弹性力学及有限元分析
弹性力学与有限元分析第二章-平面桁架有限元分析及程序设计
x
由单元①的刚度方程：
Fj
①
k
① ji
i
①
k
① jj
j
①
k
① ji
2
k
① jj
1
由单元③的刚度方程：
Fj
③
k
③ ji
i
③
k
③ jj
j
③
k
③ ji
3
k
③ jj
1
§2.3 结点平衡与整体刚度矩阵的集成
代入结点1的平衡条件:
k
l
xi
)
(dx j
dxi
)
(
yj
l
yi )
(dy j
dyi )
(dx j dxi ) (dy j dyi )
cos sin
由于杆件的变形产生位移：
ui dxi vi dyi
u j dxj v j dy j
因此，杆件应变为：
dl l
l
(ui
uj)
l
(vi
vj)
杆件轴力为：
(2k1 k2 )v4 P
结构的整体刚度系数
v4
P 2k1
k2
12 3
l2 l1 l1
4 P
N1
N1y
cos
k1v4
cos
k1P
(2k1 k2 ) cos
N2
k2v4
k2P 2k1 k2
位移法求解超静定结构。
§2.1 平面桁架单元的离散
结构的离散化：尽量将结构离散成数量最少的等截面直 杆单元
kki③ ③jii
ki③j
k
③ jj
3 3 3 3
§2.3 结点平衡与整体刚度矩阵的集成
有限元分析方法
有限元分析方法有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值分析方法，用于解决物理问题的近似解。
它基于将有限元区域（即解释对象）分解成许多简单的几何形状（有限元）并对其进行数值计算的原理。
本文将深入探讨有限元分析的原理、应用和优点。
有限元分析的原理基于弹性力学理论和数值计算方法。
它通过将解释对象分解为有限个简单的几何区域（有限元）和节点，通过节点之间的连接来建立模型。
这些节点周围的解释对象区域称为“单元”，并且通过使用单元的形状函数近似解释对象的形状。
每个单元都有一个与之相连的节点，通过对每个单元的受力进行计算，可以得到整个解释对象的受力分布。
然后，利用一系列运算和迭代，可以计算出解释对象的位移、应力和变形等相关参数。
有限元分析的应用范围广泛，从结构力学、热传导、电磁场分析到流体力学等各个领域。
在结构力学中，它被用于分析各种结构的静力学、动力学和疲劳等性能。
在热传导领域，它可以用于研究物体内部的温度分布和传热性能。
在电磁场分析中，它可用于计算复杂电磁场下的电场、磁场和电磁场耦合问题。
在流体力学中，有限元方法可以解决各种流体流动、热传递和质量转移问题。
有限元分析的优点之一是可以处理各种复杂边界条件和非线性材料特性。
它可以考虑到不同材料的非线性本质，例如弹塑性和接触等问题。
另外，有限元方法还可以适应任意形状和尺寸的几何模型，因此非常适用于复杂工程问题的建模与分析。
有限元分析的使用需要一定的专业知识和经验。
首先，需要将解释对象抽象成几何模型，并进行细分和离散化。
其次，需要选择适当的几何元素和材料模型，以及合适的边界条件和加载方式。
然后，需要定义求解器和数值方法，并使用计算机程序对模型进行计算。
最后，需要对结果进行后处理和验证，以确保其准确性和可靠性。
总的来说，有限元分析是一种强大的工程分析工具，在解决各种物理问题方面有广泛的应用。
它通过将复杂的问题简化为简单的有限元模型，通过数值计算的方法获得近似解。
9第2章弹性力学平面问题及空间问题有限元
假定的位移函数是多项式，它是连续函数，可以肯定，在单元内部位移函数是单值连续的。由于单 元的位移函数 u 、 v 都是坐标 x 、 y 的线性函数，在单元边界上位移也是线性变化的，两个相邻单元在 公共节点上具有相同的节点位移，因而相邻单元在公共边界上位移连续，即协调条件得到满足。 由上面分析可以看出，三角形常应变单元的位移模式可以保证计算结果的收敛。
px
py
px
py ]
T
（2-1-7b）
