有限元分析及应用.ppt

有限元分析及应用,第一章 有限元法简介,2,有限元法介绍,有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个结点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，结点的数目也是有限的，所以称为有限元法(FEM，Finite Element Method)。,3,有限元法是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。有限元法是60年代以来发展起来的新的数值计算方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。,4,随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。,5,有限元法的孕育过程及诞生和发展,牛顿(Newton),莱布尼茨(Leibniz G.W.),6,大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。虽然，积分运算与有限元技术对定义域的划分是不同的，前者进行无限划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术准备好了一个理论基础。,7,在牛顿之后约一百年，著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。这两项成果的前者被用来将微分方程改写为积分表达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。,高斯(Gauss),8,在18世纪，另一位数学家拉格朗日提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途径。,拉格朗日(Lagrange J.),9,在19世纪末及20世纪初，数学家瑞利和里兹（Rayleigh Ritz）首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。,瑞利(Rayleigh),10,1915年，数学家伽辽金(Galerkin)提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方法被广泛地用于有限元。1943年，数学家库朗德第一次提出了可在定义域内分片地使用展开函数来表达其上的未知函数。这实际上就是有限元的做法。,11,12,（对象、变量、方程、求解途径）各力学学科分支的关系,13,(1)桥梁隧道问题,14,任意变形体力学分析的基本变量及方程,研究对象：任意形状的变形体,几种典型的对象,圆形隧道,三维模型,15,(2)中华和钟,(3)矿山机械,16,(4)压力容器的成形,17,变形体及受力情况的描述,18,求解方法,19,有限元方法的思路及发展过程,思路：以计算机为工具，分析任意变形体以获得所有力学信息，并使得该方法能够普及、简单、高效、方便，一般人员可以使用。,实现办法：,20,技术路线：,21,发展过程：,如何处理,对象的离散化过程,22,.,.,.,.,.,.,常用单元的形状,点(质量),线(弹簧，梁，杆，间隙),面(薄壳,二维实体,轴对称实体),二次,体(三维实体),线性,二次,.,.,线性,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,23,点 单元,线 单元,一维波传导问题,24,点 单元,线 单元,25,面 单元,28,29,30,受垂直载荷的托架,31,线性单元/二次单元 更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。,低阶单元,更高阶单元,体单元,32,有限元分析的作用 复杂问题的建模简化与特征等效 软件的操作技巧（单元、网格、算法参数控制）计算结果的评判 二次开发 工程问题的研究 误差控制,36,第二章 有限元分析的力学基础,2.1 变形体的描述与变量定义,(1)变形体 变形体：即物体内任意两点之间可发生相对移动。