第五章等参数单元PPT讲稿.ppt
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1、第五章等参数单元第五章等参数单元第1页,共74页,编辑于2022年,星期三第一节第一节第一节第一节 位移模式和形函数位移模式和形函数位移模式和形函数位移模式和形函数一、位移模式一、位移模式在前面几章中已阐明位移模式就是:单元内任意一点在前面几章中已阐明位移模式就是:单元内任意一点的位移,被表述为其坐标的函数。在平面问题的单元中,的位移,被表述为其坐标的函数。在平面问题的单元中,任一点的位移分量可用下列多项式表示:任一点的位移分量可用下列多项式表示:第2页,共74页,编辑于2022年,星期三 为了使有限元的解能够收敛于精确解,任何单元的位为了使有限元的解能够收敛于精确解,任何单元的位移模式都必须
2、满足以下三个条件:移模式都必须满足以下三个条件:(1)位移模式中必须包括反应刚体位移的常数项。)位移模式中必须包括反应刚体位移的常数项。(2)位移模式中必须包括反应常应变的线性位移项。)位移模式中必须包括反应常应变的线性位移项。(3)位移模式必须能保证单元之间位移的连续性。)位移模式必须能保证单元之间位移的连续性。第3页,共74页,编辑于2022年,星期三第4页,共74页,编辑于2022年,星期三连续性分析:连续性分析:第5页,共74页,编辑于2022年,星期三二、形函数二、形函数在前面几章经过推倒将位移模式表示成:在前面几章经过推倒将位移模式表示成:形函数应满足下列两个条件:形函数应满足下列
3、两个条件:掌握了形函数的上述特点,就可以直接写出其表达式,而不必再由位移分量的多项式方程推导掌握了形函数的上述特点,就可以直接写出其表达式,而不必再由位移分量的多项式方程推导出来,在下面分析等参数单元时,将直接用形函数表述。出来,在下面分析等参数单元时,将直接用形函数表述。第6页,共74页,编辑于2022年,星期三母单元母单元首先,根据形函数的定义,在局部坐标中,建立起几何形状简单且规整的单元,我们称之为母单元。1.一维母单元采用局部坐标,单元为直线段,即。具体形式如下:1)线性单元(2结点)21-110(a)线性单元第7页,共74页,编辑于2022年,星期三1-12013(b)二次单元3)三
4、次单元(4结点)图5-1一维母单元图5-1一维母单元2)二次单元(3结点)第8页,共74页,编辑于2022年,星期三如图5-2所示,坐标原点在单位形心上。单元边界是四条直线:,。为保证用形函数定义的未知量在相邻单元之间的连续性,单元结点数目应与形函数阶次相适应。因此,对于线性、二次和三次形函数,单元每边的结点数分别为两个、三个和四个。除四个交点外,其他结点位于各边的二分点或三分点上。2.二维母单元二维母单元是平面中的22正方形返回返回返回返回1111+-+-hx第9页,共74页,编辑于2022年,星期三图5-2二维母单元(a)线性单元12341)线性单元(4结点)以上形函数也可以合并表示为(i
5、=1,2,3,4)其中第10页,共74页,编辑于2022年,星期三2)二次单元(8结点)角点:边中点:(i=1,2,3,4)(i=5,6)(8-9)(i=7,8)(b)二次单元12348756第11页,共74页,编辑于2022年,星期三3)三次单元(12结点)角点:(i=1,2,3,4)边三分点:(i=5,6,7,8)(8-10)(i=9,10,11,12)第12页,共74页,编辑于2022年,星期三图5-3三维母单元(a)线性单元(b)二次单元7 7 3 32 21 14 45 56 68 891011121314151618192017 5 58 87 7 3 32 21 14 46 63
6、.三维母单元三维母单元是坐标系中的222正六面体如图5-3所示,坐标原点在单元形心上,单元边界是六个平面。单元结点在角点及各边的等分点上。1)线性单元(8结点)返回返回第13页,共74页,编辑于2022年,星期三2)二次单元(20结点)角点:典型边中点:(8-12)3)三次单元(32结点)角点:典型边中点:(8-13)返回返回返回返回第14页,共74页,编辑于2022年,星期三第二节第二节第二节第二节 等参数元的概念等参数元的概念等参数元的概念等参数元的概念在平面问题的有限元中,最简单的单元是三节点的三角形单元,在平面问题的有限元中,最简单的单元是三节点的三角形单元,由于这种单元中的应变及应力
