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第5章-有限元法1.ppt

发布:2019-01-18约7.1千字共53页下载文档
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第5章 有限元法(1) 5.1 概述 2. 虚功原理法 利用静力平衡条件,可得 由式(5-3a)解得   剩余三种情况,仿此可推出。最后可以得到平面弯曲梁元的单元刚度矩阵为 这样,便求得式(5-3a)单元刚度矩阵中前三列刚度系数。 可以看出, [K](e)为对称矩阵。 (5-4)   下面以平面问题中的三角形单元为例,说明利用虚功原理法来建立单元刚度矩阵的步骤。   如前所述,将一个连续的弹性体分割为一定形状和数量的单元,从而使连续体转换为有限个单元组成的组合体。单元与单元之间仅通过节点连结,除此之外再无其他连结。也就是说,一个单元上的只能通过节点传递到相邻单元。   从分析对象的组合体中任取一个三角形单元:   设其编号为 e ,   三个节点的编号为i、j、m, 在定义的坐标系 xoy 中,节点坐 标分别为(x j , y j)、(xi , y i)、(xm, ym),如图5-6所示。 图5-6 三节点三角形单元   由弹性力学平面问题的特点可知,单元每个节点有两个位移分 量,即每个单元有6个自由度,相应有6个节点载荷,写成矩阵形式, 即 单元节点载荷矩阵: 单元节点位移矩阵: 图5-6 三节点三角形单元 (1)设定位移函数 按照有限元法的基本思想:首先需设定一种函数来近似表达单元内部的实际位移分布,称为位移函数,或位移模式。 三节点三角形单元有6个自由度,可以确定 6个待定系数,故三角形单元的位移函数为 (5-5) 式(5-5)为线性多项式,称为线性位移函数,相应的单元称为线性单元。 上式(5-5)也可用矩阵形式表示,即 式中,{d}为单元内任意点的位移列阵。 (5-6)   由于节点 i、j、m 在单元上,它们的位移自然也就满足位移函数式(5-5)。   设三个节点的位移值分别为( ui, vi)、( uj, vj )、( um, vm ),将节 点位移和节点坐标代入式(5-5),得 (5-7) 式中 (5-8)   由上可知,共有6个方程,可以求出6个待定系数。解方程,求得 各待定系数和节点位移之间的表达式为 为三角形单元的面积。其中: (5-9) 将式(5-7)及式(5-8)、式(5-9)代入式(5-6)中,得到 式中,矩阵[N] 称为单元的形函数矩阵; 为单元节点位移列阵。 其中, 为单元的形函数,它们反映单元内位移的 分布形态,是x, y 坐标的连续函数,且有 (5-12) 式(5-10)又可以写成 (5-13) 上式清楚地表示了单元内任意点位移可由节点位移插值求出。 (2) 利用几何方程由位移函数求应变   根据弹性力学的几何方程 ,   线应变       剪切应变   则应变列阵可以写成 式中,[B]称为单元应变矩阵,它是仅与单元几何尺寸有关的常量矩阵,即 (5-14) (5-15) 上述方程(5-14)称为单元应变方程,它的意义在于: 单元内任意点的应变分量亦可用基本未知量即节点位移分量来表示。 (3)利用广义虎克定律求出单元应力方程 根据广义虎克定律,对于平面应力问题 上式(5-16)也可写成 (5-16) (5-17) 式中, 为应力列阵; [D] 称为弹性力学平面问题的弹性矩阵,并有 则有如下单元应力方程 由式(5-19)可求单元内任意点的应力分量,它也可用基本未知量即 节点位移分量来表示。 (5-18) (5-19) (4)由虚功原理求单元刚度矩阵   根据虚功原理,当弹性结构受到外载荷作用处于平衡状态时, 在任意给出的微小的虚位移上,外力在虚位移上所做的虚功 AF等 于结构内应力在虚应变上所存储的虚变形势能 A? ,即   设处于平衡状态的弹性结构内任一单元发生一个微小的虚位移, 则单元各节点的虚位移 为 (5-21) (5-22) (5-20) 则单元内部必定产生相应的虚应变,故单元内任一点的虚应变 为 显然,虚应变和虚位移之间关系为 设节点力为 则外力虚功为 (5-25) (5-23) (5-24) 单元内的虚变形势能为 * Ⅴ Finite Element Method (FEM) 第5章 有限元法 内容简介  
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