有限元教案_第三章(杆系单元2)

合集下载

有限元方法课件 第三章 杆系结构有限元

有限元方法课件 第三章 杆系结构有限元

3. 其他单元的单元刚度矩阵
(1) 平面桁架单元
EA Fxie l 0 0 F e EA xj 0 l 0 0 0 0 0 EA l 0 EA l 0
e 0 ui v e 0 i u e 0 j v e j 0
§3-2 单元刚度矩阵
1. 建立单元杆端力与杆端位移之间的关系
截面直杆单元e , 其杆端位移列向量与杆端力列 向量分别为 T {δ e } u ie vie i e u je v je je T e e e e {F e } Fxi Fyi M ie Fxj Fyj Me j
5. 正负号规定(强调) 杆端位移和杆端力(对单元而言)的正负号: 凡是与单元坐标轴方向一致的位移和力均为正值,
反之为负值。
力矩和转角以逆时针方向为正,反之为负。 作用在结点上的外力和结点位移(对整体而言)的 正负号: 与整体坐标系方向一致的结点力和结点位移为正,反 之为负。
以逆时针转的结点力矩和结点转角为正值,反之为负 值。
0 0 0 0
{F } F
{δ } u
e e
e i e xi
v
e i
u
e j e xj
v 0
e T j
0 F



T
(10-9)
单元刚度矩阵为:
EA l [K e ] 0 EA l 0 EA l 0 EA l 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 EA 0 1 0 l 0 0 0
对于杆系结构,杆系结构有限元法易于编制通用的计算程序。

第三章 杆系有限元

第三章 杆系有限元


单元应力: E EBd 下面应用弹性体虚功原理导出单元刚度方程。
等截面杆单元
虚位移原理
弹性体受力平衡时,若发生虚位移,则外力虚功等于弹
性体内的虚应变能。——平衡条件
对于杆单元,定义虚位移如下: ui 节点虚位移: d u j 单元虚位移: u Nd
3)单元刚度矩阵对称、奇异、主对角元素恒正。
等截面杆单元
(四)举例 例1:求图示2段杆中的应力。
解:系统分为2个杆单元,单元之间在节点2连接。
单元刚度矩阵分别为:
等截面杆单元
(四)举例 例:求图示2段杆中的应力。
解:系统分为2个杆单元,单元之间在节点2连接。
单元刚度矩阵分别为:
等截面杆单元
参考弹簧系统的方法,装配系统的有限元方程(平衡方程):
1 一个弹簧单元 的分析 2 弹簧系统
什么是单元特性? 弹簧单元的刚度矩阵 弹簧单元的刚度方程 弹簧单元刚度矩阵的特点
弹簧系统的总刚度矩阵 如何求解系统的平衡方程
弹簧单元分析
弹簧是宏观力学特性最简单的弹性元件。下面以平衡弹簧系
统中一个弹簧单元为研究对象进行分析。
2个节点:
i, j
fi , f j
很多工程结构由 杆件组成,这类 结构的设计往往 需要进行有限元 分析。
常见的杆系结构
弹簧
○ ○ ○






梁 拱 刚架
桁架
○ ○ ○ ○ ○
3.1 引言
3.2 弹簧单元和弹簧系统 3.3 杆单元和平面桁架 3.4 梁单元和平面刚架 3.5 刚架分析实例 3.6 ANSYS分析实例
弹簧单元和弹簧系统
注意:总刚度矩阵 就是单元刚度矩阵 扩大后的叠加!