有限元方法所处理的对象：任意变形体,38,(2)基本变量的定义 可以用以下各类变量作为任意变形体的描述,因此，在材料确定的情况下，基本的力学变量应该有：位移、应变、应力,量,39,目的：对弹性体中的位移、应力、应变进行定义和表达，进而建立平衡方程、几何方程和材料物理方程,(3)研究的基本技巧采用微小体积元dxdydz的分析方法（针对任意变形体）,40,2.2 弹性体的基本假设,为突出所处理的问题的实质，并使问题简单化和抽象化，在弹性力学中，特提出以下几个基本假定。物质连续性假定：物质无空隙，可用连续函数来描述；物质均匀性假定：物体内各个位置的物质具有相同特性；物质(力学)特性各向同性假定：物体内同一位置的物质在各个方向上具有相同特性；线性弹性假定：物体的变形与外来作用的关系是线性的，外力去除后，物体可恢复原状；小变形假定：物体变形远小于物体的几何尺寸，在建立方程时，可以高阶小量（二阶以上）。以上基本假定将作为问题简化的出发点。,41,2.3 基本变量的指标表达,指标记法的约定：自由指标：在每项中只有一个下标出现，如，i，j为自由指标，它们可以自由变化；在三维问题中，分别取为1，2，3；在直角坐标系中，可表示三个坐标轴x,y,z。哑指标：在每项中有重复下标出现，如：，j为哑指标。在三维问题中其变化的范围为1,2,3,42,Einstein 求和约定：哑指标意味着求和,指标记法的应用：对于方程组按一般的写法，可写为若用指标记法：(2-3)式与(2-2)式等价，因为j为哑指标，意味着求和,（2-1）,（2-2）,（2-3）,43,克罗内克符号,亦即,44,那么，矩阵,=,是单位矩阵。,根据上述定义，可以推出下列关系,45,弹性力学里假想把物体分成无限多微小六面体，称为微元体。考虑任一微元体的平衡（或运动），可写出一组平衡（或运动）微分方程及边界条件。但未知应力的数目总是超过微分方程的数目，所以弹性力学问题都是超静定的，必须同时考虑微元体的变形条件以及应力和应变的关系，它们在弹性力学中相应的称为几何方程和物理方程。平衡（或运动）方程、几何方程和物理方程以及边界条件，称为弹性力学的基本方程。,2.4 弹性力学的基本方法,46,从取微元体入手，综合考虑静力（或运动）、几何、物理三方面条件，得出其基本微分方程，再进行求解，最后利用边界（表面）条件确定解中的常数，这就是求解弹性力学问题的基本方法。,47,2.5 空间问题的基本方程,48,3D情形下的力学基本变量,将正应力和正应变简写成,49,a,50,化简得到,平衡微分方程,51,平衡微分方程的矩阵形式为,式中，b是体积力向量，,52,全式除以dxdydz，合并相同的项，得,略去微量项，得,剪切力互等定律,53,二维问题：平衡微分方程,剪切力互等定律,54,应力边界条件,四面微分体Mabc,55,斜微分面abc为其边界面的一部分，其外法线N与各坐标轴夹角的余弦为cos(N，x)=l，cos(N，y)=m，cos(N，z)=n。,从M点到斜微分面abc的垂直距离dh（图中未标出），是四面微分体的高。,56,四面微分体的体积为,假定斜微分面abc上作用的面力在三个坐标轴上的投影分别为,体积力分量为X、Y、Z。,设斜微分面的面积为dA，则其它三个微分面的面积为 Mac=dAl，Mab=dAm，Mcb=dAn。,57,考虑,将上式除以dA，并注意到体积力项,当令dh0取极限时，体积力一项趋于零。,由此得到,考虑,考虑,应力边界条件,58,二维问题：应力边界条件,59,圣维南原理（局部影响原理）,物体表面某一小面积上作用的外力，如果为一静力等效的力系所代替，只能产生局部应力的改变，而在离这一面积稍远处，其影响可以忽略不计。,60,61,62,均匀分布载荷作用下的平板，应力分布是均匀的。,材料力学中的拉伸应力计算公式就是圣维南原理应用的结论。,63,一对集中力F/2作用点区域仍然有比较大的应力梯度变化，但是比等效力系F作用的变化小。,远离力的作用点区域，应力分布仍然均匀。而且均匀区域更大。,64,几何方程：位移与应变的关系,65,设P点的位移分量为u和v，由于坐标x有一增量dx，A点的位移较P点的位移也有一相应的增量，从而A点的位移分量为：。,同理，B点的位移分量为：,66,在小变形的前提下，APA1很小，可以认为，线段PA位移后的绝对伸长，可以用线段两端点沿x轴的位移之差来表示，即：。,从而线段PA的正应变 为：。,同理线段PB的正应变 为：。,67,对于三维情况的微分体，可以得到：,因此，可以总结为：,68,下面，研究线段PA与PB间所夹直角的变化，即剪应变 xy。这个剪应变由两部分组成，一部分是与x轴相平行的PA向y轴方向的转角1；另一部分是与y轴平行的线段PB向x轴方向的转角 2。在小变形情况下,69,上式分母中的，可以略去。