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有限元分析理論基礎 山東交通學院汽車工程系車輛工程教研室 材料力學與彈性力學 本課程中所指的是有限單元法在彈性力學問題中的應用 因此要用到彈性力學的某些基本概念和基本方程 本章將簡單介紹這些概念和方程 作為彈性力學有限單元法的預備知識 預備知識 彈性力學 區(qū)別與聯(lián)系 材料力學1 研究的內容 基本上沒有什么區(qū)別 彈性力學也是研究彈性體在外力作用下的平衡和運動 以及由此產生的應力和變形 2 研究的對象 有相同也有區(qū)別 材料力學基本上只研究桿 梁 柱 軸等桿狀構件 即長度遠大于寬度和厚度的構件 彈性力學雖然也研究桿狀構件 但還研究材料力學無法研究的板與殼及其它實體結構 即兩個尺寸遠大于第三個尺寸 或三個尺寸相當?shù)臉嫾?彈性力學 區(qū)別與聯(lián)系 材料力學3 研究的方法 有較大的區(qū)別 雖然都從靜力學 幾何學與物理學三方面進行研究 但是在建立這三方面條件時 采用了不同的分析方法 材料力學是對構件的整個截面來建立這些條件的 因而要常常引用一些截面的變形狀況或應力情況的假設 這樣雖然大大簡化了數(shù)學推演 但是得出的結果往往是近似的 而不是精確的 而彈性力學是對構件的無限小單元體來建立這些條件的 因而無須引用那些假設 分析的方法比較嚴密 得出的結論也比較精確 所以 我們可以用彈性力學的解答來估計材料力學解答的精確程度 并確定它們的適用范圍 材料力學 區(qū)別與聯(lián)系 彈性力學 彈性力學 區(qū)別與聯(lián)系 材料力學總之 彈性力學與材料力學既有聯(lián)系又有區(qū)別 它們都同屬于固體力學領域 但彈性力學比材料力學 研究的對象更普遍 分析的方法更嚴密 研究的結果更精確 因而應用的范圍更廣泛 但是 彈性力學也有其固有的弱點 由于研究對象的變形狀態(tài)較復雜 處理的方法又較嚴謹 因而解算問題時 往往需要冗長的數(shù)學運算 但為了簡化計算 便于數(shù)學處理 它仍然保留了材料力學中關于材料性質的假定 彈性力學中關于材料性質的假定 1 物體是連續(xù)的 亦即物體整個體積內部被組成這種物體的介質填滿 不留任何空隙 這樣 物體內的一些物理量 如應力 應變 位移等等才可以用座標的連續(xù)函數(shù)來表示 2 物體是完全彈性的 亦即當使物體產生變形的外力被除去以后 物體能夠完全恢復原形 而不留任何殘余變形 這樣 當溫度不變時 物體在任一瞬時的形狀完全決定于它在這一瞬時所受的外力 與它過去的受力情況無關 3 物體是均勻的 也就是說整個物體是由同一種材料組成的 這樣 整個物體的所有各部分才具有相同的物理性質 因而物體的彈性常數(shù) 彈性模量和波桑系數(shù) 才不隨位置座標而變 彈性力學中關于材料性質的假定 4 物體是各向同性的 也就是說物體內每一點各個不同方向的物理性質和機械性質都是相同的 5 物體的變形是微小的 亦即當物體受力以后 整個物體所有各點的位移都遠小于物體的原有尺寸 因而應變和轉角都遠小于1 這樣 在考慮物體變形以后的平衡狀態(tài)時 可以用變形前的尺寸來代替變形后的尺寸 而不致有顯著的誤差 并且 在考慮物體的變形時 應變和轉角的平方項或乘積項都可以略去不計 這就使得彈性力學中的微分方程都成為線性方程 2020 3 1 愛學習 愛交院 9 2 1外力 應力 應變與位移在有限元法中的表示方法 一 外力 外力可以分為體積力 面積力和節(jié)點之中力 分別用以下符號表示 1 體積力 2 表面力 3 節(jié)點集中力 節(jié)點集中力是廣義力 可以是力 也可以是力矩 2020 3 1 愛學習 愛交院 10 二 應力 空間三維問題 平面問題 三 應變 空間三維問題 平面問題 四 位移 空間三維問題 平面問題 一維問題 一維問題 一維問題 2020 3 1 愛學習 愛交院 11 2 2彈性力學的基本方程 一 平衡方程 在物體內的任意一點P 割取一個微小的平行六面體 它的直于坐標軸 而棱邊的長度分別為 PA dx PB dy PC dz 如上圖2 1所示 以x軸為投影軸 列出投影的平衡方程 得 2020 3 1 愛學習 愛交院 12 