第二章弹性力学平面问题的有限单元法精选PPT.ppt
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1、第二章弹性力学平面问题的有限单元法第1页,本讲稿共56页现在所述的有限单元法(实为有限单元位移法)取全部结点的(广义)位移作为基本未知量。这样就把原来是无限多自由度的体系简化成有限多自由度的体系。以上过程称为连续体的有限单元离散化。为了求得全部结点上的位移,并最终求得各单元内的位移,应变和应力,有限单元法是从任一个典型单元开始分析。有限单元法又作了一次数学上的近似:构造适当的位移函数(称为位移模式),把单元内任一点的位移用单元的结点位移来表示。有限单元法认为每个单元内部符合弹性力学的基本假设,严格运用弹性力学的基本方程的几何方程和物理方程,从而建立起单元内任一点的应变、应力分别与单元结点位移的
2、关系式,为最后当求出结点位移后,再顺利求得单元内的应变和应力作好了准备。单元的平衡条件是用虚功方程代替的,由此得到重要的单元刚度矩阵和单元刚度方程,即单元结点力和结点位移的关系式,为进一步的整体平衡分析作好准备。这个过程称为单元分析。第2页,本讲稿共56页最后考虑整个体系的平衡。由于所有的单元上都已没有外载荷(全部移置到结点上了),全部结点的平衡就代表了整体的平衡。对所有的结点建立结点力与结点载荷平衡的关系,然后利用单元刚度方程把所有的结点力都换成结点位移的表达式,就建立了结点位移与结点载荷的关系式总刚度方程。这是一个代数方程组,未知量就是结点位移,引入已知的位移边界条件改造这个方程组后,就可
3、借助计算机求解而得到所有结点的位移。有了结点位移,再利用单元分析中的位移函数和已准备好的几何方程和物理方程的演变式,可以按需要容易地求得任一单元内任一点位移、应变或应力。这个过程称为整体分析。第3页,本讲稿共56页2.2连续体的有限单元离散和计算简图 对于平面问题,最简单而且也是最常用的单元是三角形单元和矩形单元。例如,图2-1所示为一个托架梁,可以当做弹性力学的平面问题处理。我们见将其划分位三角形网格,各单元再结点处用光滑的平面较连接,每各单元所受的载荷也移置到结点上,成为结点载荷。图2-1a第4页,本讲稿共56页 在位移为零的结点处,或者在位移很小可以忽略的结点处,设置相应的支座铰链。在图
4、(a)中,固定边AB各点的位移均为零。所以在AB边上的各结点处应设置固定支座铰链。这样就得出托架得有限单元计算简图,如图(b)所示。图2-1b第5页,本讲稿共56页 把连续体进行有限单元离散时,首先要考虑到选用哪一种形状的单元。这一选择取决于结构的几何形状、计算精度的要求及描述该问题所必须的独立空间坐标的数目。对于平面问题,通常采用直角三角形和矩形单元,特别是三角形单元比较适宜于模拟有曲线边界的物体或结构。一般说来,单元各边的比例不能相差太大。计算实践表明,单元各边的比例相差太大是影响计算精度的一个重要因素。故应避免取狭长的单元。对三角形单元而言。在划分网格时应尽量使所有单元接近于等边三角形。
5、但通常为了适应结构的边界形状及单元由大到小的过渡,很难实现这一要求,不过应尽可能的满足。第6页,本讲稿共56页 在划分网格时,就整体来说,单元的大小(即网格的疏密)要根据精度要求和计算机的速度及容量来决定。一般讲来,单元越小,网格越密,计算结果越精确。但是,单元越多,要求计算机容量就越大。因此,单元划分多少合适,一方面要考虑计算精度的要求;另一方面要根据计算机的条件,应在计算机的容量范围内来决定单元的大小和数量。原则是,在保证必要的计算精度条件下,单元应尽量取的少些。在单元的排列上,应根据计算者的实践经验对所计算的对象进行判断,在应力剃度变化大的部位和重要的部位,单元应取小些,网格也划分的密些