从而上式可简写为：,同样可得：,线段PA与PB间的剪应变 xy等于1与 2 之和：,70,至此，我们得到了六个应变分量与三个位移分量间的全部关系式：,称为几何方程,71,几何方程式的矩阵形式为,72,变形连续方程,由几何方程可知，六个应变分量完全由三个位移分量u，v，w对x，y，z的偏导数所确定。因此，六个应变分量不会是互不相关的x，y，z的函数，相互之间必存在一定的关系。,73,从物理意义方面讲，物体在变形前是连续的，而在变形后仍是连续的。若六个应变分量互不相关，则每个微分体的变形是任意的，从而将使变形后的各微分体间出现“撕裂”或“重叠”，这显然与实际情况不符。要使物体变形后仍为连续的，六个应变分量间必满足一定的关系。下面推导这些关系。,74,六个应变分量间的关系，可以分为两组。,第一组 分别求 对y，x的二阶导数，得,将上两式相加，得,这就是应变分量间的一个关系式。,75,将x，y，z循环替换，可以得到,与,组成了第一组的三个关系式。,76,第二组 分别求 对z，x，y的导数，得,77,将第二和第三式相加，减去第一式，得,再求上式对z的导数：,78,将x，y，z循环替换，可以得到,与,组成了第二组的三个关系式。,上述六个微分关系式称为变形连续方程。,79,对于二维问题，由于几何方程简化为：,由于只存在以上三个应变分量，且都仅为x和y的函数，则变形连续方程仅剩有,80,物理方程,前边对物体的应力和变形分别进行了讨论。这种分析适用于任何变形体，即所得出的一些结论和公式与物体的物理性质无关。但仅有应力和应变的分析还不能解决问题，还必须进一步研究应力和应变间的物理关系。,81,由简单的轴向拉伸试验可知，在单向应力状态下，处于弹性阶段时，应力应变呈线性关系，即 x=Ex 其中E为材料的弹性模量。这就是虎克定律。,应变,82,工程上，一般将应力与应变间的关系表示为,称它们为物理方程（广义虎克定律）。,83,式中，E为弹性模量，为泊松比，G为剪切弹性模量，而且三者之间有如下的关系：,这些弹性常数不随应力的大小而改变，不随位置坐标而改变，也不随方向而改变。因为我们曾假设物体是完全弹性的、均匀的，而且是各向同性的。,84,物理方程用六个应力分量表示六个应变分量。当然也可以用应变分量来表示应力分量。由上页的关系式及物理方程可以推出：,85,若令,代表应变列阵和应力列阵，则应力应变关系可写成矩阵形式,86,其中,称为弹性矩阵，由弹性常数E和 决定。,87,由广义虎克定律，有二维平面应力情况下的物理方程：,物理方程,逆形式,88,弹性问题中的能量表示,弹性问题中的自然能量包括两类：外力功 应变能（以位移为基本变量的表达）或应变余能（以应力为基本变量的表达）,出于研究的需要，还要定义一些由自然能量所组合的物理量，如势能（以位移为基本变量的表达）、余能（以应力为基本变量的表达）等。,89,外力功,由于外力又包括作用在物体上的面力和体力，则外力功包括这两部分力所作的功。Part 1：外力（面力）在对应位移ui上所作的功（on Sp）Part 2：体积力 在对于位移ui上所作的功（in）,90,则外力总功为,应变能,3D情形下变形体应力与应变的对应变量为,91,其变形能包括两个部分：Part 1：对应于正应力与正应变的变形能 Part 2：对应于剪应力与剪应变的变形能,正应力和正应变,如图所示，在xoy平面内考察应变能，这时微体的厚度为dz，设微体dxdydz上只作用有 与，则由（可由试验所得）的关系求得的微体上的变形能 为,92,93,则整个物体 上 与 所产生的变形能,剪应力和剪应变,先考察一对剪应力和剪应变（如图所示），此时微体的厚度为dz，设微体dxdydz上只作用 与,则由 与 作用，在微体上产生的能量,94,95,则整个物体 上 与 所产生的变形能,整体变形能,由叠加原理，将所有方向的正应力应变和剪应力应变所产生的变形能相加，可得整体变形能,96,势能,定义系统的势能为,97,平面应变与平面应力问题,任何构件都占有三度空间，在载荷或温度变化等的作用下，物体内产生的应力、应变和位移必然是三向的。一般说来，它们都是三个坐标x、y、z的函数。这样的问题称为弹性力学空间问题。,98,当构件形状有某些特点，并且受到特殊的分布外力作用或温度变化影响，某些空间问题可以简化为弹性力学的平面问题。这些问题中的应力、应变和位移仅为两个坐标（如x、y）的函数。平面问题可以进而分为平面应变问题和平面应力问题两大类。,99,平面应变,同时有Z=0）的作用，而且约束条件也不沿长度变化。