杆梁结构的有限元法

杆梁结构的有限元法

l
[K]e l[B]T EA[B]dx 0
[K ]e

AE l
1 1
1
1

3-2 杆单元刚度矩阵
如图为只受扭转的杆单
y
元。同上分析,只需将
相应的变量和符号进行
xi
替换,可得扭力杆的刚
度矩阵:
M xi
xj
M xj
x
Fe Mix
T
M jx
假设杆只承受扭矩,只有绕轴线扭转变
M j , j
x
Fjy ,v j
F e Fiy
Mi
Fjy
T
M j
e vi
i
vj
T
j
1、位移函数
v 1 2x 3x2 4x3
据材料力学可知,转角与扰度存在如下关系:


dv dx

2

23x

3 4 x2
3-3 纯弯曲梁单元刚度矩阵
刚度矩阵为:
杆单元扩大刚度矩阵
K e K e K e
1
2
弯曲梁单元扩大刚度矩阵
1 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

12 6l
0 12
6l

=
EA l

0
0 1
0 0
0 0

EI z l3

4l2 0 6l 2l2
载荷突变点必须设置节点
3
1
2
截面变化点必须设置节点
4
5
3-2 杆单元刚度矩阵
由于杆梁问题有解析解,所以杆梁单元无需假设近似函数作为 位移函数,其刚度矩阵可直接按材料力学的基本公式,建立平 衡推得,如绪论介绍的实例所示。但为了统一有限元分析的格 式,这里仍按有限元的基本格式推导,其结果是相同的,亦即 杆梁单元的有限元解是精确解。

有限元基础第三章杆单元

有限元基础第三章杆单元

总体刚度矩阵的构造
Element Node i Node j L (ft) A (in2) θ
l
m
l 2 m 2 lm
• 形函数的几何意义
N( x) N1( x) N 2 ( x)
x
N1
N1(x) 1 L 1
N2 1
x
N2(x) L
1
0
2
x
L
u(x)
N1 ( x)u1
N2
( x)u2
u1
u2
le
u1
x
5/24/2021
湖南大学机械与运载工程学院
College of Mechanical & Vehicle Engineering, Hunan University
kTdTF TTkTdF kdF kTTkT
5/24/2021
湖南大学机械与运载工程学院
College of Mechanical & Vehicle Engineering, Hunan University
平面和空间的杆单元
• 整体刚度矩阵
kTTkT
l m
T m l
l m
m
l
l2 lm l2 lm
PL 3 EA
0
1
0
1 E 1 E L 1 E u 2L u 1 E L 3 P E L 0 A 3 P A 2 E 2 E L 2 E u 3 L u 2 E L 0 3 P E L A 3 P A
5/24/2021
湖南大学机械与运载工程学院
College of Mechanical & Vehicle Engineering, Hunan University

有限元分析与应用 第3讲、杆梁问题的有限单元法

有限元分析与应用 第3讲、杆梁问题的有限单元法

计算简图:
在结构分析当中用来代替实际结构的计算模型(图形)
确定计算简图的原则: 简化内容:
1.能反映实际结构的主要力学特性; 2.分析计算尽可能简便 杆件 杆件的轴线 刚结点 铰结点 半铰结点(组合结点) 固定铰支座 可动较支座 固定端支座 滑动支座(定向支座) 空间结构 平面结构 集中力、集中力偶、分布荷载
6 EI y l
2
单元刚度矩阵第三列的其他元素为0。
⑷ xi 1 ,其他结点位移为0(图3-5),生成第四列 元素。
图3-5
为杆件的扭转基本变形情况,由材料力学公式有
k 4, 4 GJ M xi l k10, 4 GJ M xj l
单元刚度矩阵第四列的其他元素为0。
⑸ yi 1 ,其他结点位移为0(图3-6),生成第五列 元素。
j结点各自由度分别出现单位位移而生成的单元刚度矩阵元素 的分析类似,最后得至空间梁单元的单元刚度矩阵为
EA l 0 0 0 0 0 EA l 0 0 0 0 0 12EI z l3 0 0 0 6 EI z l2 0 12EI z l3 0 0 0 6 EI z l2 12EI y l3 0 6 EI y l2 0 0 0 12EI y l3 0 6 EI y l2 0 GJ l 0 0 0 0 0 GJ l 0 0 4 EI y l 0 0 0 6 EI y l2 0 2 EI y l 0 4 EI z l 0 6 EI z l2 0 0 0 2 EI z l EA l 0 0 0 0 0 12EI z l3 0 0 0 6 EI 2z l 12EI y l3 0 6 EI y l2 0 GJ l 0 0 4 EI y l 0 称 对

