点坐标为(a,0)
,,
,,;
,,.
,,
题9图题10图
10、如图所示,设桁架杆的长度为l,截面积为A,材料弹性模量为E,单元的位移函数为u(x)=α1+α2x,导出其单元刚度矩阵。
答::1点: x=0 u=u1
2点: x=l u=u2
[K]e=∫∫V[B]T[D][B]dv
[D]-----为弹性矩阵(对于一维问题,为E)
11、如图为一悬臂梁,其厚度为1m,长度为2m,高度为1m,弹性模量为E,泊松比为μ=1/3,在自由端面上作用有均匀载荷,合力为F,若用图示两个三角形单元进行有限元分析,试计算各个节点的位移;若将悬臂梁离散为四个平面三角
解:离散为两个单元求各节点位移,假设t很小,则该问题为平面应力问题:
一、单元编号、节点坐标
单
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