,100,这时，可以把构件在纵向作为无限长看待。因此，任一横截面都可以视为对称面，其上各点就不会产生沿z向的位移，而沿x、y方向的位移也与坐标z无关。则有,u=u(x,y),v=v(x,y),w=0,显然，在这种条件下构件所有横截面上对应点（x、y坐标相同）的应力、应变和位移是相同的。这样，我们只需从构件中沿纵向截出单位厚度的薄片进行分析，用以代替整个构件的研究。,101,在工程和机械中，许多结构或构件属于这一类问题。如直的堤坝和隧道；圆柱形长管受到内水（油）压力作用；圆柱形长辊轴受到垂直于纵轴的均匀压力等，均可近似的视为平面应变问题。,102,还有一种情况，当构件的纵向尺寸不很大但两端面被刚性光滑面固定，不能发生纵向位移时，若其他条件与上面所述相同，也属于平面应变问题。通常，只要是长的等直柱体或板，受到垂直于其纵轴而且沿长度方向无变化的载荷作用时，都可以简化为平面应变问题。下面是这种情况下的应力、应变以及弹性力学的基本方程式。,103,由几何方程中应变分量和位移函数的关系及位移公式，得,不等于零的三个应变分量是x、y和xy，而且应变仅发生在与坐标面xoy平行的平面内。,104,将，代入物理方程,得,将 代入物理方程,得,在z轴方向没有应变，但其应力 z并不为零。,105,得,106,如果用应变分量来表示应力分量，则有,由上面的分析可知，独立的应力分量只有 x、y 和txy 三个。,107,平面应力,对于具有如下特征的构件，可作为平面应力问题处理。(1)物体沿一个坐标方向的尺寸(如沿z轴方向)远小于沿其它两个方向的尺寸，如图所示的等厚度薄板；(2)外力作用在周边上，并与xoy面平行，板的侧面没有外力，体积力垂直于z轴；(3)由于板的厚度很小，故外载荷面积力和体积力都可看作是沿z轴方向均匀分布，并且为常量。,108,体积力沿板厚不变，且沿z轴方向的分力Z=0。在板的前后表面上没有外力作用。即,时,109,在平面应力问题中，认为 等于零，但沿z轴的应变不等于零。这与平面应变的情况刚好相反。将 代入物理方程，有,，则有,110,于是，物理方程的另外三式成为,如果用应变分量来表示应力分量，上面三式变为,111,比较两类平面问题的物理方程：,平面应力,平面应变,112,这里，,分别为应力矩阵、应变矩阵。矩阵D称为弹性矩阵。,如果用 和 分别代换平面应力物理方程各式中的E和，就得到平面应变物理方程，因此，我们可以将两类平面问题的物理方程写成统一的格式，用矩阵方程表示为,113,对于平面应力问题，弹性矩阵为,对于平面应变问题的弹性矩阵，只须在上式中，以 代E，代即可。,114,算例,已知平面应变问题中某一三角形三结点单元刚度子阵为：,试根据两类平面问题的转化关系写出该子阵对应平面应力问题的刚度子阵。,115,116,平面问题的解法,弹性力学平面问题有两个平衡微分方程，三个几何方程，三个物理方程。共有八个方程，其中含有三个应力分量，三个应变分量，两个位移分量u和v，共八个未知函数。从数学的观点来看，有足够的方程来求解这些未知函数，问题是可解的。我们要求出八个未知函数，使其满足八个方程，同时还必须满足全部（应力及位移）的边界条件。,117,如前所述，在一定的边界条件下求解基本方程，可以采用两种基本方法：一是位移法；另一种是应力法。,1.位移法,把两个位移分量u(x,y),v(x,y)作为基本未知函数。为此，必须利用物理方程和几何方程，将应力分量用位移分量表示出来。,118,对于平面应力问题，有物理方程,119,简化后，即得,120,这就是用位移分量表示的平衡微分方程。将,代入应力边界条件,121,得到用位移表示的应力边界条件：,位移边界条件：,由此可见，用位移法求解平面应力问题，归结为求解平衡微分方程，并在边界上满足边界条件。,122,如果所求的问题直接给出了边界上的位移，则应使得到的位移分量满足位移边界条件。求出位移分量后，即可用几何方程求得应变分量，再由物理方程求出应力分量。,对于平面应变问题，只需将上面各方程中的E换为，将换为。,123,2.应力法,对于弹性力学平面问题，往往已知构件所承受的载荷。一般以应力作为基本未知量较为方便，因此应力法应用较为广泛。在这里以三个应力分量、和 为基本未知函数，需要运用平衡微分方程变形连续方程 共同决定这三个未知函数。,124,在这三个方程中，两个平衡方程已经用应力表示了，尚需将应变表示的变形连续方程改为用应力来表示，为此，将物理方程,125,进一步可由物理方程求应变，再通过几何方程,把所得结果再与平衡方程联立求解，即可得出三个应力分量，同时使它们满足边界条件,求位移，使其满足位移边界条件。