7、是常数,而通常计算对象的应力场由于这种单元中的应变及应力是常数,而通常计算对象的应力场又往往随坐标而急剧变化,所以在应用常应变的三角形单元时,又往往随坐标而急剧变化,所以在应用常应变的三角形单元时,必须划分大量的微小单元,才能得到较好的计算精度,因而用三必须划分大量的微小单元,才能得到较好的计算精度,因而用三节点三角形单元算题时,往往节点数最多,原始输入数据庞大。节点三角形单元算题时,往往节点数最多,原始输入数据庞大。四节点的矩形单元能够比三角形单元更好的反映实际应力变化,四节点的矩形单元能够比三角形单元更好的反映实际应力变化,但它不能适府曲线边界和非直角的直线边界,也不便随意改变大但它不能适
8、府曲线边界和非直角的直线边界,也不便随意改变大小。所以上述的两种单元都有其不足之处。小。所以上述的两种单元都有其不足之处。第15页,共74页,编辑于2022年,星期三如果有任意四边形单元,如图如果有任意四边形单元,如图(a)所示就可以克服矩形单元之不足,所示就可以克服矩形单元之不足,但是这种单元的位移模式如何能否满足前面所述的条体则是本节要但是这种单元的位移模式如何能否满足前面所述的条体则是本节要解决的问题。解决的问题。第16页,共74页,编辑于2022年,星期三 在图(a)中的任意四边形单元上,作连接对边中点的直线,称之为 及 ,取其交点为原点,并令四边上的坐标值分别为1,就得出一新坐标系,
9、称之为单元的局部坐标系。将局部坐标系改画成直角坐标系,则图(a)中的任意四边形单元就变成图(b)所示的正方形单元。第17页,共74页,编辑于2022年,星期三这正方形单元的位移模式是:而其中形函数为:由图(b)可知第18页,共74页,编辑于2022年,星期三假如图假如图(a)中的任意四边形单元能用上式的位移模式及中的任意四边形单元能用上式的位移模式及形函数进行计算,则前面所提的位移连续性条件就可形函数进行计算,则前面所提的位移连续性条件就可以得到满足,所以问题归结为:如何将任意四边形单以得到满足,所以问题归结为:如何将任意四边形单元的整体坐标元的整体坐标(x,y),变换成正方形单元的局部坐标,
10、变换成正方形单元的局部坐标()。根据形函数的两条性质:第19页,共74页,编辑于2022年,星期三或改写成:或改写成:同样可得:同样可得:显然在四个节点处,上式所示的关系无疑是成立的现在要显然在四个节点处,上式所示的关系无疑是成立的现在要证明在四条边上,这关系也是正确的。以证明在四条边上,这关系也是正确的。以12边为例,在此边为例,在此边上局部坐标边上局部坐标 -1,代入,得,代入,得等号左边(x,y)是整体坐标,等号右边()是局部坐标,因此上式被称为坐标变换式。第20页,共74页,编辑于2022年,星期三 通常称局部坐标的正方形单元为母单元或基本单元,称整体坐标的通常称局部坐标的正方形单元为
11、母单元或基本单元,称整体坐标的任意四边形单元为子单元或实际单元。任意四边形单元为子单元或实际单元。描述位移和描述坐标都采用相同形函数描述位移和描述坐标都采用相同形函数 ,所以这种单元称为等参,所以这种单元称为等参数单元。数单元。第21页,共74页,编辑于2022年,星期三1.平面坐标变换在整体坐标系中,子单元内任一点的坐标用形函数表示如下(8-14)其中,N是用局部坐标表示的形函数,(x,y)是结点i的整体坐标,上式即为平面坐标变换公式。返回返回返回返回第22页,共74页,编辑于2022年,星期三31-1120(a)线性单元123(b)二次单元图5-4一维单元的平面坐标变换返回返回返回返回图5
