第五讲空间问题有限元分析.ppt

第一节第一节第一节第一节 四面体单元单元分析四面体单元单元分析四面体单元单元分析四面体单元单元分析 空间问题的有限元法，与平面问题有限元法的原理和解题过程是类似的即将空间结构划分为有限个单元,通过单元分析得到单元的刚度矩阵，采用刚度组集方法，形成整体刚度矩阵，再确定等效载荷列阵，从而得到整体刚度方程,经过约束条件处理并求解方程得到问题的解本节采用最简单的空间单元，即四面体单元，进行空间问题的有限元分析一、单元划分及位移模式一、单元划分及位移模式采用四面体单元处理弹性力学空间问题时，首先将要研究的空间结构划分为一系列有限个不相互重叠的四面体每个四面体为一个单元，四面体的顶点即为结点这样连续空间结构就被离散为由四面体单元所组成的有限元网格返回返回返回返回图 1 空 间 四 面 体 单 元 (1)xzyijmn如图1所示的四面体单元，单元结点的编码为i, j, m, n每个结点的位移具有三个分量u, v, w这样单元结点的位移列阵可表示成：返回返回返回返回单元的位移模式采用线性多项式(2)式中，为待定系数，由单元结点的位移和坐标决定将四个结点的坐标（xi, yi, zi）、（xj, yj, zj）、（xm, ym, zm）、（xn, yn, zn）和结点位移（ui, vi, wi）、（uj, vj, wj）、（um, vm, wm）、（un, vn, wn）代入（2）式可得12个联立方程，解方程组便可求出。

将这十二个系数回代到（2）式，则得到由结点位移和形函数表示的单元内任一点的位移表达式：返回返回返回返回(3)式中(4)Ni，Nj，Nm，Nn为四面体单元的形函数返回返回返回返回其中的系数（i, j, m, n）V是四面体的体积，为了使V不为负值，单元的四个结点i, j, m返回返回返回返回n必须按顺序标号：在右手坐标系中，使得右手螺旋在按照i,j, m的转向转动时向n方向前进，见图13）式可以用矩阵形式表示：(5)式中，[I]为三阶单位阵，[N]为形函数矩阵上式即为单元结点位移和单元任意点位移之间的关系返回返回返回返回二、单元应变和应力单元应变和应力知道单元内任意一点位移后，可利用几何方程确定单元内该点的应变将（5）式代入空间问题几何方程得：(6)其中( i, j, m, n)(7)返回返回返回返回上式表明几何矩阵[B]中的元素都是常量，因此单元中的应变也是常量也就是说，采用线性位移模式的四面体单元是常应变单元将（6）式代入物理方程，就得到单元的应力列阵：(8)式中：[S]为四面体单元的应力矩阵，其分块形式为：（i, j, m, n）(9)返回返回返回返回其中显然单元中的应力也是常量。

因此，四面体单元是常应力单元三、单刚矩阵三、单刚矩阵对于四面体单元，利用虚功原理，采用类似平面问题的处理方法可以得到其单刚矩阵(10)返回返回返回返回其中：[K]e为单元刚度矩阵(11)写成分块形式为(12)返回返回返回返回式中子矩阵[ Krs]由下式计算（r, s=i, j, m, n） (13)可以看出， 单元刚度矩阵是由单元结点的坐标和单元材料的弹性常数所决定的，是一个常数矩阵如果将空间弹性体划分为ne个单元和n个结点，再经过类似于平面问题的组集过程，就可以得到弹性空间问题的平衡方程(14)返回返回返回返回式中，为整体结构结点载荷列阵；为整体结构单元位移列阵；为整体刚度矩阵整体刚度矩阵由单元刚度矩阵组集得到(15)显然有(16)四面体空间单元的整体刚度矩阵[K]同样是对称、带状、稀疏矩阵在消除刚体位移后，它是正定的返回返回返回返回第二节第二节第二节第二节 等效结点载荷等效结点载荷等效结点载荷等效结点载荷 (17)1·集中力的等效结点载荷集中力的等效结点载荷(18)其中任意结点i上的结点载荷(19)式中，是作用在单元e上的集中力； (Ni)c是形函数Ni在集中力作用点处的取值。