（2 ）若在 jm 边上受线性分布的水平方向的面力，它在 j 点的集度为 q ，在 m 点的集度为零 （如图 2-5） 。可预计由该面力求得的等效节点载荷只有 R xj 、
R xm ，其余节点载荷分量必为零。
将 jm 边上的分布面力写成 s 的函数，为
s { p} [ (1 ) q 0]T l 在 jm 边上的形函数也需用变量 s 表示，根据形函数的含义，
Ve
[k ii ] [k ij ] [ k im ] [k ji ] [k ij ] [k jm ] [k mi ] [ k mj ] [k mm ]
式中， t 为单元的厚度，当单元划分得足够小时，可以认为每个单元的厚度 t 为常值。子阵为
(2-1-5)
[k rs ] [ Br ]T [ D][B s ]tA
101
二、 单元刚度矩阵 1、单元几何矩阵 [ B ] 有了单元的位移模式，利用平面问题的几何方程求得应变分量
0 x x u e e 0 { } [ L][ N ]{} [B ]{} y y v xy y x
弹性力学与有限元分析-第四章 平面问题有限元分析及程序设计
第四章 平面问题有限元分析及程序设计
§4.1 平面问题单元离散 §4.2 平面问题单元位移模式 §4.3 平面问题单元分析 §4.4 平面问题整体分析 §4.5 平面问题有限元程序设计
有限元网格划分的基本原则
• 网格数目 • 网格疏密 • 单元阶次 • 网格质量 • 网格分界面和分界点 • 位移协调性 • 网格布局 • 结点和单元编号 • 网格自动剖分
f
y
面力
f
f y
xy
xy
基本量和方程的矩阵表示
位移
d
u
v
物理方程 简写为
x y
xy
E
1 2
1
0
1
0
0 0
x y
1
xy
2
D
§4.2 单元位移模式
几何方程：
ux
v y
xvuyT
只要知道了单元的位移函数，就可由几何方程求出应变，再由物理 方程就可求出应力。
（1）位移模式必须能够反映单元的刚体位移； （2）位移模式必须能够反映单元的常应变；
必要条件
（3）位移模式尽可能反映位移的连续性；
u12x3y12x5 23y5 23y v4 5x6y46y5 23x5 23x
u0 1
v0 4
5 3
2
刚体平动
刚体转动
充分条件
u
v
u0 v0
y x
作业： P141 6-1
u12x3y N iuiNjujN m um
其中， N i 、N j 、N m 是系数，是 x、 y 的线性函数；
可以求得：
N i a i b ix ciy2A (i, j, m )
东南大学 有限元分析课程 弹性力学简介
0 ∂ ∂y 0 ∂ ∂x ∂ ∂z 0
0 0 ∂ ∂z 0 ∂ ∂y ∂ ∂x
u v w
16
3. 物理方程（应力－应变关系，描述了物质的一种特有的性质，称本构关系） 物理方程（应力－应变关系，描述了物质的一种特有的性质，
由材料力学知，胡克定律可表示为 简单拉压：ε = 纯剪切：γ =
σ
E
τ
G 一个方向拉伸引起的与垂直的方向的横向收缩应满足 ε ′=-µε E为拉压弹性模量，µ为横向变形系数（泊松比），G为剪切弹性模量， G= E 2(1 + µ )
设由σ x在x方向产生的拉伸正应变用ε x1表示,由σ y 和σ z 在x方向产生的 横向收缩正应变为ε x 2和ε x 3。则
σ x τ xy τ yx σ y τ zx τ zy 其中，τ xy
τ xz τ yz σz
= τ yx，
z
τ zx
τ zy
τ yz
σy
τ xz τ x τ xy τ yx σx
y x
6
τ yz = τ zy，τ zx = τ xz
记为σ ij 或 [σ ]
1.2.2 应变 1. 位移
8
同理可得：ε y =
∂v ∂y
γ xy =
π
2
− ∠B′A′D′ = α + β
∂v ∂v dx B′B′′ ∂v ∂u 式中，α ≈ tan α = = ∂x = ∂x = , β ≈ A′B′′ dx + ∂u dx 1 + ∂u ∂x ∂y ∂x ∂x ∂u ∂v ∂u ∂v 小变形条件下， =ε《1， =ε《1，可忽略，则γ xy = + x y ∂x ∂y ∂y ∂x
