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2011-第6章 有限元法-1介绍
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称为单元的节点力列阵;若 {F} 为外载荷,则称为载荷列阵。
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显然,梁的节点力和节点位移是有联系的。在弹性小变形范围 内,这种关系是线性的,可用下式表示
Fxi k11 F yi k21 M zi k31 F xj k41 Fyj k51 k61 M zj k12 k13 k14 k15 k16 ui v k22 k23 k24 k25 k26 i k32 k33 k34 k35 k36 zi u k42 k43 k44 k45 k46 j k52 k53 k54 k55 k56 v j k62 k63 k64 k65 k66 zj
5. 有限元方程求解
通过求解整体平衡方程,即可求得各节点的位移, 进而根据位移可计算单元的应力及应变。
6. 结果分析与讨论
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有限元法的三种基本解法
应用有限元法求解机械结构应力类问题时,根据未知量和分析 方法的不同,有三种基本解法:
位移法 力法 混合法
(1)位移法
此法是以节点位移作为基本未知量,通过选择适当的位移函数, 进行单元的力学特性分析。在节点处建立单元刚度方程,再组合成整 体刚度矩阵,求解出节点位移后,进而由节点位移求解出应力。 位移法优点是比较简单,规律性强,易于编写计算机程序。所以 得到广泛应用,其缺点是精度稍低。
图6-14
平面简支梁元及其计算模型
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由上图可见: 梁在横向外载荷(可以是集中力或分布力或力矩等)作用下产 生弯曲变形,在水平载荷作用下产生线位移。
对于该平面简支梁问题: 梁上任一点受有三个力的作用: 水平力Fx, 剪切力Fy , 和弯矩Mz。 相应的位移为: 水平线位移u, 挠度v , 和转角 z 。
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有限元法的基本思想及应用 平面问题有限元分析原理及步骤 有限元分析的前后处理 有限元法的设计应用及计算实例
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6.1 概述
在工程分析和科学研究中,常常会遇到大量的由常微分方程、偏 微分方程及相应的边界条件描述的场问题,如位移场、应力场和温度 场等问题。目前求解这类场问题的方法主要有两种: 用解析法求得精确解; ● 用数值解法求其近似解。
根据所选定的位移模式,就可以导出用节点位移来表示单元体 内任一点位移的关系式。
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(2) 分析单元的特性,建立单元刚度矩阵 进行单元力学特性分析,将作用在单元上的所有力(表面 力、体积力、集中力)等效地移置为节点载荷; 采用有关的力学原理建立单元的平衡方程,求得单元内节 点位移与节点力之间的关系矩阵 单元刚度矩阵。
与单元之间联接除了节点之外 再无任何关联。但是这种联接 要满足变形协调条件,即不能出现裂缝,也不允许发生重叠。
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离散化的基本思想
4. 单元之间只能通过节点来传递内力。通过节点来传递的内力称 为节点力,作用在节点上的荷载称为节点荷载。当连续体受到外力作 用发生变形时,组成它的各个单元也将发生变形,因而各个节点要产 生不同程度的位移,这种位移称 为节点位移。
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有限元法的分析过程可概括如下:
● 连续体离散化 ● 单元分析 ● 整体分析 ●
确定约束条件
● 有限元方程求解
● 结果分析与讨论
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1. 连续体离散化
连续体:是指所求解的对象(如物体或结构)。 离散化(划分网格或网络化):是将所求解的对象划分为有限 个具有规则形状的微小块体,把每个微小块体称为单元,相邻两个 单元之间只通过若干点互相连接,每个连接点称为节点。 相邻单元只在节点处连接,载荷也只通过节点在各单元之间传 递,这些有限个单元的集合体,即原来的连续体。 单元划分后,给每个单元及节点进行编号; 选定坐标系,计算各个节点坐标;
6.2.1 单元划分方法及原则
连续体离散化时,要根据设计对象的具体情况(结构物的形状、 载荷特性、边界条件等),确定单元(网格)的大小和形状、单元 的数目以及划分方案。 图6-12所示为杆状单元。可有一维、二维和三维梁单元。
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图6-12
杆状单元
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常用的平面单元和多面体单元
图6-13 平面单元和多面体单元
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“ 有限元法 ” 的基本思想早在20世纪40年代初期就有人提出, 但真正用于工程中则是电子计算机出现以后。
“ 有限元法 ” 这一名称是1960年美国的克拉夫(Clough, R.W.)在一篇题为 “平面应力分析的有限元法” 论文中首先使用。 此后,有限元法的应用得到蓬勃发展。