6、。反之,在应力变化平缓的部位和不重要的部位,单元可取大些,网格也就稀些第7页,本讲稿共56页 在划分单元还应考虑到,当计算对象的厚度或者其弹性性质有突变之处,除了在这些部位单元应取小之外,还应把突变线作为单元的边界线。如果结构受有集度突变的分布载荷或集中载荷时,在这些部位的单元同样应当取小些,并且在载荷突变处和集中力处应布置结点,以使应力的突变得到一定程度的反映。总之,把连续体进行有限单元离散而成计算简图,是综合运用工程判断力的过程,在这个过程中,要决定单元的形状、大小(网格的疏密)、数目、单元的排列以及约束的位置等,其总的目标应使得原来的物体会或结构尽可能精确地得到模拟。这个过程进行的正确与
7、否,是关系到整个计算的精度高低,应当特别加以注意。第8页,本讲稿共56页2.3 三角形单元分析从离散体系中任取一个单元,如图所示。三个结点按反时针方向顺序编号为i、j、m。结点坐标分别为(xi,yi)(xj,yj)(xm,ym)。一、单元的结点位移和结点力向量由弹性力学平面问题可知,一个连续体,每点应有两个位移,因此每个结点应有两个位移分量,则三角形共有六个自由度:ui,vi,uj,vj,um,vm。如图b所示。各结点位移向量可写成那么,三角形单元的单元结点位移向量是第9页,本讲稿共56页结点位移对应的结点力向量是单元结点力的向量是在有限单元位移法中,取结点位移作为基本未知量。单元分析的基本任
8、务是建立单元结点力下结点位移的关系,也就是要建立关系式式中,Ko是66阶矩阵,称为单元刚度矩阵。单元分析先要建立单元内的应变、应力分别与结点位移的关系,这不光是推导上式的需要,也为最后求出结点位移后再顺利求得单元内的应变和应力作好准备。第10页,本讲稿共56页二、单元位移模式有限单元法虽然对计算对象的整体作了物理近似,但在每个单元内部,则仍然认为符合弹性力学的基本假设,因此弹性力学的基本方程在每个单元内部仍然适用。若求出弹性体内部的位移分量,就可以从几何方程求出应变分量,从物理方程求出应力分量。有限单元法即使求得各结点位移,却无法直接利用几何方程和物理方程来求应变和应力。因此需要把单元的结点位
9、移与单元内任一点的位移联系起来,即人为的假定一个位移模式(位移函数),使单元内任一点的位移可以近似地有单元结点的位移表示。第11页,本讲稿共56页选择单元位移模式时,最简单的是单元的位移分量u、v取为坐标x、y的多项式。考虑到三角形单元共有六个自由度,且位移函数u、v在三个结点处的数值应该等于这三个结点处的六个位移分量ui、vi、uj、vj、um、vm。据此,可设单元位移分量是坐标x、y的线性函数,即u(x,y)=a1+a2x+a3yv(x,y)=a4+a5x+a6y在上式中,含有六个参数a1、a2、a3、a4、a5、a6。恰好可由三个结点的六个位移分量完全确定,即在i、j、m三点应有ui=a
10、1+a2xi+a3yivi=a4+a5xi+a6yiuj=a1+a2xj+a3yjvj=a4+a5xj+a6yjum=a1+a2xm+a3ymvm=a4+a5xm+a6ym第12页,本讲稿共56页求解上式,可以将参数a1、a2、a3、a4、a5、a6用结点位移表示出来,即a1=(aiui+ajuj+amum)/2Aa4=(aivi+ajvi+amvm)/2Aa2=(biui+bjuj+bmum)/2Aa5=(bivi+bjvj+bmvm)/2Aa3=(ciui+cjuj+cmum)/2Aa6=(civi+cjvj+cmvm)/2A式中ai=(xjym-xmyj),bi=yj-ym,ci=xm-
11、xjaj=(xmyi-xiym),bj=ym-yi,cj=xi-xmam=(xiyj-xjyi),bm=yi-yj,cm=xj-xiA为三角形单元的面积。第13页,本讲稿共56页经过运算得用单元结点位移表示的单元位移模式为(2-1)式中的Ni、Nj、Nm由下式轮换得出Ni(x,y)=(ai+bix+ciy)/2A(i、j、m)上式后面的记号(i、j、m)表示经过字母相应轮换后,该式实际上是三个公式。也可简写成fo=INiINjINmo=No(2-2)式中,I为二阶单位矩阵,而Ni、Nj、Nm是坐标的连续函数,它反映单元内部位移的分布状态,称为位移的形状函数,简称为形函数。矩阵N称为形函数矩阵。
