[数学]第三章-MATLAB有限元分析与应用课件.ppt
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1、第三章第三章 MATLABMATLAB有限元分析与应用有限元分析与应用3-1 3-1 弹簧元弹簧元3-2 3-2 线性杆元线性杆元3-3 3-3 二次杆元二次杆元3-4 3-4 平面桁架元平面桁架元3-5 3-5 空间桁架元空间桁架元3-6 3-6 梁元梁元2/10/202313-1 弹簧元弹簧元 1、有限元方法的步骤:离散化域形成单刚矩阵集成整体刚度矩阵引入边界条件求解方程后处理2/10/202322、基本方程3-1 弹簧元弹簧元 弹簧元是总体和局部坐标一致的一维有限单元每个弹簧元有两个节点(node)单刚矩阵为:总刚矩阵:结构方程:单元节点力:2/10/202333、MATLAB函数编写3
2、-1 弹簧元弹簧元%SpringElementStiffness This function returns the element stiffness%matrix for a spring with stiffness k.%The size of the element stiffness matrix is 2 x 2.3.1 单元刚度矩阵的形成y=k-k;-k k;function y=SpringElementStiffness(k)2/10/202343、MATLAB函数编写3-1 弹簧元弹簧元%SpringAssemble This function assembles the
3、 element stiffness%matrix k of the spring with nodes i and j into the%global stiffness matrix K.%This function returns the global stiffness matrix K%after the element stiffness matrix k is assembled.3.2 整体刚度矩阵的形成K(i,i)=K(i,i)+k(1,1);K(i,j)=K(i,j)+k(1,2);K(j,i)=K(j,i)+k(2,1);K(j,j)=K(j,j)+k(2,2);y=K;
4、function y=SpringAssemble(K,k,i,j)2/10/202353、MATLAB函数编写3-1 弹簧元弹簧元%SpringElementForces This function returns the element nodal force%vector given the element stiffness matrix k%and the element nodal displacement vector u.3.3 节点载荷计算y=k*u;function y=SpringElementForces(k,u)2/10/202364、实例计算分析应用3-1 弹簧元弹
5、簧元 如图所示二弹簧元结构,假定k1=100kN/m,k2=200kN/m,P=15kN。求:系统的整体刚度矩阵;节点2、3的位移;节点1的支反力;每个弹簧的内力解:步骤1:离散化域2/10/202374、实例计算分析应用3-1 弹簧元弹簧元 步骤2:形成单元刚度矩阵k1=SpringElementStiffness(100);k1=100 -100 -100 100k2=SpringElementStiffness(200);k2=200 -200 -200 200调用 function y=SpringElementStiffness(k)函数2/10/202384、实例计算分析应用3-1
6、 弹簧元弹簧元 步骤3:集成整体刚度矩阵调用 function y=SpringAssemble(K,k,i,j)函数n=3;K=zeros(n,n);K=SpringAssemble(K,k1,1,2)K=0 0 0 0 0 0 0 0 0K=SpringAssemble(K,k2,2,3)K=100 -100 0 -100 100 0 0 0 0K=100 -100 0 -100 300 -200 0 -200 2002/10/202394、实例计算分析应用3-1 弹簧元弹簧元 步骤4:引入边界条件已知边界条件:2/10/2023105、实例计算分析应用3-1 弹簧元弹簧元 步骤5:解方程
7、U=zeros(2,1);F=0;15;K=K(2:3,2:3);U=KFU=inv(K)*FK(1,:)=;K(:,1)=;U=0.1500 0.22502/10/2023115、实例计算分析应用2-1 弹簧元弹簧元 步骤6:后处理U=0;UU=0 0.1500 0.2250F=K*UF=-15.0000 0.0000 15.0000u1=U(1:2);f1=SpringElementForces(k1,u1);f1=-15.0000 15.0000u2=U(2:3);f2=SpringElementForces(k2,u2);f2=-15.0000 15.00002/10/2023125、
8、实例计算分析应用3-1 弹簧元弹簧元 k1=SpringElementStiffness(100);k2=SpringElementStiffness(200);n=3;K=zeros(n,n);K=SpringAssemble(K,k1,1,2);K=SpringAssemble(K,k2,2,3);U=zeros(2,1);F=0;15;K=K(2:3,2:3);KK=K;U=KFU=0;U;F=K*U;u1=U(1:2);f1=SpringElementForces(k1,u1)u2=U(2:3);f2=SpringElementForces(k2,u2)2/10/2023131、基本方
9、程3-2 线性杆元线性杆元 线性杆元也是总体和局部坐标一致的一维有限单元,用线性函数描述每个线性杆元有两个节点(node)单刚矩阵为:总刚矩阵:结构方程:单元节点力:2/10/2023142、MATLAB函数编写%LinearBarElementStiffness This function returns the element%stiffness matrix for a linear bar with%modulus of elasticity E,cross-sectional%area A,and length L.The size of the%element stiffness
