当前位置:文档之家› 第五章 有限元分析方法2011

第五章 有限元分析方法2011


作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都 要等效地移到节点上去 即用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。
3)单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原 来的结构重新联接起来,形成整体的有限元方程:
4)引入边界条件,解方程组
将u1=v1=v3=v3=0代入方程,可得
由此可解得结构的节点未知位移,进而求得轴向力 和应力。 根据方程组的特点选择合适的求解方法。
设定梁单元的位移函数为
v( x) a1 a2 x a3 x 2 a4 x 3
式中i为待定系数。
梁单元的自由度为{q}T = [vi zi vj zj]。 上式写成矩阵形式:
a1 a 3 2 x ] [ S ]{a} a3 a4
v( x) [1 x
二、虚功原理法
1.设定位移函数
以平面三角形单 元为例,说明该 方法的步骤。
选择三角形单元内各点的位移函数为: {d(x, y)} = [u(x, y) v(x, y)]T 对三角形单元,可假设单元内各点位移为坐标x,y的线性函数:
u ( x, y ) a1 a2 x a3 y v( x, y ) a4 a5 x a6 y
第5章 有限元分析方法
• • • • 概述 有限元法中单元特性的导出方法 有限元法的解题步骤 有限元法的前后置处理简介
参考书:《有限单元法基本原理和数值方法》清华大学 王勖成 邵敏
5.1 概 述
有限元分析方法
•是一种现代设计计算方法,是随着电子计算机技术的发 展而发展起来的;
•首先应用于飞机结构的静、动态特性分析(连续体力 学分析); •后广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性 问题。
2)单元特性分析
a)选择位移模式
•位移法:选择节点位移作为基本未知量;单元 的一些物理量(位移、应变、应力等) 由节点位移来表示。 •力法:选择节点力作为基本未知量;
•混合法:取一部分节点力和一部分节点位移 作为基本未知量; 位移法易于实现计算自动化,故应用广泛。
单元中位移的分布采用位移函数(能逼近真实函数的近似函数)描述; 通常将位移表示为坐标变量的简单函数。 反映真实的 位移分布
4.由虚功原理求单元的刚度矩阵
根据虚功原理,当结构受载荷作用处于平衡状态时,在任意给 出的节点虚位移下,外力(节点力){F}及内力{}所做的虚功之和 应等于零,即 AF A 0
虚功方程
给单元节点以任意虚位移{ }:
{ } ui

vi u j v j uk vk T
1 1 br bs cr cs br bs cr bs Et 2 2 [ K rs ] 2 1 1 4(1 ) A c b br cs cr cs br bs r s 2 2 ( r i, j , k ; s i, j , k )
u i 1 xi v 0 0 i u j 1 x j q v j 0 0 u k 1 x k v k 0 0 yi 0 yj 0 yk 0 0 1 0 0 0 xi 0 0 0 1 y i 2 0 3 [c] y j 4 0 5 y k 6
三、能量变分原理方法
能量变分方法 1.最小位能原理 弹性体受外力作用产生变形时伴随着产生变形能U和外力能 W,所以系统总位能Π可写成
一种用变分法求能量泛函的极值方法
由于{ }和{ }是位移u,v,w的函数,所以Π是一个函数的函数, 即“泛函”。
其意义为:
在所有满足几何关系和边界条件的多组可能位 移中,只有满足平衡方程式的那组位移 u, v, w 才能使物体的总位能为最小。该组位移 u, v, w
例: |d|=∑aiφi
ai:待定系数
φi:坐标的某种函数
b)分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、 位置及其含义,找出单元节点力节点位移间的关 系式。
需应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力 和位移间的方程式,进而导出单元刚度矩阵。
c)计算等效节点力
有限元分析中,假定力是通过节点从一个单元传递到 另一个单元。 实际情况:力是从单元间的公共边界传递到另一个单 元中去的。
x2
于是
位移函数
从方程组中解出待定系数ai之值,代入位移函数v(x)中去, 即得问题的正确解。
3.位移函数
在有限元法中,一般设定位移函数是多项式
用它近似地描述实际的位移变化规律 式中i是待定系数 对位移函数的要求 从数学意义上看,设定的位移函数至少应具有分片连续的一阶 导数,这样才能使泛函的积分有意义。这是因为泛函含有应变
5.2 有限元法中单元特性的导出方法
单元特性:刚度矩阵、质量矩阵、热矩阵等。 建立刚度矩阵的方法:
1)直接方法 2)能量变分原理方法 3)虚功原理法 4)加权残数法
一、直接方法 直接方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,这种方法仅能用于简单形状的单元。 梁的抗弯刚度 例:
u v u v , y , xy , x y y x
0 ci bi
bj 0 cj
0 cj bj
bk 0 ck
3.根据虎克定律,通过应变求应力
对平面应力问题,有: { } [ D]{ } [ D][ B]{q}
1 E 其中, [ D] 2 1 0 0 1 0 1 0 2
假定一系列边界条件,结合平衡条件即可求出 kij
首先假设:vi=1,θzi=vj=θ zj=0
由梁的变形公式有:
vi=Fyil3/(3EI)- Mzil2/(2EI)=1
θi=Mzil/EI-
Fyil2/(2EI) =0
解得:
Fyi=12EI /l3=k11 Mzi=6EI/l2=k21
由力、力矩的平衡条件:
梁在外载 荷作用下 产生弯曲。 把梁看成是 一个单元, 它具有两个 节点:i 和 j。
单元的节点位移列阵 单元的节点力列阵
挠度和剪力向上为正, 倾角和弯矩逆时针方 向为正方向。
在弹性小位移范围内,梁的节点力和节点位移间的关系可表为 单元的有限元方程 单元刚度矩阵 简写为:
K=[kij]4×4 kij: 单元的j号节点的单位位移对i号节点力的贡献。 单元刚度矩阵是对称的 由功的互等定理有:kij= kji Fyi=k11vi+k12θzi+k13vj+k14θ zj Mzi=k21vi+k22θzi+k23vj+k24θ zj
的值就是问题的正确解答。