,126,第三章 有限元分析的数学基础,3.1 简单问题的解析求解,3.1.1 1D拉压杆问题,一个左端固定的拉杆在其右端承受一外力P，该拉杆的长度为l，横截面积为A，弹性模量为E，如图所示。,128,（1）基本变量,由于该问题是为沿x方向的一维问题，因此只有沿x方向的变量，而其它变量为零。即,129,（2）基本方程,对原三维问题的所有基本方程进行简化，只保留沿x方向的方程，有该问题的三大基本方程和边界条件如下：,130,131,（3）求解,对方程进行直接求解，可得到以下结果,132,其中c和c1为待定常数，由边界条件BC和，可求出中的常数c1=0，因此，有最后的结果：,133,（4）讨论1,若用经验方法求解（如材料力学的方法），则需先作平面假设，即假设 为均匀分布，则可得到,再由虎克定律可算出,134,再计算右端的伸长量为,经验方法求解的结果与弹性力学解析的结果完全一致。,135,（5）讨论2,该问题有关能量的物理量的计算为,应变能,外力功,势能,136,3.1.2 平面梁的弯曲问题,受分布载荷的简支梁如图所示，由于简支梁的厚度较薄，外载沿厚度方向无变化，该问题可以认为是一平面问题（xoy）,137,（1）基本方程的建立,描述该变形体同样应有三大方程和两类边界条件，有以下两种方法来建立基本方程。用弹性力学中dxdy微体建模方法推导三大方程 用简化的“特征建模”方法推导三大方程。下面给出简化的“特征建模”方法的推导过程，其思想是用工程宏观特征量进行描述。,138,基本变量,139,下面取具有全高度梁的dx”微段”来推导三大方程,140,针对图中“微段”，应有三个平衡方程，由，有,其中，y为距梁中性层的坐标。由，有，即,-,141,由，有，即,由变形后的几何关系，可得到,其中，y为距中性层的坐标，为梁挠度的曲率，即,142,由虎克定律,对以上方程进行整理，有描述平面梁弯曲问题的基本方程,将原始基本变量定为中性层的挠度v(x)，则可求出其它参量。,143,该简支梁的边界为梁的两端，作用在梁上的q(x)已在平衡方程中考虑，因此不作为力的边界条件。,两端位移,两端力（弯矩）,144,将弯矩以挠度的二阶导数来表示，即,（2）求解,若用基于dxdy微体所建立的原始方程（即原平面应力问题中的三大类方程）进行直接求解，比较麻烦，并且很困难，若用基于以上简化的“特征建模”方法所得到的基本方程进行直接求解则比较简单，对本例问题（如为均匀分布），其方程为：,145,这是一个常微分方程，其解的形式有,146,其中c0c3为待定系数，可由四个边界条件BC求出，最后有结果,（3）讨论,该问题有关能量的物理量计算为：,应变能,147,外力功,势能,148,第四章 杆梁结构的有限元分析原理,本章提到的,FEM即 有限元方法(Finite Element Method),FEA即 有限元分析(Finite Element Analysis),4.1 一个简单结构FEA求解的完整过程,一个阶梯形状的二杆结构如图所示，其材料的弹性模量和结构尺寸如下：,150,该结构由两根杆件组成，作为一种直觉，需要研究相应的“特征结构”，即杆单元，将该“特征结构”抽象为具有两个结点的单元，如下图所示。,151,e,下面考察该简单问题的FEA求解过程。,(1)离散化,两个杆单元，即：单元和单元,152,(2)单元的特征及表达,对于二结点杆单元，设该单元的位移场为，那么它的两个结点条件为,设该单元的位移场具有模式（考虑两个待定系数）,153,利用结点条件，可以确定系数a0和a1，即,将系数a0和a1代入，可将 表达成结点位移(u1,u2)的关系，即,154,其中,由一维问题几何方程和物理方程，则该单元的应变和应力为,155,其中,156,单元的势能,其中,叫做单元刚度矩阵。,叫做单元结点外载。,在得到“特征单元”的单元刚度矩阵和单元结点外载后，就可以计算该单元的势能，因此，计算各单元的矩阵 和 是一个关键，下面就本题给出了个单元的 和。,具体就单元，有,单元的结点位移向量,单元的刚度矩阵,单元的结点外载,其中P1为结点1的支反力。,具体就单元，有,单元的刚度矩阵,单元的结点外载,单元的结点位移向量,(3)装配集成以得到系统的总体势能,计算整体的势能,(4)处理位移边界条件并求解,由图可知，其边界条件为左端固定，即u1=0，将该条件代入总体势能公式，有,这时由全部结点位移0 u2 u3分段所插值出的位移场为全场许可位移场。