2020 3 1 愛學習 愛交院 13 整理后得到 在上式中消掉 得到 利用 和 還可以得到另外兩個方程 即 彈性體平衡微分方程 該方程給出地是微元體的平衡條件 即平衡的微分條件 也就是說如果整個結構處于平衡狀態(tài) 結構內部任意點 微元體 都必須滿足的條件 2020 3 1 愛學習 愛交院 14 二 幾何方程 給出彈性體內部任意點處的應變與位移之間的微分關系 1 應變與位移的關系 以 為例 彈性體內任意點的應變與位移的關系如圖示 在結構取一微小線段 兩個端點變形前的坐標分別為 兩個端點變形后的坐標分別為 2020 3 1 愛學習 愛交院 15 在小變形情況下 變形后微小線段的長度可以近似表示為為 根據(jù)應變的定義可得 2020 3 1 愛學習 愛交院 16 同理可推導出其它5個應變分量 則彈性體內任意點的6個應變分量可以表示為 對于平面問題 應變 位移關系可以簡化為 對于一維問題 應變 位移關系可以進一步簡化為 2020 3 1 愛學習 愛交院 17 2 應變 位移關系的矩陣表示 三維情況 令 其中 稱微分算子 稱算子矩陣 2020 3 1 愛學習 愛交院 18 二維問題的應變 位移關系可簡化為 一維問題的應變 位移關系可進一步簡化為 則應變 位移關系可以簡記為統(tǒng)一的矩陣形式 2020 3 1 愛學習 愛交院 19 三 物理方程 本構關系 1 有限元本構關系的矩陣形式為 對于三維情況有 2020 3 1 愛學習 愛交院 20 2 對于二維平面應力問題的定義 平面應力 由此可以得出 此時有 3 對于二維平面應變問題的定義 平面應變 由此可以得出 此時有 2020 3 1 愛學習 愛交院 21 四 相容方程 協(xié)調方程 相容方程給出彈性體的變形協(xié)調性條件 彈性體在變形之前是連續(xù)的 變形后仍然要保持連續(xù) 即彈性體內部各點的位移必須是單值連續(xù)的 不能出現(xiàn)重疊或開裂現(xiàn)象 由于有限元采用的多項式位移插值函數(shù)全部滿足相容條件 只要求了解這一概念 具體形式不作要求 虛功原理及虛功方程 圖1 8a示一平衡的杠桿 對C點寫力矩平衡方程 圖1 8b表示杠桿繞支點C轉動時的剛體位移圖 綜合可得 即 式 1 15 是以功的形式表述的 表明 圖a的平衡力系在圖b的位移上作功時 功的總和必須等于零 這就叫做虛功原理 虛功原理 進一步分析 當杠桿處于平衡狀態(tài)時 和這兩個位移是不存在的 但是如果某種原因 例如人為地振一下讓它傾斜 一定滿足 1 15 式的關系 將這個客觀存在的關系抽象成一個普遍的原理 去指導分析和計算結構 對于在力的作用下處于平衡狀態(tài)的任何物體 不用考慮它是否真正發(fā)生了位移 而假想它發(fā)生了位移 由于是假想 故稱為虛位移 那么 物體上所有的力在這個虛位移上的總功必定等于零 這就叫做虛位移原理 也稱虛功原理 在圖1 8a中的和所作的功就不是發(fā)生在它本身 狀態(tài)a 的位移上 因為它本身是平衡的 不存在位移 而是在狀態(tài) b 的位移上作的功 可見 這個位移對于狀態(tài) a 來說就是虛位移 亦即是狀態(tài) a 假象的位移 虛功原理 必須指出 虛功原理的應用范圍是有條件的 它所涉及到的兩個方面 力和位移并不是隨意的 對于力來講 它必須是在位移過程中處于平衡的力系 對于位移來講 雖然是虛位移 但并不是可以任意發(fā)生的 它必須是和約束條件相符合的微小的剛體位移 還要注意 當位移是在某個約束條件下發(fā)生時 則在該約束力方向的位移應為零 因而該約束力所作的虛功也應為零 這時該約束力叫做被動力 如圖1 8中的反力 由于支點C沒有位移 故所作的虛功對于零 反之 如圖1 8中的和是在位移過程中作功的力 稱為主動力 因此 在平衡力系中應當分清楚哪些是主動力 哪些是被動力 而在寫虛功方程時 只有主動力作虛功 而被動力是不作虛功的 虛功原理與虛功方程 虛功原理表述如下 在力的作用下處于平衡狀態(tài)的體系 當發(fā)生與約束條件相符合的任意微小的剛體位移時 體系上所有的主動力在位移上所作的總功 各力所作的功的代數(shù)和 恒對于零 虛功原理用公式表示為 這就是虛功方程 其中P和相應的代表力和虛位移 虛功原理 