第2章_弹性力学基础及有限元法的基本原理1
W U
当外力的形式是多样的时，外力的虚功等于：
W f Pc f Pv dV f Ps dS
T T T v s
• 1.4 平面问题定义
严格地讲，任何结构都是空间的。对于某些特殊情 况，空间问题可以转化为平面问题。
（1）平面应力问题 满足条件： 1）几何条件 厚度尺寸远远小于截面尺寸； 2）载荷条件 载荷平行于板平面且沿厚度方向均匀 分布，而板平面不受任何外力作用。
1）位移函数 分片插值→ 假设一种函数来表示单元位移分布 一般选取多项式（简单而且易求导）
可用于离散的单元： • 三角形单元； • 矩形单元； • 不规则四边形单元。 DOF 节点的自由度：节点所具有的位移分量的数量。 一个单元所有节点的自由度总和称为单元自由度。 （1）单元参数只能通过节点传递到相邻单元 （2）单元和节点必须统一编号
2.2 单元分析（位移、应力、应变） 任务：形成单元刚度矩阵，建立单元特性方程 因此必须建立坐标系，如下图：
1D问题的弹性模量
E杨氏弹性模量
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向 正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材 料横向变形的弹性常数。 若在弹性范围内加载，横向应变εx与纵向应变εy之间存 在下列关系： εx=- νεy 式中ν为材料的一个弹性常数，称为泊松比。泊松比是 量纲为一的量。 可以这样记忆：空气的泊松比为0，45#钢0.3，水的泊松 比为0.5，中间的可以推出。
• 未知数 应力 6个+应变 6个+位移 3个=15个 • 方程个数 平衡方程 3个+几何方程6个+物理方程6个=15个 原则上可以根据15个方程求出15个未知物理量 但实际求解时先求出一部分再通过方程求解剩下的。 目前有限元法主要采用的是位移法，以三个位移 分量为基本未知量。位移-应变-应力，应力和外力平衡
弹性力学的有限元分析教案
弹性力学的有限元分析教案
弹性力学的有限元分析教案
一、教学目标
1.掌握弹性力学的基本理论及有限元分析方法；
2.能够应用有限元软件进行简单的弹性力学分析；
3.培养学生的科学思维能力和解决实际问题的能力。
二、教学内容
1.弹性力学的基本理论
2.有限元方法的基本原理
3.有限元软件的应用与实践
4.弹性力学问题的有限元分析案例
三、教学步骤
1.导入课程，介绍弹性力学与有限元方法的重要性，以及在本课程中将要学
习的内容。
2.讲解弹性力学的基本理论，包括弹性力学的基本假设、平衡方程、几何方
程和物理方程等。
3.介绍有限元方法的基本原理，包括单元划分、节点位移、单元应力和整体
平衡等。
4.讲解有限元软件的应用与实践，包括模型的建立、材料的属性、边界条件
和载荷的施加等。
5.通过具体的案例讲解如何进行弹性力学问题的有限元分析，包括前处理、
求解和后处理等步骤。
6.组织学生进行实践活动，自己动手进行一次简单的弹性力学有限元分析，
并讲解自己的分析过程和结果。
7.对本次课程进行总结，并对学生实践活动进行点评与指导。
四、教学重点与难点
1.重点：掌握弹性力学的基本理论和有限元方法的基本原理，能够熟练应用
有限元软件进行简单的弹性力学分析。
2.难点：理解有限元方法的基本原理，掌握有限元软件的应用技巧，能够对
弹性力学问题进行正确的建模和求解。
五、教学评价与反馈
1.对学生进行考核评价，包括理论知识的掌握程度和实践能力的表现等；
2.根据学生的表现和反馈，对教学内容和方法进行改进和优化。
弹性力学与有限元完整版ppt课件
. 1
平面应变
• 4 变形协调方程
平面应力
平面应变
调和方程
由6个简化为1个
平面问题
方程数量： 平衡方程——2个 物理方程——3个 几何方程——3个
合计 8
未知量：
应力分量——3个 x、 y、 xy