有限元分析法第3章 杆单元

有限元分析法第3章 杆单元

提示: 1)本例中单元应力的计算采用了材料力学中的方法,与采 用有限元单元应力公式 E EBd 的结果相同。 2)对锥形杆,单元截面积可用平均值。 3)求应力之前需要求出节点位移——有限元位移法。
第三章
杆单元
§ 3 –1
习题2:
一维等截面杆单元
已知:
求:杆两端的支反力

第三章 杆单元
u2
v2 u3 v3
1 1 1 1 EA 1 1 1 1 2 L 1 1 1 1 1 1 1 1
第三章 杆单元
§ 3 –2
二维空间中的杆单元
将单元1,2的刚度方程扩张到系统规模(6阶), 相加后引入节点平衡条件:
第三章
杆单元
§ 3 –2
0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0
u1 v1 u2
v2
1 1 1 1 EA 1 1 1 1 2 L 1 1 1 1 1 1 1 1
第三章 杆单元
§ 3 –2
单元2:2-3
135,l
按公式计算杆应力:
二维空间中的杆单元
得:
0 E 2 L 0 1 1 1 1 2 ( P1 P2 ) 1 L 2 EA P 2A 1 P2
P 1 E 2 L P2 1 1 1 1 2 ( P1 P2 ) 2 L 2 EA 0 2 A 0
第三章
杆单元
§ 3 –2
二维空间中的杆单元
节点位移向量的坐标变换:
~ d i Tdi
第三章
杆单元
§ 3 –2
二维空间中的杆单元

3_杆系结构有限元分析

3_杆系结构有限元分析
1
TT 。
杆单元
当用局部坐标系位移表示总体坐标系中的位移时有
T
e
1
'
e
T
T
'
e
利用类似的办法,可以建立起总体坐标系与局部坐标系间结点力 的关系式
F e T T F '
e
(2.12)
将式(2.9)代入式(2.12),再把式(2.11)代入得
F e T T F ' T T K ' ' T T K ' T e
杆单元
当结构变形之后, i,j 结点的位移通常都不为零,这时单 元内位移按式(2.4)由结点位移和相应的形状函数线性组合求 得,正因为形状函数反映了单元的位移分布状态,矩阵 N 及其
N i , N j 也由此而得名为形状函数矩阵和形状函数。
杆单元
从式(2.4)还可以看出:通过形状函数把两孤立的常值位移


(2.8)
K e e F e 0

K e e F e
(2.9)
杆单元
式(2.9)即为杆单元的平衡方程。其中杆单元在局部坐标系单元刚 度矩阵的显式为
1 1 K B DBdV E 1 1 Adx V 0 l 1
e T l
EA 1 1 l 1 1
e e e e
令K T
e
T
K '
e
T ,则
F e K e e
(2.13)
杆单元
式(2.11),(2.12),(2.13)就是两种坐标系中的全部转换关系,利用式(2.13) 就可以很容易将局部坐标系的刚度矩阵转换为总体坐标系的刚度矩阵。 对于图 2.4 所示的杆单元,其表示式为

有限元讲义2-2

有限元讲义2-2

l 6 EI z l2
为了求出另外两个刚度系数,可以通过静力平衡方程

Fy 0 Mi 0

' ' k31 Fyj Fyi
12EI z l3 l
6 EI z ' ' ' k41 M zj Fyi M zi 2
1 推导单元刚阵中第一行元素 由
ki 2
称为二维坐标系的方向余弦矩阵
称为二维局部坐标系下节点位移行矩阵
称为二维统一坐标系下节点位移行矩阵 (3.3-4a)
qi qi
因为
qi T qi
(3.3-4b)
在式(3.3-4b)两端同乘以[]-1,有
1 I 1 T
1 vi qi 2 zi q q v j 3 j 4 zj
1 Fyi Fi 2 M zi F F F j 3 yj 4 M zj
A-22
将力的公式代入,得
' Fyi l 3
' Fyi l 2
经过推导得出
" k12 Fyi
6 EI z l2 4 EI z l 同理 6 EI z 可推
2

