杆梁结构的有限元分析原理
2_杆系结构有限元分析1
( x) Nii N j j
x x N 1 , N 其中 i 为形函数。 j l l
由材料力学扭转可知
d dN e e M GI p GI p θ GI p B θ dx dx
其中 B
dN 1 1 dx l l
§1-2 扭转杆单元
e
外力势能 V u
e
e T
fe
e
1 e T e e e T 总势能 U V u K u u f e 2
e e
§1-1 拉(压)杆单元
1 e T e e e T U V u K u u f e 2
e e e
根据最小势能原理，势能泛函取驻值的必要条件
空间杆单元坐标变换矩阵
0 T 0
单元在两个坐标系中刚度矩阵转换关系同样有
K e T T K ' T
e
矩阵中仅仅包含有坐标的倾角，仅平行移动坐标轴，刚度矩阵 中元素值不变，矩阵的阶数也不改变。
§1-2 扭转杆单元
结点位移向量θe i , j
T
结点力向量
平衡关系
杆单元结点力向量
f U i
e
Uj
T
单元在外力和内力作用下处于平衡状态，反映单元平衡状态 的关系式就是刚度方程。下面利用最小势能原理推导单元的 刚度方程。 最小势能原理：在满足连续条件和边界条件的位移中，满足 平衡条件的位移其总势能最小，反之亦然。 单元总势能
e U e V e
M e Mi , M j
T
杆件发生自由扭转时，待求位移是截面的扭转角 ( x) 在局部坐标系中，每一个点将具有一个基本未知位移，最简单 的单元位移函数可以设为
杆梁结构的有限元分析原理[详细]
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le
EAe
le
EAe
u1 u2
P1
le
P2
u1 u2
1 qeTK eqe PeTqe 2
刚度矩阵
节点力列阵
3）离散单元的装配
在得到各个单元的势能表达式后，需要进行离散单元的装配，以
求出整个系统的总势能，对于该系统，总势能包括两个单元部分
e 1 2
1 q1T K1q1 q2T K 2q2 P1Tq1 P2Tq2 2
第4章 杆系结构的有限元分析原理
杆梁单元概述
讨论杆梁单元和由它们组成的平面和空间杆梁结构系统. 从构造上来说其长度远大于其截面尺寸的一维构件 承受轴力或扭矩的杆件成为杆 杆梁问题都有精确解 承受横向力和弯矩的杆件称为梁 平面桁架 平面刚架 连续梁 空间刚架 空间桁架等 承受轴力或扭矩的杆件称为杆 将承受横向力和弯矩的杆件称为梁 变截面杆和弯曲杆件
单元节点条件：u(0)=u1， u(l)=u2
从而得
a0 ui ,
a1
uj
le
ui
i
1,
j
2
回代得
u(x) a0 a1x
ui
u j ui le
x
1
x le
ui
x le
u
j
Niui N ju j
其中Ni，Nj是形函数。
写成矩阵形式为
q Niu Nqe
N
ju
ui u j
1 2
u1
EA1
u2
l1 EA1
l1
EA1
l1
EA1
u1 u2
R1
l1
0
u1 u2
1 2
u2
EA2
杆梁结构有限元分析
3.1 杆梁结构的直接解法
机械分社
（1）平面压杆有限元法的直接法
由节点平衡有： 即有：
U1(1)u1 U1(1)u2 N1
U
u (1)
21
(U
(2 2
)
U
(1) 2
)u2
U
(2 2
)u3
F1
U
(2 3
)
u2
U
(2 3
)
u3
F2
EA1 l1
u1
EA1 l1
u2
N1
EA1 l1
u1
( EA1 l1
3.1 杆梁结构的直接解法
机械分社
杆梁结构是指长度远大于其横截面尺寸的构件组成的杆 件系统，例如机床中的传动轴，厂房刚架与桥梁结构中的梁 杆等,可以用杆单元或梁单元来进行离散化。
空间杆系：平面杆系是指各杆轴线和外力作用线位于一 个平面内，若各杆轴线和外力作用线不在一个平面内。 （1）平面压杆有限元法的直接法
单元刚度矩阵每一列元素表示一组平衡力系，对于平面 问题，每列元素之和为零。
3.1 杆梁结构的直接解法
机械分社
（2）平面梁单元有限元法的直接法 2）节点位移与节点力之间的关系
Ui
Vi
k11
k21
M i U j
k31
k41
V
j
M j
k51
k61
他们在轴和轴的投影之和等于零：
vi
6EI l2
i
12EI l3
vj
6EI l2
j