应变分量——3个
x、 y z、 xy
位移分量——2个
u、v
合计 8
第三章 弹性力学问题求解方法简述
• 研究的内容：
– 外力作用下
应力、应变、位移
• 物体变形——弹性变形、塑性变形
• 弹性变形：
– 当外力撤去以后恢复到原始状态，没有变形残留，材 料的应力和应变之间具有一一对应的关系。与时间无 关，也与变形历史无关。
• 塑性变形：
– 当外力撤去以后尚残留部分变形量，不能恢复到原始 状态，——即存在永久变形。应力和应变之间的关系 不再一一对应，与时间、与加载历程有关。
1.3 几个基本概念
1. 外力 2. 一点的应力状态 3. 一点的形变 4. 位移分量
1 外力
• 作用于物体的外力可以分为3种类型： 体力、面力、集中力。
• 体力——就是分布在物体整个体积内部各个质点上的
力，又称为质量力。例如物体的重力，惯性力，电磁力等 等。
• 面力——是分布在物体表面上的力，例如风力，静水
大小和方向不同。
• 体力分量：将体力沿三个坐标轴xyz 分解，用X、
Y、Z表示，称为体力分量。
• 符号规定：与坐标轴方向一致为正，反之为
负。 应该注意的是：在弹性力学中，体力是指单位
体积的力 。
• 体力的因次：[力]/[长度]^3
• 表示：F={X Y Z}
弹性力学与有限元分析
m α 式中： = ∑i ， α1,α2 ,⋯ 2m 为待定系数。把位移函
i=1
n+1
数的这种描述形式称为广义坐标形式。 在确定二维多项式的项数时，需参照二维帕斯卡三 角形，即在二维多项式中，若包含帕斯卡三角形对称轴 一侧的任意一项，则必须同时包含它在对称轴另一侧的 对应项。
1 x x2 x3 x4 y xy y2 y3
1、结构的离散化——单元划分 2、假设单元的位移插值函数和形函数 3、计算单元刚度矩阵 4、载荷移置——把非节点载荷等效地移置 到节点上 5、计算结构刚度矩阵，形成结构刚度方程 6、引入位移边界条件，求解方程 7、计算应力与应变
三、两种平面问题
平面问题分为平面应力问题和平面应变问题两大类。 体力——指分布于物体体积内的外力，它作用于 物体内部的各个质点上，如重力、磁力 和运动时的惯性力等。 面力——指均布于物体表面上的外力，它作用于 物体表面的各个质点上，如物体间的接 触力和气体压力等。
f (x, y)，把位移函数的这种描述形式称为插值函数形
式。 形函数具有以下两个性质： 1、形函数 Ni在节点 处的值为0。 2、在单元中任意一点，3个形函数之和为1，即：
i处的值为1，而在其余两个节点
Ni (x, y) + N j (x, y) + Nm (x, y) = 1
六、计算单元刚度矩阵
U(x, y) Ni f (x, y) = = V(x, y) 0
0 Ni
Nj 0
0 Nj
Nm 0
Ui V i 0 U j Nm Vj Um Vm
其中 Ni , N j , Nm 称为单元位移的形状函数，简称形函 数，其值为：
1、用单元节点位移表示单元中任一点的应变，得
弹性力学有限元法详解
x
4
i1 4
Ni ( ,)xi
y
i1
Ni ( ,) yi
总体坐标系适用于整体结构，局部坐标系只适用于具体某个 单元。
常用的对于平面问题还有八节点等参元，空间问题有八节 点空间等参元，二十节点等参元等 。
第18页，共40页。
3.2 连续体离散化
5.轴对称单元
对于回转结构，如果约束条件和载荷都对称于回转轴，其 应力、应变和位移也都对称于回转轴线，这类应力应变问题称 为轴对称问题 ，通常用柱坐标来描述应力、应变和位移，单元 为实心圆环体，仅截面不同
1
2
ai
(1
0
)
ai (1 0 ) ai (1 0 )
1
2
ai
(1
0
)
(i, j,l,m)
对于平面应变问题：
E
E 1 2
1
第29页，共40页。
3.3 单元分析
2. 单元分析
由虚功原理得：
Fe
K e BT DBdxdyt A
BT DBdxdyt δe
A
Fe Keδe
单元刚度矩阵可分块表示为：
