弹性力学和有限元剖析第四章 平面问题有限元剖析及程序的设计.ppt

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上式也可以写成: 形函数的性质: (i, j, m) 、 、 表明了单元的位移形态(位移在单元的变化规律) —称为形态函数,简称形函数 、 、 是坐标 (x 、y ) 的线性函数; 1 1/2 1/3 (i, j, m) §4.2 单元位移模式 位移函数: 由于 、 、 是坐标 (x 、y ) 的线性函数, 因此, u、v 也是 、 的线性函数。 §4.2 单元位移模式 因此, u、v 在坐标空间应该为一平面。 位移写成向量形式: 称为形函数矩阵。 §4.2 单元位移模式 有限元分析中,应力转换矩阵、刚度矩阵都是依赖于位移模式建立起来的,因此,位移模式必须能够反映弹性体的真实位移形态,才能得到正确的解答。 位移模式需要满足的条件: (1)位移模式必须能够反映单元的刚体位移; (2)位移模式必须能够反映单元的常应变; (3)位移模式尽可能反映位移的连续性; 必要条件 充分条件 刚体平动 刚体转动 作业: P141 6-1 §4.2 单元位移模式 单元应变 §4.3 平面问题的单元分析 §4.3.1 单元的应变向量 由几何方程求。 §4.3 平面问题的单元分析 §4.3.1 单元的应变向量 可以简写为: 其中: 是单元的应变矩阵,且: 所以: (i, j, m) 常量 因此,单元应变是常数。 所以,三角形单元又称为常应变单元。 §4.3 平面问题的单元分析 §4.3.2 单元的应力向量 单元应力 由物理方程求。 其中: 其中: 是单元的应力矩阵,且: 平面应力: 平面应变: (i, j, m) 常量 因此,应力也与坐标无关,所以单元应力是常数。 §4.3 平面问题的单元分析 单元性质分析 位移 是x、y的线性函数; 误差是△ x、 △ y的二阶小量; 应变 应力 常量; 相邻单元连续 相邻单元不连续 误差是△ x、 △ y的一阶小量; 提高精度方法: 1)减小单元尺寸; 2)采用高次位移函数,提高位移、应变和应力的精度; 收敛速度和精度估计 若单元的插值函数是完备而协调的,当单元尺寸不断缩小而趋于零时,有限元解将趋于真正解。 在有些情况下,如果用于有限元场函数近似解的多项式能精确地拟合真正解,则在有限数目的单元划分(甚至仅仅是一个单元)的条件下,也能得到精确的解答。例如真正解是二次函数,若有限元的插值函数也包含了二次的完全多项式,则有限元解就能得到精确的解答。由此我们可以得到精度与单元尺寸的关系。例如位移可以展开成Taylor级数: 这只是形式上的精度估计,并不能对有限元解的误差做出具体的估计。而后者在 实际分析工作中更有用。一般可以通过两种途径解决: 单元结点力 §4.3 平面问题的单元分析 §4.3.3 单元的 刚度矩阵 单元结点位移 单元应力向量: 给定一个虚位移: 单元虚应变: i (xi, yi) x y j (xj, yj) m (xm, ym) 虚功原理:内力虚功等于外力虚功 §4.3 平面问题的单元分析 §4.3.3 单元的 刚度矩阵 t 为单元厚度 由于虚位移是任意给定的可能位移,故: 其中, 是单元的刚度矩阵 (6 × 6); §4.3 平面问题的单元分析 单元的刚度矩阵为: 写成分块矩阵: 其中: 平面应力: 平面应变: 写成元素矩阵: §4.3 平面问题的单元分析 单元刚度矩阵的特点: 1) 对称性: 2) 与单元尺寸无关,放大或缩小尺寸,单元刚度矩阵不变; 3)奇异性:它不存在逆阵 4)主元(对角线元素)恒正 §4.3 平面问题的单元分析 单元①的刚度矩阵为: 单元②的刚度矩阵为: 作用在单元上的荷载,既有结点荷载,也有非结点荷载,因此需要将非结点荷载转换成等效的结点荷载。 §4.3.4 等效结点荷载 等效结点荷载和原荷载在任何虚位移产生的虚功相等; 刚体: 等效原则: §4.3 平面问题的单元分析 结点荷载: 非结点荷载: 直接集成到荷载列向量; 等效成结点荷载; 原荷载与等效结点荷载在任一轴上的投影之和相等,对任一轴的力矩之和也相等。 等效结点荷载向量: 静力等效 §4.3 平面问题的单元分析 1)体积力的等效结点荷载 单元结点为 i, j, m,密度为 ρ ,任意一点的体积力向量为: 假设单元各结点发生虚位移: 则单元内任意一点的虚位移为: 根据虚功原理: §4.3 平面问题的单元分析 1)体积力的等效结点荷载 因此,则有: 一般情况下,重力与y轴 方向相反: 因此,则有: 结论:三个结点各承担 总荷载的三分之一。 §4.3

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