M
j
6EI l2
vi
2EI l
i
6EI l2
vj
4EI l
梁的有限元分析
梁的有限元分析——2D问题
▪ 1.有一简支梁，载荷和边界条件如图所示， L=6m，梁的截面面积A=0.0072m2，高 H=0.42m，惯性矩=0.00021m4，材料弹性模 量E=2.06e11N/m2，P=10000N。求支反力 和挠度。
▪ 要点 １）实常数 ２）分网密度控制 ３）如何加载：左：UX,UY，右UY ４）后处理结果的观察
直线，“OK”，进行显示控制，标出各节点号。
▪ 显示梁和弹簧的形状
2
1
3
▪ 施加约束：1、12为“DOF” 。
▪ 施加载荷
▪ 求解 ▪ 后处理 １）定性分析：变形，云图，动画 ２）定量分析：支反力，各节点位移
梁——3D问题（型材）
▪ 单元名称 188、189 ▪ 截面定义方法 ▪ 方向点的定义和使用 ▪ 应用举例
▪ 在“Mesh”菜单中按“Mesh”，选择表示梁的二
直线，“OK”，进行显示控制，标出各节点号。
▪ 对弹簧进行网格划分
▪ 在“Mesh”菜单点击“line”,选择表示弹簧的直线， “OK”，在弹出的菜单中的单元等分数输入“1”， （如果二等分表示两弹簧串联）,“OK”。
▪ 在“Mesh”菜单中按“Mesh”，选择表示弹簧的
2．梁的有限元分析概要
▪ 梁的有限元分析问题也是是工程中最常见的 结构形式之一，常用在建筑、机械、汽车、 工程机械、冶金等多种场合。
▪ 梁结构的特点是，梁的横截面均一致，可承 受轴向、切向、弯矩等载荷。根据梁的特点， 等截面的梁在进行有限元分析时，需要定义 梁的截面形状和尺寸，用创建的直线代替梁， 在划分网格结束后，可以显示其实际形状。
▪ 定义单元类型：1）梁单元；2）弹簧单元
▪ 选择弹簧单元后，按“Option”按钮，在K3项 中选择如图所示：
第五章杆系结构的有限元法
第五章 杆系结构的有限元法 5.1 引言杆系结构是工程中应用较为广泛的结构体系，包括平面或空间形式的梁、桁架、刚架、拱等。
其组成形式虽然复杂多样，但用计算机进行分析时却较为简单。
杆系结构中的每个杆件都是一个明显的单元。
杆件的两个端点自然形成有限元法的节点，杆件与杆件之间则用节点相连接。
显然，只要建立起杆件两端位移与杆端力之间的关系，则整体平衡方程的建立与前几章完全相同。
杆端位移与杆端力之间的关系，可用多种方法建立，包括前面几章一直采用的虚功原理，但是采用材料力学、结构力学的某些结论，不仅物理概念清晰、直观，而且推导过程简单明了。
因此，本章将采用这种方法进行单元分析。
至于整体平衡方程的建立，则和前面几章所讲的方法一样，即借助于单位定位向量，利用单元集成法进行。
5.2 平面桁架的有限元分析平面桁架在计算上有以下几个特点： 1． 杆件的每个节点仅有两个线位移； 2． 杆件之间的连接为理想铰，即在节点处各杆件可相对自由转动，且杆件轴线交于一点。
3． 外载荷均为作用于节点的集中力。
由于以上特点，所以在理论上各杆件只产生轴向拉、压力，截面应力分布均匀，材料可得到充分利用，因此桁架结构往往用于大跨结构。
5.2.1 局部坐标系下的单元刚度矩阵从平面桁架中任取一根杆件作为单元，称作桁架单元，单元长为L ，横截面面积为A ，图5.1。
两端节点分别用i 和j 表示，规定从i 到j 的连线方向为局部坐标x 轴，垂直于x 的方向为y 轴。
图5.1由于桁架中各杆只产生轴向力和轴向变形，所以节点i 和j 只发生沿x 方向的位移，用i u 和j u 表示，相应的杆端轴力分别用xi F 和xj F 表示。
由虎克定律可推得)()()(j i i j xj j i xi u u L EA u u L EA F u u LEAF --=-=-=将这两个式子写成矩阵形式，就是e j i exj xi u u L EA LEA L EA L EA F F ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧ (5.1)显然，在局部坐标系下，i 、j 两节点沿y 轴方向的位移0==j i v v ，在y 轴方向的节点力0==yj yi F F 。
有限元分析及应用例子FEM14
有限元分析及应用例子FEM14有限元分析及应用例子FEM14有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值计算的方法，用于求解工程结构中的各种物理问题。