用于彈性體的情況 虛功方程 1 16 是按剛體的情況得出的 即假設圖1 8的杠桿是絕對剛性 沒有任何的變形 因而在方程 1 15 或 1 16 中沒有內功項出現(xiàn) 而只有外功項 將虛功原理用于彈性變形時 總功W要包括外力功 T 和內力功 U 兩部分 即 W T U 內力功 U 前面有一負號 是由于彈性體在變形過程中 內力是克服變形而產生的 所有內力的方向總是與變形的方向相反 所以內力功取負值 根據(jù)虛功原理 總功等于零得 T U 0外力虛功T 內力虛功U彈性力學中的虛功原理可表達為 在外力作用下處于平衡狀態(tài)的彈性體 如果發(fā)生了虛位移 那么所有的外力在虛位移上的虛功 外力功 等于整個彈性體內應力在虛應變上的虛功 內力功 2020 3 1 愛學習 愛交院 27 2 根據(jù)結構的特點 選擇不同類型的單元 對復合結構可能同時用到多種類型的單元 此時還需要考慮不同類型單元的連接處理等問題 3 根據(jù)計算分析的精度 周期及費用等方面的要求 合理確定單元的尺寸和階次 4 根據(jù)工程需要 確定分析類型和計算工況 要考慮參數(shù)區(qū)間及確定最危險工況等問題 5 根據(jù)結構的實際支撐情況及受載狀態(tài) 確定各工況的邊界約束和有效計算載荷 2020 3 1 愛學習 愛交院 28 在有限元法中通常選擇多項式函數(shù)作為單元位移插值函數(shù) 并利用節(jié)點處的位移連續(xù)性條件 將位移插值函數(shù)整理成以下形函數(shù)矩陣與單元節(jié)點位移向量的乘積形式 位移插值函數(shù)需要滿足相容 協(xié)調 條件 采用多項式形式的位移插值函數(shù) 這一條件始終可以滿足 但近年來有人提出了一些新的位移插值函數(shù) 如 三角函數(shù) 樣條函數(shù)及雙曲函數(shù)等 此時需要檢查是否滿足相容條件 2020 3 1 愛學習 愛交院 29 形函數(shù)的性質 1 相關節(jié)點處的值為1 不相關節(jié)點處的值為0 2 形函數(shù)之和恒等于1 2 位移插值函數(shù)的收斂性 完備性 要求 1 位移插值函數(shù)必須包含常應變狀態(tài) 2 位移插值函數(shù)必須包含剛體位移 2020 3 1 愛學習 愛交院 30 使用最小勢能原理 需要計算結構勢能 由彈性應變能和外力虛功兩部分構成 結構已經(jīng)被離散 彈性應變能可以由單元彈性應變能疊加得到 外力虛功中的體力 面力都是分布在單元上的 也可以采用疊加計算 2020 3 1 愛學習 愛交院 31 2020 3 1 愛學習 愛交院 32 幾點說明 1 單元剛度矩陣具有正定性 奇異性和對稱性三各重要特性 所謂正定性指所有對角線元素都是正數(shù) 其物理意義是位移方向與載荷方向一致 奇異性是說單元剛度矩陣不滿秩是奇異矩陣 其物理意義是單元含有剛體位移 對稱性是說單元剛度矩陣是對稱矩陣 程序設計時可以充分利用 2 按照本節(jié)公式計算的單元等效體力載荷向量和等效面力載荷向量稱為一致載荷向量 實際分析時有時也采用靜力學原理計算單元等效體力載荷向量和等效面力載荷向量 實際應用表明在大多數(shù)情況下 這樣做可以簡化計算 同時又基本上不影響分析結果 2020 3 1 愛學習 愛交院 33 2020 3 1 愛學習 愛交院 34 2020 3 1 愛學習 愛交院 35 2020 3 1 愛學習 愛交院 36 2020 3 1 愛學習 愛交院 37 3 對稱性整體剛度矩陣也是是對稱矩陣 程序設計時可以充分利用這些特性來達到節(jié)約內存 提高計算效率的目的 例如 實際程序中通常采用半三角存儲 一維等帶寬存儲和一維變帶寬存儲等緊縮存儲方案 2 帶狀分布帶狀分布是說整體剛度矩陣的非零元素全都分布在對角線附近的一個帶狀區(qū)域內 帶狀區(qū)域的寬度稱為帶寬 它與模型的節(jié)點編序有關 合理的節(jié)點編號 可以減小帶寬 因此 很多有限元前處理軟件都有帶寬優(yōu)化模塊 2020 3 1 愛學習 愛交院 38 2020 3 1 愛學習 愛交院 39 單元幾何矩陣單元剛度矩陣單元等效體力載荷向量單元等效面力載荷向量結構整體剛度矩陣 總剛 單元應力計算公式 小結