,由最小势能原理（即针对未知位移u2和u3求一阶导数），有,可解出,(5)计算每个单元的应变及应力,在求得了所有的结点位移后，由几何方程,可求得各单元的应变,由方程,可求得各单元的应力,(6)求结点1的支反力,就单元 的势能，对相应的结点位移求极值，可以建立该单元的平衡方程，即,有,则结点1的外力为：,(7)讨论,如果我们在处理位移边界条件之前，先对总势能取极值，有,在上述方程的基础上，再处理位移边界条件(BC)，即令u1=0，即可从上述方程求出u2，u3和P1，其求解的值与前面的结果完全相同。,这就给我们提供了一个方便，即，可以先进行各单元的装配集成，以形成该系统的整体极值方程，类似于上页的式子，最后才处理位移边界条件，同时也可以通过该整体方程直接求出支反力。这样可以适应更多的边界条件工况，更具有通用性。,4.2 有限元分析的基本步骤和表达式,从上面的简单实例中，可以总结出有限元分析的基本思路（以杆单元为例）：,单元的位移（场）模式（唯一确定性原则，完备性原则）,基本步骤及相应的表达式,(1)物体几何的离散化,单元的结点描述,为具有特征的单元。,(2)单元的研究（所有力学信息都用结点位移来表达）,为几何位置坐标。,所有物理量的表达（所有力学量都用结点位移来表达）,其中,单元的平衡关系,上式的实质（物理含义）是对应于单元体内的力平衡和单元结点上的力平衡。,(3)装配集成,整体平衡关系,其中,(4)处理BC并求解结点位移,目的是获得满足位移边界条件的许可位移场。,其中，qu为未知结点位移，qk为已知结点位移，,Pu为未知结点力（即支反力），Pk为已知结点力。,将上页方程代入以下两个方程表达式：,可以先由（1）式直接求出未知结点位移：,(5)求支反力,(6)其它力学量的计算,在求出未知结点位移qu后，由上页的(2)式可求出支反力,单元和整体的应变及应力,4.3 杆单元及坐标变换,4.3.1 局部坐标系中的单元描述,局部坐标系中的杆单元,上图所示的杆单元，设有两个端结点(Node1和Node2)，结点位移向量 和结点力向量 为,利用函数插值、几何方程、物理方程以及势能计算公式，可以将单元的所有力学参数（场变量）(和)用结点位移向量来表示。,(1)单元位移场ue(x)的表达,由于有两个结点位移条件，可假设该单元的位移场为具有两个待定系数的函数模式，即,其中a0和a1为待定系数。由该单元的结点位移条件,可求出上页的a0和a1，则 可重新写成,其中，叫做单元的形状函数矩阵，即,由弹性力学中的几何方程（这里为一维问题）有,(2)单元应变场 的表达,其中 叫做单元的几何函数矩阵，即,由弹性力学中的物理方程，有,(3)单元应力场 的表达,其中，为该单元的弹性模量，叫做单元的应力函数矩阵，即,(4)单元势能 的表达,其中，叫做单元的刚度矩阵，即,(5)单元的刚度方程,由最小势能原理（针对该单元），将 对待定的结点位移向量 取一阶极小值，有,这就是单元的刚度方程，由最小势能原理的性质（系统的势能最小可推导出力的平衡方程和力的边界条件）可知，上式的物理含义是：该单元的力的平衡关系。,4.3.2 平面问题中杆单元的坐标变换,在工程实际中，杆单元可能出于整体坐标系中的任意一个未知，如上图所示，这需要将原来在局部坐标系中所得到的单元表达等价地变换到整体坐标系中，这样，不同位置的单元才有公共的坐标基准，以便对各个单元进行集成和装配。,上图中局部坐标系中的结点位移,上图中整体坐标系中的结点位移,对于结点1，整体坐标系下的结点位移 和其合成的结果应完全等效于；对于结点2，结点位移 和 合成的结果应完全等效于，即存在以下的等价变换关系,写成矩阵形式,其中 为坐标变换矩阵，即,下面推导整体坐标系下的刚度方程，由于单元的势能是一个标量（能量），不会因坐标系的不同而改变，因此，将结点位移 的坐标变换关系代入单元势能 公式，有,其中，为整体坐标系下的单元刚度矩阵，为整体坐标系下的结点力，即,对于本节给出的杆单元，具体有,由最小势能原理（针对该单元），将 对待定的结点位移向量 取一阶极小值，有整体坐标系中的刚度方程,4.3.3 空间问题中杆单元的坐标变换,就空间问题中杆单元，局部坐标系下的结点位移还是,而整体坐标系中的结点位移为,杆单元轴线在整体坐标系中的方向余弦为,其中 和 分别为结点1和结点2在整体坐标系中的位置，l是杆单元的长度，和平面情形类似，与 之间存在以下转换关系：,刚度矩阵和结点力的变化与平面情形相同，即为,其中 为坐标变换矩阵，即,4.4 梁单元及其坐标变换,4.4.1 局部坐标系中的纯弯梁单元,上图所示为一局部坐标系中的纯弯梁，设有两个端结点（Node1和Node2），结点位移 和结点力 为,和前面推导杆单元时的情形类似，利用函数插值、几何方程、物理方程以及势能计算公式，我们可以将单元的所有力学参量（场变量）用结点位移向量 来表示。