与平面问题相似，整体结构结点载荷列阵也是通过将作用在单元上的集中力，表面力和体积力分别等效移置到结点后，经过组集得到返回返回返回返回2 · 表面力的等效结点载荷表面力的等效结点载荷 (20)其中任意结点i上的结点载荷(21)式中， 是作用在单元e单位面积上的表面力3· 体积力的等效结点载荷体积力的等效结点载荷(22)其中任意结点i上的结点载荷(23)式中，是作用在单元e单位体积上的体积力返回返回返回返回§2 空间空间8节点等参单元单元节点等参单元单元 一、形函数与坐标变换 1）形函数2)坐标变换 图2二、位移插值函数与几何矩阵 简记为 ：图3三、单元刚度矩阵与等效节点载荷向量  需要注意 不是x、y的显式函数，需要用隐函数 求导的连锁规则： 写成矩阵形式有： 其中 ：称jacobi矩阵所以有 ：实际应用时一般只计算上式的数值解 单元刚度矩阵可以表示为：将上式中的 替换为 则有：进一步写成数值积分形式为：边界连续性讨论：边界连续性讨论： 8节点单元为协调单元。

单元体力载荷向量可以表示为 写成高斯积分形式为 第三节第三节第三节第三节 轴对称问题的弹性力学基本方程轴对称问题的弹性力学基本方程轴对称问题的弹性力学基本方程轴对称问题的弹性力学基本方程 轴对称问题是弹性力学空间问题的一个特殊情况如果弹性体的几何形状、约束以及外载荷都对称于某一轴，则弹性体内各点所有的位移、应变及应力也都对称于此轴，这类问题称为轴对称问题在离心机械、压力容器、矿山井架等中经常遇到轴对称问题图4 轴对称结构返回返回返回返回 轴对称结构体可以看成由任意一个纵向剖面绕着纵轴旋转一周而形成此旋转轴即为对称轴，纵向剖面称为子午面，如图4表示一圆柱体的子午面abcd被分割为若干个三角形单元，再经过绕对称轴旋转，圆柱体被离散成若干个三棱圆环单元，各单元之间用圆环形的铰链相连接对于轴对称问题，采用圆柱坐标较为方便以弹性体的对称轴为z轴，其约束及外载荷也都对称于z轴，因此弹性体内各点的各项应力分量、应变分量和位移分量都与环向坐标θ无关，图4 轴对称结构返回返回返回返回只是径向坐标r和轴向坐标z的函数也就是说，在任何一个过z轴的子午面上的位移、应变和应力的分布规律都相同。

因此轴对称问题可把三维问题简化为以（z，r）为自变量的二维问题 由于轴对称性，弹性体内各点只可能存在径向位移u和轴向位移w此时，位移u、w只是r、z的函数，而环向位移v=0即：（5-1）返回返回返回返回轴对称问题的物理方程可写为：（5-2）其中：[D]为轴对称问题弹性体的弹性矩阵返回返回返回返回第二节第二节第二节第二节 单元分析单元分析单元分析单元分析 由于轴对称性，我们只需分析任意一个子午面上的位移、应力和应变情况其有限元分析计算步骤和平面问题相似首先进行结构区域的有限元剖分采用的单元是三角形、矩形或任意四边形环绕对称轴z旋转一周而得到的整圆环，通常采用的单元是三角形截面的整圆环在单元类型确定之后，单元剖分可以在子午面内进行，如图5-1表示的abcde子午面被分割为若干个三角形，绕对称轴z旋转后即形成若干个三棱圆环单元一、单元剖分及位移模式一、单元剖分及位移模式返回返回返回返回这样，各单元在子午面rz平面上形成三角形网格，就如同平面问题中在xy平面上的网格一样采用位移法有限元分析，其基本未知量为结点位移单元的结点位移列阵如下：rrii图5mjrjrmvuz 相邻的单元由圆环形的铰链相连接。