10、matrix is 2 x 2.2.1 单元刚度矩阵的形成y=E*A/L-E*A/L;-E*A/L E*A/L;function y=LinearBarElementStiffness(E,A,L)3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023152、MATLAB函数编写%LinearBarAssemble This function assembles the element stiffness%matrix k of the linear bar with nodes i and j%into the global stiffness matrix K.%This function retu
11、rns the global stiffness%matrix K after the element stiffness matrix%k is assembled.2.2 整体刚度矩阵的形成K(i,i)=K(i,i)+k(1,1);K(i,j)=K(i,j)+k(1,2);K(j,i)=K(j,i)+k(2,1);K(j,j)=K(j,j)+k(2,2);y=K;function y=LinearBarAssemble(K,k,i,j)3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023162、MATLAB函数编写%LinearBarElementForces This function retu
12、rns the element nodal%force vector given the element stiffness%matrix k and the element nodal%displacement vector u.2.3 节点载荷计算y=k*u;function y=LinearBarElementForces(k,u)3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023172、MATLAB函数编写%LinearBarElementStresses This function returns the element nodal%stress vector given the elem
13、ent stiffness%matrix k,the element nodal displacement%vector u,and the cross-sectional area A.2.4 节点应力计算y=k*u/A;function y=LinearBarElementStresses(k,u,A)3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023183、实例计算分析应用如图所示二线性杆元结构,假定E=210MPa,A=0.003m2,P=10kN,节点3的右位移为0.002m。求:系统的整体刚度矩阵;节点2的位移;节点1、3的支反力;每个杆件的应力解:步骤1:离散化域3-2 线性杆元线性杆
14、元 2/10/2023193、实例计算分析应用步骤2:形成单元刚度矩阵k1=LinearBarElementStiffness(E,A,L1)k2=LinearBarElementStiffness(E,A,L2)调用 function y=LinearBarElementStiffness(E,A,L)函数3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023203、实例计算分析应用步骤3:集成整体刚度矩阵调用 function y=LinearBarAssemble(K,k,i,j)函数n=3;K=zeros(n,n)K=LinearBarAssemble(K,k1,1,2)K=0 0 0 0 0
15、0 0 0 0K=LinearBarAssemble(K,k2,2,3)3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023213、实例计算分析应用步骤4:引入边界条件已知边界条件:3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023223、实例计算分析应用步骤5:解方程U=zeros(1,1);U3=0.002F=-10;K =K(2,2)105000K0=K(2,3);-630000U=K(F-K0*U3)U=0.00123-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023233、实例计算分析应用步骤6:后处理U=0;U;0.002U=0 0.0012 0.0002F=K*UF=-500.0000 -10.000
16、0 510.0000u1=U(1:2);f1=LinearBarElementForces(k1,u1)sigma1=LinearBarElementStresses(k1,u1,A)u2=U(2:3);f2=LinearBarElementForces(k2,u2)sigma2=LinearBarElementStresses(k2,u2,A)3-2 线性杆元线性杆元 2/10/2023243、实例计算分析应用E=210E6;A=0.003;L1=1.5;L2=1;k1=LinearBarElementStiffness(E,A,L1);k2=LinearBarElementStiffnes