12、并且形函数在结点处具有以下性质:第14页,本讲稿共56页Ni(xi,yi)=1,Nj(xi,yi)=0,Nm(xi,yi)=0Ni(xj,yj)=0,Nj(xj,yj)=1,Nm(xj,yj)=0Ni(xm,ym)=0,Nj(xm,ym)=0,Nm(xm,ym)=1根据形函数的这些性质,再由(2-1)和(2-2)可以看出,单元位移模式可以直接通过单元结点位移o插值表示出来,所以,Ni,Nj,Nm也称为位移插值函数。前面已经提到,有限单元法随着单元的细分,网格的加密,在一定条件下,位移模式引起的误差会收敛的,即所得的解答收敛于问题的精确解。这“一定条件”是指单元位移模式必须满足的条件:(1)位移
13、模式必须在单元内连续,而相邻单元间公共边界上的位移必须协调。后者意味着单元的变形不能在单元之间引起裂开或重迭。第15页,本讲稿共56页(2)位移模式必须包含单元的刚体的位移。这是因为每个单元的位移一般总是包含着两个部分:一部分由本单元的变形引起的,另一部分是与本单元的变形无关的,即刚体位移,它由其他单元发生的变形连带引起。(3)位移模式必须包含单元的常量应变。这从物理意义上就可以理解。因为当单元的尺寸取得很小时,单元中各点的应变也将相差很小,而当单元的尺寸取得无限小时,单元内各点的应变应趋近于常量。通常把满足上述第一个条件的单元,称为协调(或连续)单元;满足第二、第三个条件的单元称为完备单元。
14、理论和实践都已证明:为了使有限单元法的解答在单元尺寸逐渐取小时能够收敛于正确解答,条件(2)(3)是必要条件,而再加上条件(1)就是充分条件。第16页,本讲稿共56页2.4 荷载向结点移置有限单元法的分析,以结构上的全部荷载都是结点荷载为前提;而结构上的真实荷载往往并不作用在结点上,如体力和面力等。因此需要把它们按静力等效的原则向结点移置,成为等效结点荷载。这里的静力等效,是指能量等价,即原来作用在单元上的荷载与移置到结点上的荷载,它们在单元的任何虚位移上所作的虚功应相等。据圣维南原理,荷载作这样的移置而引起的误差是局部性的,不致影响到整个结构,并且随单元的细分,这一影响逐步缩小。考察下图所示
15、的单元,设作用在单元上的体力PV=X,YT,分布面力PA=X,YT和集中力Q=Qx,QyT,把它们向结点移置后得到的等效结点荷第17页,本讲稿共56页图2-2第18页,本讲稿共56页载列阵为Po=Pxio,Pyio,Pxjo,Pyjo,Pxmo,PymoT设单元发生了某种虚位移,单元结点虚位移为o=ui,vi,uj,vj,um,vmT单元内的虚位移则为fo=No(a)按虚功相等的静力等效原则,可得到下式(b)式中为单元位移函数在集中力作用点b处的取值,将式(a)代入上式,同时考虑到矩阵相乘的转置规则,式(b)可改写为(c)由于是任意的,则上式两边与其相乘的矩阵应相等,于是得到等效结点载荷为第1
16、9页,本讲稿共56页(2-1)从上式可以看出,等效结点载荷与所选取的单位位移模式有关。对我们所讨论的三角形单元线性位移模式,等效结点载荷分别计算如下:一、分布体积力设单元只作用有单位体积的体力向量P=XY,如图所示,根据式(2-1)得相应的等效结点载荷为(2-2)当单元划分较小而可认为P在单元内均匀分布时,式(2-2)可写成(d)式中的形函数可改写为面积坐标,即N=Li,N=Lj,Nm=Lm,因此式(d)中形函数的积分可改为用坐标的积分。由公式可得到第20页,本讲稿共56页将上式结果呆入式(d)得(e)令为单元总体力W在x,y方向的分量,于是式(d)写成(2-3a)结论:均布体力的等效结点载荷
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