k13 k 23 k 33
12EI z l 6 EI z
3
k14
6 EI z
k22 M " zi
l2 12EI z l3 6 EI z l2
" k32 Fyj
k42 M " zj
l 2 EI z l
k 43
l2 2 EI z k 24 l 6 EI z k34 l2 4 EI z k 44 l
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Let {δ } = [u1 u2 ... un ]Tbe the structure displacement vector that must be determined. Potential Πp Is a function of the ui. Symbolically,
Since
d Πp
2
ku = f
du
2
=k>0
So that means the minimum potential energy gives the equilibrium state of a system
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
d d u (E A ) +f = 0 d x d x
F x
f-force per unit length; F-concentrated force on the end E-elastic modulus; A- cross-sectional area L- non-stretched length of the bar; u(x)- displacement ( u(x) is a function of x)
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Example 3.3: Potential energy of a spring
f
x
Fig. 3.3 linear spring with axial load
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Principle of minimum potential energy Among all admissible displacements of a conservation system, those that satisfy the equations of equilibrium make the potential energy Πp minimum with respect to small variations of displacement.
保守力系统,在所有许可位移场( 对于保守力系统,在所有许可位移场(满足边 界条件和协调要求)中,对应于平衡状态的位 界条件和协调要求) 总势能取最小值。( 。(总势能为最小值 移场使得总势能取最小值。(总势能为最小值
的位移满足静力平衡条件) 的位移满足静力平衡条件)
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
Π p = Π p (u1 u2 ... un )
Applying the principle of minimum potential energy , we obtain variation of the functional where
δΠ p =
Π p u1
δΠ p = 0
δu1 + ... +
Π p ui
=0
for
i = 1,...n
f
1 2 Π p = ku fu 2
If only displacements along the x axis are allowed
δΠ p = ( ku f )δu = 0
dΠ p = ku f = 0
du Which gives the equilibrium equation
δu variation of admissible displacement u(x),
displacement boundary condition
satisfying the
δu(0) = 0
d dδu u δΠp = [E fδu]d Fδu(L) x A 0 d d x x L d d u d u = [ (E A ) + f ]δud + (E x A F)δu(L) 0 d x d x d L x
Potential energy of system elastic potential energy concentrated force distributed force
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
δΠ p =
Π p u1
δu1 + ... +
Π p un
δun = 0
For any δui ≠ 0 only
Π p ui
=0
for
i = 1,...n
Π p ui
=0
for
i = 1,...n
These are n equations to be solved for the n values of displacements ui that define the static equilibrium configuration.
How to obtain the minimum of the Πp
1 2 Π p = ku fu 2
?
δΠ p = 0
δΠ p =
Π p u1
δu1 + ... +
Π p u n
δu n
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Introduction
1
2
3
4
Three- dimensional body
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Introduction
Functional(泛函 ), in terminology, a functional is an integral expression that implicitly contains the governing differential equations.
du = EA δu dx 0 = EA
∫0
L
d du ( EA )δudx dx dx
du δu( L ) dx L
∫0
L
d du (EA )δudx dx dx
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Let u be the displacement of the spring under the load f, Its potential energy Πp has two parts: Π p = U + (1)Strain energy of the spring
1 2 U = ku 2 (dU = Fdx)
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Princiபைடு நூலகம்le of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
(2)Potential energy of applied load
f
= fu
So
It does work, thereby losing potential of equal amount.
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
σ = Eε
f = Aσ
L
du ε= dx
f 0 L F x
1 d 2 u Πp (u) = ∫ [ E ( ) fu]d F (L) x u A 0 2 d x
Chapter 3 FEM in One-Dimensional Problem
2 Principle of minimum potential energy and Rayleigh-Ritz method
Introduction
In the preceding discussion we employed the direct approach of assembling the system-governing equilibrium equations. However, it can only solve some relative simple engineering problems. For a continuum, governing equilibrium equations for state variables can in many analyses also be obtained using potential energy.
相关文档
最新文档