17、s(E,A,L2);n=3;K=zeros(n,n);K=LinearBarAssemble(K,k1,1,2);K=LinearBarAssemble(K,k2,2,3);U=zeros(1,1);U3=0.002;F=-10;3-2 线性杆元线性杆元 KK=K;K=K(2,2);K0=K(2,3);U=K(F-K0*U3);U=0;U;U3;F=KK*Uu1=U(1:2);f1=LinearBarElementForces(k1,u1)sigma1=LinearBarElementStresses(k1,u1,A)u2=U(2:3);f2=LinearBarElementForces(k2
18、,u2)sigma2=LinearBarElementStresses(k2,u2,A)2/10/2023251、基本方程3-3 二次杆元二次杆元 二次杆元也是总体和局部坐标一致的一维有限单元,用二次方程描述每个线性杆元有三个节点(node)单刚矩阵为:总刚矩阵:结构方程:单元节点力:2/10/2023262、MATLAB函数编写%QuadraticBarElementStiffness This function returns the element%stiffness matrix for a quadratic bar%with modulus of elasticity E,%cro
19、ss-sectional area A,and length L.%The size of the element stiffness%matrix is 3 x 3.2.1 单元刚度矩阵的形成y=E*A/(3*L)*7 1-8;1 7-8;-8-8 16;function y=QuadraticBarElementStiffness(E,A,L)3-3 二次杆元二次杆元 2/10/2023272、MATLAB函数编写%QuadraticBarAssemble This function assembles the element stiffness%matrix k of the quadr
20、atic bar with nodes i,j%and m into the global stiffness matrix K.%This function returns the global stiffness%matrix K after the element stiffness matrix%k is assembled.2.2 整体刚度矩阵的形成K(i,i)=K(i,i)+k(1,1);K(i,j)=K(i,j)+k(1,2);K(i,m)=K(i,m)+k(1,3);K(j,i)=K(j,i)+k(2,1);K(j,j)=K(j,j)+k(2,2);function y=Qua
21、draticBarAssemble(K,k,i,j,m)3-3 二次杆元二次杆元 K(j,m)=K(j,m)+k(2,3);K(m,i)=K(m,i)+k(3,1);K(m,j)=K(m,j)+k(3,2);K(m,m)=K(m,m)+k(3,3);y=K;2/10/2023282、MATLAB函数编写%QuadraticBarElementForces This function returns the element nodal%force vector given the element stiffness%matrix k and the element nodal%displacem
22、ent vector u.2.3 节点载荷计算y=k*u;function y=QuadraticBarElementForces(k,u)3-3 二次杆元二次杆元 2/10/2023292、MATLAB函数编写%QuadraticBarElementStresses This function returns the element%nodal stress vector given the element%stiffness matrix k,the element nodal%displacement vector u,and the%cross-sectional area A.2.4
23、 节点应力计算y=k*u/A;function y=QuadraticBarElementStresses(k,u,A)3-3 二次杆元二次杆元 2/10/2023303、实例计算分析应用如图所示双二次杆元结构,假定E=210MPa,A=0.003m2求:系统的整体刚度矩阵;节点2、3、4、5的位移;节点1的支反力;每个杆件的应力解:3-3 二次杆元二次杆元 2/10/2023313、实例计算分析应用E=210E6;A=0.003;L=2;k1=QuadraticBarElementStiffness(E,A,L);k2=QuadraticBarElementStiffness(E,A,L);
24、n=5;K=zeros(n,n);K=QuadraticBarAssemble(K,k1,1,3,2);K=QuadraticBarAssemble(K,k2,3,5,4);U=zeros(4,1);F=5;-10;-7;10;KK=K;K=K(2:n,2:n);U=KF;U=0;U;F=KK*U;u1=U(1);U(3);U(2);f1=QuadraticBarElementForces(k1,u1);sigma1=QuadraticBarElementStresses(k1,u1,A);u2=U(3);U(5);U(4);f2=QuadraticBarElementForces(k2,u2
25、);sigma2=QuadraticBarElementStresses(k2,u2,A);3-3 二次杆元二次杆元 2/10/2023321、基本方程3-4 平面桁架元平面桁架元 平面桁架元是既有局部坐标又有总体坐标二维有限元,用线性函数描述每个平面桁架元有二个节点(node)单刚矩阵为:总刚矩阵:结构方程:单元节点力:2/10/2023332、MATLAB函数编写%PlaneTrussElementLength This function returns the length of the%plane truss element whose first node has%coordinat
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