第10页，共40页。
3.2 连续体离散化
3. 薄板弯曲单元和薄板单元
A. 薄板弯曲单元
l
θxi
i
θyi
wi
m
j
四边形弯 曲单元
四边形单元有四个节点，每个节点有三个自由度，主要承 受横向载荷和绕水平轴的弯矩。
第11页，共40页。
3.2 连续体离散化
3.薄板弯曲单元和薄板单元
A. 薄板弯曲单元
m
θxi
对于平面应变问题：
E
E 1 2
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弹性力学及有限元分析
A
B
C
D
2、板的特征是：
A
B
C
D
3、对空间轴对称问题，采用
A
B
C
D
4、下列哪项不是矩阵的运算法则：（
A
B
C
D
5、对于三角形三结点单元，共有
A
B
C
D
6、
下列杆件单元有【A】个自由度
A
B
C
D
7、四结点矩形单元的位移函数可以取的形式为
A
B
C
D
8、在输入数据中，
A
B
C
D
9、平面问题分为平面应力问题和【
A
B
C
D
10、
A
B
C
D 11、
A
B
C
D 12、
A
B
C
D 13、
A
B
C
D 14、
A
B
C
D 15、
A
B
C
D
2、述板的梁格基本特征，并说明薄板与厚板如何区分。
在薄板的小挠度弯曲理论中，
有哪几个基本假设。
设薄板宽度为a、b，假如板的最小特征尺寸为b，如果δ/b≥1/5，称为厚板；如果δ/b≤1/80，称为膜板；如果1/80≤δ/b≤1/5，称为薄板。
基尔霍夫基本假设
图示弹性力学平面问题，采用三角形常应变元，网格划分如图，试求：（1）对图中网格进行结点编号，并使其系统总刚度矩阵的带宽最小；（2）计算在你的结点编号下的系统刚度矩阵的半带宽。
（2）d=4 , B=2(d+1)=10
◆简答题共(20 分)
1、在薄板弯曲理论中做了哪些假设？
假设:(1)板厚度方向的挤压变形可忽略不计,即εZ=0。
(2)在板弯曲变
形中,中面法线保持为直线,且仍为弹性曲面(挠度曲面)的法线,即直法线假设。
(3)薄板中面只发生弯曲变形,没有面内的伸缩变形,即中面水平位移。
(u)z=0=(v)z=0 =0 薄板的全部位移、应力和应变分量都可以用板的挠度ω来表示,而薄板小挠度弯曲被简化为中面的弯曲问题,只要中面挠度ω确定,任何点的位移都可确定。
薄板内不等于零的应变分量有如下三个: εx=бu/бx=-z б2ω/бx2 εy=бv/бy=-б2ω见P116,式(7.3a) r xy=бu/бy+бv/бx=-2z б2ω/бxбy
2、构造单元形函数有哪些基本原则？
形函数是定义于单元内坐标的连续函数。
单元位移函数通常采用多项式,其中的待定常数应该与单元节点自由度数相等。
为满足完备性要求,位移函数中必须包括常函数和一次式,即完全一次多项式。
多项式的选取应由低阶到高阶,尽量选择完全多项式以提高单元的精度。
若由于项数限制而不能选取完全多项式时,也应使完全多项式具有坐标的对称性,并且一个坐标方向的次数不应超过完全多项式的次数。
有时为了使位移函数保持一定阶次的完全多项式,可在单元内部配置节点。
然而,这种节点的存在将增加有限元格式和计算上的复杂性,除非不得已才加以采用。
形函数应保证用它定义的位移函数满足收敛要求,即满足完备性要求和协调性条件。
3、在有限元法诞生之前，求解弹性力学定解问题的基本方法有哪些？
按应力求解,按位移求解,混合求解
4、势能变分原理代表什么控制方程和边界条件，其中附加了哪些条件？
（1)在外力作用下，物体内部将产生应力ζ和应变ε，外力所做的功将以变形能的形式储存起来，这种能量称为应变能。
(2)外力势能就是外力功的负值。
(3)势能变分原理可叙述如下:在所有满足边界条件的协调位移中，那些满足静力平衡条件的位移使物体势能泛函取驻值，即势能的变分为零2V0此时的势能变分原理就是著名的最小势能原理。
势能变分原理代表平衡方程、本构方程和应力边界条件，其中附加了几何方程和位移边界条
件。
◆填空题共(10 分)。