,由于有四个位移结点条件，可假设纯弯梁单元的位移场为具有四个待定系数的函数模式，即,(1)单元位移场的表达,其中 为待定系数。,由该单元的结点位移条件,可求出 中的4个待定系数，即,将上式代入 中，重写位移函数，有,其中，叫做单元的形状函数矩阵，即,(2)单元应变场的表达,由纯弯梁的几何方程，有梁的应变表达式,其中 为基于中性层的坐标，叫做单元的几何函数矩阵，即,其中,(3)单元应力场的表达,其中 弹性模量，叫做单元的应力函数矩阵,该单元的势能为,(4)单元势能 的表达,其中应变能,其中 为刚度矩阵，即,其中,为惯性矩，则外力功为,(5)单元的刚度方程,同样，由最小势能原理，将 对 取一阶极小值，有刚度方程,其中刚度矩阵 和力矩阵 分别在以上的计算中给出。注意上式中的下表(44)(41)(41)为各个矩阵的维数（即行和列）。,4.4.2 局部坐标系中的平面梁单元,为推导平面问题中的梁单元的坐标变换公式，我们在纯弯梁的基础上叠加轴向位移（由于为线弹性问题，满足叠加原理），如下图所示,上图所示平面梁单元的结点位移 和结点力 为,相应的刚度方程为,将杆单元刚度矩阵与纯弯梁单元刚度矩阵进行组合，可得到刚度矩阵,4.4.3 平面问题中梁单元的坐标变换,局部坐标系下的结点位移,整体坐标系中的结点位移,注意：转角 和 在两个坐标系中是相同的。,按照两个坐标系中的位移向量相等效的原则，可推导出以下变换关系。,写成矩阵形式有,其中T为坐标变换矩阵，即,则整体坐标系中的刚度方程为,其中,空间梁单元除承受轴力和弯矩外，还可能承受扭矩的作用，而且弯矩可能同时在两个坐标面内存在，如下图,4.4.4 空间梁单元及坐标变换,下面，我们分别基于前面杆单元和平面梁单元的刚度矩阵分别写出上图中各对应结点位移的刚度矩阵，然后进行组合以形成完整的刚度矩阵。,对应于上图中梁单元，其局部坐标系中的结点位移 和结点力 为,(1)对应于图中的结点位移(u1,u2),这是轴向位移，有刚度矩阵,(2)对应于图中的结点位移(,),这是杆受扭时的情形，其刚度矩阵为,其中J为横截面的扭转惯性矩，G为剪切模量。,这是梁在xoy平面内的纯弯曲情形，有刚度矩阵,(3)对应于图中xoy平面内的结点位移,其中Iz为梁的横截面绕z轴的惯性矩。,(4)对应于图中xoz平面内的结点位移,这是梁在xoz平面内的纯弯曲情形，有刚度矩阵,(5)将各分刚度矩阵进行组合以形成完整的单元刚度矩阵,将上述各分刚度矩阵的元素进行组合，则可形成局部坐标系中空间梁单元的完整刚度矩阵，即,(6)空间梁单元坐标变换,空间梁单元坐标变换的原理和方法与平面梁单元的坐标变换相同，只要分别写出两个坐标系中的位移向量的等效关系则可得到坐标变换矩阵，即 局部坐标系中空间梁单元的结点位移,整体坐标系中的结点位移,对应于各组位移分量，可分别推导相应的转换关系，具体的，对结点1，有,同样，对结点2有以下转换关系,以上的 为结点坐标变换矩阵，即,其中 分别表示局部坐标轴(x，y，z)对整体坐标轴的方向余弦。,将以上各式写在一起，有,其中T为坐标变换矩阵，即,第五章 连续体弹性问题的有限元分析原理,5.1 连续体问题的特征及有限元分析过程,杆梁结构系统由于本身存在有自然的连接关系即自然结点，所有它们的离散化均叫做自然化离散，这样的计算模型对原始结构具有很好的描述。而连续体结构则不同，它本身内部不存在有自然的连接关系，而是以连续介质的形式进行物质间的相互关联，所以，必须人为的在连续体内部和边界上划分结点，以分片（单元）连续的形式来逼近原来复杂的几何形状，这种离散过程叫做逼近性离散过程。如下图所示,(1)原连续体（几何上）的逼近离散,对应于连续体的力学分析，有限元分析的一般过程如下：,其中 为单元。,(2)单元特性的研究,研究单元特性以形成单元刚度矩阵和结点外载矩阵,结点自由度（位移）描述：,位移模式（简单性、完备性、连续性、唯一确定性）,由结点条件确定位移模式中的待定系数，推导出形状函数矩阵：,单元应变场的表达（由几何方程）：,：形状函数矩阵,：弹性力学中几何方程算子：几何方程,单元应力场的表达（由物理方程）：,：弹性力学中的弹性系数矩阵：应力矩阵,单元势能的表达,在以上公式中，,：单元刚度矩阵,：单元结点力矩阵,：体积力向量,：面积力向量,其中,几何的集成,对单元势能，应用最小势能原理，可得到单元的平衡关系,(3)离散单元的装配和集成,结点位移的集成,刚度矩阵的集成,结点外载的集成,形成整体刚度方程,(4)处理边界条件并且求解结点位移,(5)求各单元内的应变、应力、支反力,三结点三角形2D单元如下图所示。