它将结构分割成有限个小单元，通过计算每个单元的行为来推断整体结构的行为。
下面将介绍有限元分析的原理，并举例说明其在实际应用中的使用情况。
有限元分析的原理是将复杂的结构问题转化为一系列简单的数学模型，通过数学方法求解这些模型的行为来预测整体结构的行为。
具体而言，有限元分析的步骤包括对结构进行离散化、建立有限元模型、确定边界条件、计算求解和分析结果。
举例来说，假设我们希望研究一根悬臂梁的变形和应力分布。
首先，我们将梁划分成若干个小单元，如梁单元。
然后，我们需要为每个单元定义适当的数学模型来描述其行为。
对于梁单元而言，可以使用简化的梁理论或柔性梁解来建立数学模型。
接下来，我们需要确定边界条件，如悬臂梁的杆端固定，另一端加载一定的力。
然后，通过求解各个单元的行为，并结合边界条件，我们可以计算整个梁的变形和应力分布。
最后，我们可以根据求解结果，分析梁的承载能力，优化设计以及进行结构改进。
1.结构力学：有限元分析可用于预测建筑物、桥梁、飞机和汽车等结构的应力分布和变形情况，以评估结构的安全性和稳定性。
例如，可以通过有限元模拟来确定一个钢梁在承受一定荷载后的变形和应力情况，以保证其设计的合理性。
2.流体力学：有限元分析可以用于模拟流体在管道、容器或其他结构中的流动情况。
例如，可以通过有限元分析预测液体或气体在流体力学系统中的流动速度和压力分布，并优化系统设计。
3.热传导：有限元分析可以用于计算热传导过程中的温度分布和热流情况。
例如，可以通过有限元分析来优化热交换器的设计，以提高传热效率。
4.振动分析：有限元分析可以用于模拟结构在受到激励时的振动情况。
例如，可以通过有限元分析来研究机械系统中的固有频率和模态形状，以减少振动和噪声。
梁的有限元分析原理
j
·
x
i·
Chapter 5 Bernoulli-Euler Beam
z
27
福州大学研究生课程－有限元程序设计
平面桁架杆单元（2D LINK1）
空间杆单元（3D
LINK8）
平面刚架，BEAM3 空间梁单元(BEAM4)
Chapter 5 Bernoulli-Euler Beam
28
福州大学研究生课程－有限元程序设计
举例说明
Chapter 5 Bernoulli-Euler Beam
18
福州大学研究生课程－有限元程序设计
这种高斯积分阶数低于被积函数所有项次精确 积分所需要阶数的积分方案称之为减缩积分。 实际计算表明：采用缩减积分往往可以取得较 完全积分更好的精度。这是由于： 精确积分常常是由插值函数中非完全项的 最高方次要求，而决定有限元精度的是完全多 项式的方次。这些非完全的最高方次项往往不 能提高精度，反而可能带来不好的影响。取较 低阶的高斯积分，使积分精度正好保证完全多 项式方次的要求，而不包括更高次的非完全多 项式的要求，其实质是相当用一种新的插值函 数替代原来的插值函数，从而一定情况下改善 19 Chapter 5 Bernoulli-Euler Beam 了单元的精度。
福州大学研究生课程－有限元程序设计
有限元程序设计
——梁单元，静力问题
谷 音 福州大学土木工程学院
2012
1
福州大学研究生课程－有限元程序设计
§1. 介绍. 框架结构，例如桁架、桥梁 轴力构件 axial elements 杆 受弯构件 flexural elements 梁 平面梁单元 plane beam element
Chapter 5 Bernoulli-Euler Beam
杆结构 分析的有限元方法(有限元)
杆单元形状函数
杆单元刚度矩阵
平面问题中的坐标变换
梁结构分析的有限元方法
梁：承受横向荷载和弯矩的杆件。
梁的主要变形为挠度v
横截面变形前后都垂直于杆变形前的轴线x轴
中性层变形=0
纯弯曲没有剪力，只有弯矩
梁截面的惯性矩
杆结构分析的有限元方法
杆：承受轴向荷载的杆件
最基本的承力结构件：杆、梁
弹簧--简单的承受轴力的结构件
有限元方法中，每一个处理步骤都是标准化和规范化的，
因而可以在计算机上通过编程来自动实现。
F=kδ
k--刚性系数
位移的绝对变化量/杆件的伸长量δ=u2—u1
应力某截面上单位面积上的内力/内力的分布集度
应变相对伸长量单位长度的伸长量
