有限单元法平面问题例题ppt课件.ppt

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1、平面有限元解法n设有对角受压的正方形薄板（如上图所示），载荷沿厚度均匀分布，为2N/m。试对该结构进行整体分析，建立整体刚度矩阵和整体结点载荷列阵，建立整体结点方程组，通过编程求解出结点的位移，并从而求出各单元的应力。（为简单起见，取板的厚度t= 1 , 弹性常数E =1,泊松比0）n右图为取1/4模型，离散后，单元、结点、荷载和约束的简图。1 简化力学模型、选取单元类型 结构及荷载沿双轴对称，选取1/4结构结构。 图所示为平面应力问题，平面应力单元类型中，3结点三角形单元2 结构离散，单元编号、结点编号n将对象划分成4个单元，共有6个结点，单元和结点上均编上号码，其中结点的整体编码1至6，以

2、及个单元的结点局部编码i,j,m,均示于上图中。单元号局部编码整体编码i3526j1253m2435n3.1 结点位移列阵、荷载列阵3 单元分析（对逐个单元进行分析。以单元1为例）n3.2 位移函数3 单元分析n3.3 讨论位移函数的收敛性n （1）完备性n （2）协调性3 单元分析n3.4 推导形函数（只需分析1个单元，其余可直接用公式计算） 代入结点坐标和位移3 单元分析 常数3 单元分析 设3 单元分析 得到3 单元分析3 单元分析3 单元分析得到内部任意一点位移和结点位移的关系式3 单元分析得到内部任意一点位移和结点位移的关系式3 单元分析得到形函数矩阵3 单元分析3.5 推导内部任意

3、一点应变和结点位移的转换关系3 单元分析3 单元分析3 单元分析3 单元分析3.6 推导内部任意一点应力和结点位移的转换关系平面应力的弹性矩阵为3 单元分析把D、B矩阵代入公式即可应力转换矩阵S3 单元分析3.7 得到单元刚度矩阵 把B和D矩阵代入对3结点三角形，可以简化为3 单元分析3.8 单元等效荷载计算 4 组成整体刚度矩阵n暂时不考虑位移边界条件，把所分析结构的整体结点平衡方程组列出：111213141516112122232425262231323334353633414243444546445152535455565561626364656666KKKKKKuFKKKKKKuFKK

4、KKKKuFKKKKKKuFKKKKKKuFKKKKKKuFn整体刚度矩阵写成66的矩阵，它的每个子块是22的矩阵，实际它是一个1212的矩阵。如K23，它的四个元素表示当结构的结点3沿x或y方向有单位位移时，在结点2的x方向或y方向引起的结点力。4 组成整体刚度矩阵n整体刚度矩阵写成66的矩阵，它的每个子块是22的矩阵，实际它是一个1212的矩阵。如K23，它的四个元素表示当结构的结点3沿x或y方向有单位位移时，在结点2的x方向或y方向引起的结点力。4 整体刚度矩阵续n由于于结点3和结点2在结构中是通过和这两个单元相联系，因而K23应是单元 的k23和单元 的k23之和。同理，可以找到各单元

5、刚度矩阵中所有子矩阵在整体刚度矩阵K中的位置，得到整体劲度矩阵。111112313223113134344222233422344444000000000000jjjmjimjmmjjiimiimjmjiijjiimmiiimmjjmjjmjimjmmmiijjijmmjimiijjmmmiijimiikkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkKkkkkkkkkkkkkkkk n式中k的上标1,2,3,4表示是哪一个单元的刚度矩阵中的子矩阵，空白处是22的零矩阵。4 整体刚度矩阵续n对于单元、，根据公式，可求得A=0.5m2，0.50000.5000.250.2500.250.2500.250

6、.2500.250.250000.500.50.50.250.2500.750.2500.250.250.50.250.75kEn将上式中各子块的具体数值代入整体刚度矩阵K表达式中，得出整体刚度矩阵。1,0,1,0,1,1ijmijmbbbccc n对于单元，根据公式，可求得A=0.5m2，1,0,1,0,1,1ijmijmbbbccc n把0，t1m，代入单元的刚度矩阵，得两种单元的刚度矩阵k都是：(37)4 整体刚度矩阵n整体刚度矩阵K0.2500.250.2500.2500000000.500.5000000000.2501.50.2510.250.250.2500.25000.250.

7、50.251.50.250.500.50.250000010.251.50.25000.50.2500.250.2500.250.50.251.5000.25100000.250000.750.KE250.50.2500000.250.5000.250.7500.25000000.250.50.250.501.50.250.50.25000.2500.2510.250.250.251.500.25000000000.500.5000000.250000.250.2500.25(38)5 引入位移边界条件n位移边界条件为：1244560uuuvvvn因此，整体结点的位移列阵就简化为：123356

8、()Tvvuvuu5 引入位移边界条件n与这6个零位移分量相应的6个平衡方程不必建立，因此，将整体刚度矩阵中，第1、3、7、8、10、12各行以及同序号的各行划去，因而整体劲度矩阵K简化为：0.50.500000.51.50.250.50.25000.251.50.250.5000.50.251.50.25000.250.50.251.50.500000.50.5KE6 整体结点载荷列阵n确定了每个单元的结点载荷列阵：n根据各单元的结点局部编码与整体编码的关系，确定三个子块FLi,FLj,FLm在FL中的位置。TLixLiyLjxLjyLmxLmyFFFFFFTeLLiLjLmFFFF1112

9、32134324234546LjLmLjLiLiLmLjLmLiLjLmLiLLLLLLLFFFFFFFFFFFFFFFFFFF6 整体结点载荷列阵n由于该结构只是在结点1受有向下1N/m的载荷，因而，非零元素子块，只有101LLjFFn在考虑了边界条件后，整体载荷列阵为：( 100000)LF 平面有限元解法求解整体结点载荷列阵n求解化简后的整体刚度矩阵：1233560.50.5000010.51.50.250.50.250000.251.50.250.50000.50.251.50.250000.250.50.251.50.5000000.50.50vvuEuuu(39)LKFn求解以后，

10、得结点位移：1233563.2531.2530.08810.3740.1760.176vvuuEuu平面有限元解法求解应力转换矩阵n应用单元的应力转换矩阵S，求出各单元中的应力：q根据0，以及已求出的A、b和c的值，再由式(21)和(22)得出应力转换矩阵如下，对于单元、 ：n对于单元10001000010100.50.500.50.5SE10001000010100.50.500.50.5SE平面有限元解法求解各单元中的应力（续）n应用单元的应力转换矩阵S，求出各单元中的应力：331121000100.08800001012.00000.50.500.50.50.4400 xyxyuvEvv Pa单元单元52201000100.17600001011.25300.50.500.50.5000 xyxyuEv Pa平面有限元解法求解各单元中的应力n应用单元的应力转换矩阵S，求出各单元、中的应力：2533301000100.0880001010.374000.50.500.50.50.308xyxyvuEuv Pa单元单元63345010001000001010.37400.50.500.50.50.1320 xyxyuuEvu Pa通用有限元计算程序ANSYS计算结果通用有限元计算程序ANSYS计算结果