12、-4表示了一维单元的坐标变换。原来的直线状的母单元分别变换成了直线、二次曲线和三次曲线状的子单元,这是因为变换式中的形函数Ni分别是的一次、二次和三次函数。第23页,共74页,编辑于2022年,星期三(a)母单元(b)子单元图5-5二维单元的平面坐标变换1234875623154678返回返回图5-5表示了二维单元的平面坐标变换。母单元是正方形,子单元则分别变换成任意四边形和曲边四边形。而且相邻子单元在公共边上的整体坐标是连续的。以二次单元为例,两个相邻单公共边界上都是二次曲线(抛物线),而在三个公共结点上具有相同的坐标。因此,整个公共边界都有相同的坐标,即相邻单元是连续的。第24页,共74页
13、,编辑于2022年,星期三7 7 =1=1 =1=1 =1=13 32 21 14 45 56 68 891011121314151618192017 =-1=-1 =-1=-1 =-1=-1xyz1 12 23 34 45 56 68 8109111213141516181719207 70(a)母单元(b)子单元图5-6空间坐标变换返回返回返回返回第25页,共74页,编辑于2022年,星期三2.空间坐标变换空间坐标变换公式如下其中:N是用局部坐标表示的形函数,(x,y,z)为结点i的整体坐标。经过空间坐标变换后,原来的直线将变成空间曲线;原来的平面将变成空间曲面;而原来的空间正六面体则将变
14、成曲面六面体,如图5-6所示。同样可证明相邻子单元在整体坐标下是连续的。返回返回返回返回第26页,共74页,编辑于2022年,星期三3.两类坐标系的关系以上坐标变换式给出了局部坐标和整体坐标之间的一一对应关系。如果给定了局部坐标的值,则可以求出整体坐标的对应值,反之亦然。从图形变换的角度看,和可以分别看成是母单元和子单元这两个不同单元的坐标系,它们都是直角坐标系。而从另一角度看,和又可以看成是同一单元(子单元)的两种不同的坐标系。是子单元的直角坐标系,而可看成是子单元的曲线坐标系。可以看出始终扮演同一角色,即子单元的直角坐标;而则扮演两种角色,它既是母单元的直角坐标,又是子单元的曲线坐标。在有
15、限元分析中,两者的作用是不同的。直角坐标系在整个结构的所有子单元中共同采用,所以称为整体坐标。返回返回返回返回第27页,共74页,编辑于2022年,星期三而曲线坐标系则只适用于单个独立的子单元,所以称为局部坐标。整体坐标在整体分析中采用,局部坐标则在单元分析中采用。现在讨论两类坐标系中有关偏导数的关系,以二维坐标为例:根据复合函数的求导法则,有上式可写成矩阵形式返回返回返回返回第28页,共74页,编辑于2022年,星期三其中:J称为雅可比(Jacobi)矩阵式(8-17)表示的是由和推导,的变换式,其逆变换式为返回返回返回返回第29页,共74页,编辑于2022年,星期三其中,J-1是J的逆阵返
16、回返回返回返回第30页,共74页,编辑于2022年,星期三第三节第三节第三节第三节 平面等参元平面等参元平面等参元平面等参元 平面问题的常用等参元有四结点四边形单元、八结点曲边四边形单元和68可变结点曲边四边形单元等,本节以八结点曲边四边形等参元为例介绍平面问题分析过程。一、母单元一、母单元八结点曲边四边形等参元的母单元是二维二次单元。八个结点分别为正方形的四个角点和四个边中点,母单元采用直角坐标系(,)。如图5-7所示。单元的位移模式为其中,ui和vi是结点i的位移。返回返回返回返回第31页,共74页,编辑于2022年,星期三图5-8等参元1234875623154678图5-7母单元返回返
17、回第32页,共74页,编辑于2022年,星期三 二、等参元二、等参元等参元的整体坐标为直角坐标(x,y)。等参元的任意指定的八个结点的整体坐标值分别为(xi,yi),(i=1,2,8),如图5-8所示。采用坐标变换可使母单元的八个结点与等参元的八个结点(xi,yi)一一对应。整体坐标和局部坐标的变换式为(8-34)其中:是母单元的形函数。根据等参元的思想,等参元的位移模式仍取为:返回返回返回返回第33页,共74页,编辑于2022年,星期三(8-35)这样,就确定了平面八结点曲边四边形等参元的几何形状和位移模式。在实际应用中需要注意以下几个问题:1)在划分单元时,只需确定单元结点的整体坐标值,而
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