杆单元的特性是节点位移及节点力的方向都是沿轴线方向。
杆结构的力学分析
铰接的杆结构----杆只受轴力-----杆件拉伸问题---可自然离散
两端为铰接的杆件只承受轴力。
各个单元研究（基于局部坐标系的表达)
各个单元研究
离散单元的集合、组装
杆单元及坐标变换
自由度：描述物体位置状态的每个独立变量。
对于杆单元，其节点位移有两个自由度。
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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①和单元②
(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 么它的两个结点条件为
，那
设该单元的位移场具有模式（考虑两个待定系数）
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
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
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
对于本节给出的杆单元，具体有
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
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 ①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
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
其中
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①，有 单元①的结点位移向量
(5) 单元的刚度方程
由最小势能原理（针对该单元），将 结点位移向量 取一阶极小值，有
对待定的
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。
• 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。
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。
将上页方程代入以下两个方程表达式：
（1） （2）
可以先由（1）式直接求出未知结点位移：
(5) 求支反力 在求出未知结点位移qu后，由上页的(2)式可求出支反力
(6) 其它力学量的计算 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
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）：
基本步骤及相应的表达式
(1) 物体几何的离散化
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）
• 单元的结点描述 • 单元的位移（场）模式（唯一确定性原则，
完备性原则） 为几何位置坐标。
可重新写成
其中，
叫做单元的形状函数矩阵，即
(2) 单元应变场
的表达
由弹性力学中的几何方程（这里为一维问题）有
其中
叫做单元的几何函数矩阵，即
(3) 单元应力场
的表达
由弹性力学中的物理方程，有
其中， 为该单元的弹性模量， 的应力函数矩阵，即
叫做单元
(4) 单元势能 的表达
其中， 叫做单元的刚度矩阵，即
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
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：
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。
单元①的刚度矩阵
单元①的结点外载 其中P1为结点1的支反力。
具体就单元②，有 单元②的结点位移向量 单元②的刚度矩阵 单元②的结点外载
(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