三个结点为1、2、3，各自的位置坐标为(xi，yi)，i=1，2，3，各自的结点位移（分别沿x方向和y方向）为(ui，vi)，i=1，2，3。,5.2 2D单元（三结点、四结点）的构造,5.2.1 三结点三角形2D单元,上图所示三结点三角形2D单元，结点位移向量 和结点力向量 为,下面，我们需要将所有力学参量用结点位移向量 来表达。,(1)单元位移场的表达,就三结点三角形2D单元，考虑到简单性、完备性、连续性及待定系数的唯一确定性原则，选取位移模式为,由结点条件，在x=xi，y=yi处，有,（1）,（2）,将（1）代入结点条件（2）中，可求解（1）中的待定系数，即,在上述各式中，,将各系数代入（1）中，重写位移函数，并以结点位移的形式表示，有,写成矩阵形式，,其中 为形状函数矩阵，即,由弹性力学平面问题的几何方程,(2)单元应变场的表达,其中几何函数矩阵 为,将形函数代入上式，有,其中,由弹性力学平面问题的物理方程,(3)单元应力场的表达,其中平面应力问题的弹性系数矩阵为,将几何方程代入物理方程，有,为单元应力矩阵。,其中,t为平面问题的厚度。,(4)单元的势能的表达,其中 是单元刚度矩阵，即,势能公式中的 为单元结点等效载荷，即,其中 为单元上作用有外载荷的边。为线积分,(5)单元的刚度方程,讨论1：平面三结点三角形单元的结点位移和坐标变换,由于该单元的结点位移是以整体坐标系中的x方向位移(u1)和y方向位移(v1)来定义的，所以没有坐标变换问题。,讨论2：平面三结点三角形单元的应变矩阵和应力矩阵为常系数矩阵,单元的位移场为线性关系，由于只与(xi，yi)相关，是常系数，因而求出的 和 为常系数矩阵，不随x、y变化，即这种单元在单元内任意一点的应变和应力都相同。因此，三结点三角形单元称为常应变单元，在应变梯度较大（即应力梯度比较大）的部位，单元划分应适当密集，否则将不能反映应变的真实变化而导致较大的误差。,5.2.2 四结点矩形2D单元,无量纲坐标：,上图所示的四结点矩形2D单元，结点位移向量和结点力向量 为,下面，将所有力学参量用结点位移 来表示。,(1)单元位移场的表达,从图中可以看出，结点条件共有8个，即x方向4个（u1，u2，u3，u4），y方向4个（v1，v2，v3，v4），因此，x和y方向的位移场可以各有4个待定系数，即取以下多项式作为单元的位移场模式,它们是具有完全一次项的非完全二次项，其中以上两式中右端的第四项是考虑到x方向和y方向的对称性而取的，而未选x2或y2项。由结点条件，在x=xi，y=yi处，有,将上页位移场公式代入上式，可以求解出待定系数a0，a3和b0，b3，然后再代回位移场公式，经整理，有,其中,如以无量纲坐标系来表达，上式可以写成,将位移场写成矩阵形式，有,其中 为该单元的形状函数矩阵。,(2)单元应变场的表达,其中，几何函数矩阵 为,上式中的 为,(3)单元应力场的表达,(4)单元势能的表达,其中t为平面问题的厚度。,上式中的 为四结点矩形2D单元的刚度矩阵，即,上式中的 为,势能公式中的 为单元等效结点载荷，即,其中 为单元上作用有外载荷的边。,(5)单元的刚度方程,讨论1：四结点矩形单元的几何形状坐标变换,就变换而言，有两类变换，即：结点位移的坐标变换和几何形状上的坐标变换；由于所讨论的四结点矩形单元中，结点位移的定义是基于整体坐标系的x方向和y方向，因此该单元的变换将主要在几何形状上，因为实际问题往往很难都用四结点矩形单元来划分网格，很多情况下要采用任意四边形单元，这需要将来把所研究的矩形单元映射到任意四边形中去，这就是等参元变换。,讨论2：四结点矩形单元的应变和应力为一次线性变化,四结点矩形单元的位移在x，y方向呈线性变化，所以称为双线性位移模式，正因为在单元的边界x=a和y=b上，位移是按线性变化，且相邻单元公共结点上有共同的结点位移值，可保证两个相邻单元在其公共边界上位移的连续性，这种单元的位移模式是完备和协调的，它的应变和应力为一次线性变化，因此比三结点常应变单元精度高。,第六章 有限元分析中的若干问题考虑,6.1 单元结点编号和