单元的棱边都是圆，故称为结圆每个结圆与rz平面的交点称为结点结点如图5中的 i, j, m点返回返回返回返回（5-3） 对于每一个环形单元，需要假定其位移模式仿照平面三角形单元，取线性位移模式 类似于平面三角形单元的推导，即将单元的结点坐标 及结点位移 代入式（5-4）中,可以解出六个待定系数 再将这些待定系数回代到式（5-4）中，就可以得到由结点位移和形函数所表示的单元内任一点的位移表达式（5-5）（5-4）返回返回返回返回其中形函数（5-6）而（5-7）（5-8）（5-9）（5-10）返回返回返回返回（5-5）式也可以写成矩阵形式(5-11)其中：[I]为二阶单位矩阵因此，形函数矩阵的表达式为返回返回返回返回二、单元应变与应力二、单元应变与应力 为了将单元任意点的应变和应力用结点位移表示，可按以下步骤推导 将式（5-5）代入轴对称问题的几何方程，便得到单元体内的应变，即（5-12）返回返回返回返回式中（i，j，m）上式可简写成（5-13）其中 [B]为三角形断面环元的应变矩阵，它可写成分块矩阵形式[B]=[Bi Bj Bm]（ i，j，m）返回返回返回返回可以看出，单元中的应变分量，都是常量，但是环向应变不是常量，而是坐标r和z的函数。

为了简化计算和消除由于结点落在对称轴上使r = 0而引起的计算溢出，通常采用单元的形心坐标值 来近似代替（5-12）中的r，z值，即令于是有限元网格确定后，各单元的就是定值这样就可以把轴对称问题的各单元看成是常应变矩阵，所求得的应变是形心处的应变值当轴对称结构的单元划分比较小时，这种近似所引起的误差是很小的特别当结构上各单元的形心离Z轴较远时，产生的误差就更小了返回返回返回返回 单元的各应力分量可通过将式（5-12）代入轴对称问题的物理方程得到（5-14）式中：[S]是三角形截面环形单元的应力矩阵它的子矩阵为返回返回返回返回其中 从（5-14）式可知，只有剪应力在单元中是常数，而其他三个正应力在单元中都不是常数，与坐标r和z有关同样采用形心坐标和来代替，每个单元近似地被当作常应力单元，所求得的应力是单元形心处的应力近似值返回返回返回返回三、单元刚度矩阵三、单元刚度矩阵 运用虚功原理来求导轴对称问题结构上任何单元的刚度矩阵 单元在结点力的作用下处于平衡状态，结点力列阵为假设单元e的三个结点的虚位移为单元任一点的虚位移为单元的虚应变为（5 -15） （5-16）返回返回返回返回 根据虚功原理，三角形断面形状的单元体所吸收的虚应变能等于单元结点力所做的虚功（5-17）上式等号左边为单元结点力所作的虚功，与平面问题不同的是这里所说的结点力是指作用在整个结圆上的力，等式右边是指整个三角形环状单元中应力的虚功。

将（5-14）式和（5-16）式代入（5-17）式，则得（5-18）返回返回返回返回由于虚位移列阵 是任意给定的，所以有式中， 就是单元刚度矩阵写成分块形式，则为（5-19）（5-20）（5-21）返回返回返回返回其中每个子矩阵为在轴对称问题中，矩阵[B]不是常数而是坐标r, z的函数，所以（5-22）式的积分运算比平面问题要复杂得多为了简化计算仍取单元形心的坐标 代替矩阵[B]中的坐标r, z，得到一个近似的单元刚度矩阵此时，（5-22）式可以写成（5-22）（5-23）上式也可以写成（5-24）返回返回返回返回。