V
{ }T ( ) dV {q}T {F }
与虚功原理法的结果一致。
于是,求解直梁的问题即为:在给定的边界条件下解上述微 分方程式,求出v(x)。
上述问题是在给定的边界条件下解微分方程。
对于简单梁问题,这并不困难;但对复杂结构则比较困难,有 时甚至是不可能的。于是,就产生了“泛函变分的近似解法” 。 里兹法就是其中的一种。 里兹法是假设一个线性组合形式的位移函数 y aii
例:托架的变形分析
1.有限元法的概念
单元 边界:单元与单元 的交界线。
节点:单元交界线相 互连接的交点。
有限元概念的由来
2.有限元分析的思路和步骤
1)结构离散(单元剖分)
将工程结构离散为由各种单元组成的计算模型 单元:一维、二维、三维 节点的设置、单元的 性质和数目等视问题 的性质、描述变形形 态的需要和计算的精 度而定。 单元划分越细,描述变形情况越精确(越接近实际变形), 但计算越大。
i 1 n
,
它是一个容许函数,其中的ai是待定系数。然后,把该函 数代入所求问题的泛函II中去,求其变分II。再从极值条 件II=0给出的方程组中解出待定系数ai之值。最后把求得
的值代入 y aii 的函数中去,即得问题的正确解。
i 1
n
例:
采用能量变分原理的有限元法(里兹法)来计算平面直梁问题
y i i
i 1 n
的形式

u v w , , x y z
按式(5.6a)和(5.7)可求得单元内各点将产生的虚位移和虚应变为:
u [ N ]{q} v { } [ B]{q}
则单元节点力所做的虚功
AF ui Fxi vi Fyi u j Fxj v j Fyj uk Fxk vk Fyk
V
{F } [[B ]]T[[D ][ B ]]dV{q} {F } B D ][ B dV {q} V
V
简写为:
{F } [[K ]{q} {F } K ]{q}
T [[K ]] [[B ]]T[[D ][ B ]]dV 其中, K B D ][ B dV
将[B]和[D]代入上式即得平面应力问题三角形单元的刚度矩阵
Fyj=- Fyi
Mzj=Fyil-Mzi 解得: Fyj=-12EI /l3=k31
Mzj=6EI/l2=k41
再假设:θzi=1,vi=vj=θ zj=0 由梁的变形边界条件又可求得:k12、k22、k32、k42 以同样方法还可求得平面弯曲梁单元的刚度矩阵中的其他元素。
平面弯曲梁单元的刚度矩阵为:
1 xj 1 xk
由上式可解得:
[c]1 q
已知
1 xi 0 0 1 x j [c ] 0 0 1 x k 0 0 yi 0 yj 0 yk 0 0 1 0 0 0 xi 0 0 0 yi 0 yj 0 yk
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 xj 1 xk
单元内各点 的位移用节 点位移插值 表示。
相关主题