到20世纪80年代初期国际上较大型的结构分析有限元通用程序多 达几百种,从而为工程应用提供了方便条件。由于有限元通用程序 使用方便,计算精度高,其计算结果已成为各类工业产品设计和性 能分析的可靠依据。
确定各个单元的形态和性态参数以及边界条件等。
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实例1——悬臂梁的离散化
图6-1
悬臂梁及其有限元模型
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离散化的基本思想
1. 有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所 组成的组合体,简称离散化。 2. 这些单元仅在顶角处相互联接,称这些联接点为节点。
3. 离散化的组合体与真实弹性体的区别在于:组合体中单元
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单元的划分基本上是任意的,一个结构体可以有多种划分结果。 但应遵循以下划分原则: (1) 分析清楚所讨论对象的性质,例如,是桁架结构还是结构物, 是平面问题还是空间问题等等。 (2) 单元的几何形状取决于结构特点和受力情况,单元的几何尺 寸(大小)要按照要求确定。一般来说,单元几何形体各边的长度比不 能相差太大。 (3) 有限元模型的网格划分越密,其计算结果越精确,但计算工 作量就越大。 因此,在保证计算精度的前提下,单元网格数量应尽量少。
有限元法不仅可以解决工程中的线性问题、非线性问题,而且对 于各种不同性质的固体材料,如各向同性和各向异性材料,粘弹性 和粘塑性材料以及流体均能求解;
对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能求解。
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到20世纪80年代初期,国际上已开发出了多种用于结构分析的有 限元通用程序,其中著名的有NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、 SAP等。 表5-1列出了几种国际上流行的商用有限元程序的应用范围。
3. 整体分析
把各个单元的刚度矩阵集成为总体刚度矩阵,以及将各单 元的节点力向量集成总的力向量,求得整体平衡方程。 集成过程所依据的原理是节点变形协调条件和平衡条件。 节点变形协调条件: 就是说不破坏介质的连续性, 即变形后不撕裂不重叠。
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4. 确定约束条件
由上述所形成的整体平衡方程是一组线问题的边界约束条 件,并对这些方程进行适当修正。
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1. 直接刚度法
直接刚度法是直接应用物理概念来建立单元的有限元方程和分析 单元特性的一种方法。这一方法仅能适用于简单形状的单元,如梁 单元。但它可以帮助理解有限元法的物理概念。 图6-14所示是xoy平面中的一简支梁简图,现以它为例,来说明 用直接刚度法建立单元刚度矩阵的思想和过程。
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(2)力法
该法是以节点力作为基本未知量,在节点处建立位移连续方 程,求解出节点力后,再求解节点位移和单元应力。 力法的特点是计算精度高。
(3)混合法
此法是取一部分节点位移和一部分节点力作为基本未知量,建 立平衡方程进行求解。
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有限元法最初用于飞机结构的强度设计,由于它在理论上的通用 性,因而它可用于解决工程中的许多问题。 目前,它可以解决几乎所有的连续介质和场的问题,包括热传导、 电磁场、流体动力学、地质力学、原子工程和生物医学等方面的问 题。 机械设计中,从齿轮、轴、轴承等通用零部件到机床、汽车、飞 机等复杂结构的应力和变形分析(包括热应力和热变形分析)。
Fxi , Fyi , M zi , Fxj , Fyj , M zj
写成矩阵形式为
q
(e)
ui , vi , zi , u j , v j , zj
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称为单元的节点位移列阵。
F
(e)
Fxi , Fyi , M zi , Fxj , Fyj , M zj
●
其中, 能用解析法求出精确解的只能是方程性质比较简单且几何 边界相当规则的少数问题。 而对于绝大多数问题,则很少能得出解析解。这就需要研究它的 数值解法,以求出近似解。
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目前,工程中实用的数值解法主要有三种:
有限差分法 有限元法 边界元法
其中,以有限元法通用性最好,解题效率高,工程应用最广。 目前它已成为机械产品动、静、热特性分析的重要手段,它的程 序包是机械产品计算机辅助设计方法库中不可缺少的内容之一。
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几种有限元程序及其应用范围
程序名 应用 范围
ADINA √
ANSYS √
ASKA √
MARC √
NASTRAN √
SAP
非线性分析
塑性分析
断裂力学 热应力与蠕变 厚板厚壳
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