计算固体PPT课件.ppt
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1、3.4 板壳单元板壳单元 在前面所处理的二维或三维体元中,应变位移关系是精确满足的,当然,最后的数值解是近似的而在板壳理论中对几何关系引入了一些假设, 使问题化为二维问题例如在前面已经介绍过的经典薄板理论中,采用了直法线的假设因此,薄板理论中的精确解只是在这些假设有效情况下而言1 在薄板理论中,位移未知数只有一个 广义应变和广义应力定义为:w yxwywxw/2/22222 xyyxMMM2 现在,由于应变是由挠度的二阶导数表示,因此,在有限元分析中,单元之间界面上的连续性条件要求形状函数和它的一阶法向导数必须在界面上连续,也即这种单元为 类单元,以前所介绍的连续体单元只要求位移在单元的界面上
2、连续,这种单元称为 类单元。1C0C3 由于 类单元的一阶导数连续的要求不容易做到因此,在薄板弯曲的有限元中,除了按位移求解的非协调单元外,杂交单元和混合单元也颇受重视,提出了许多种板壳单元。我们只介绍比较广泛采用的一种薄板单元和一种厚壳单元1C43.4.1 三角形薄板单元和薄壳单元三角形薄板单元和薄壳单元 用有限元法求解薄板弯曲问题时,用一 些离散的薄板单元代替原来的连续薄板,各单元只在节点互相连接,由于相邻单元之间要传递力矩,所以把节点当作刚性连接的每个节点有三个位移分量,即挠度 ,绕 轴的转角 和绕 轴的转角 wxxyy5在小变形的条件下,有几何关系:xwx/ywy/因此,节点的位移可表
3、示为:iiwxiTyiiwixw)(Tiyw)/(6 三角形薄板单元由于可以较好地适应复杂的边界形状,因此实用价值较大 如图 3.8 所示的三角形三节点单元中,每个节点有三个位移分量,三个节点共有 9 个节点位移,因此,所取的位移函数应包含 9 项,但一个完整的三次项包含10项如下:31029283726524321yxyyxxyxyxyx7图3.8 三角形薄板单元8 因此必须从上式中删去一项,式中前三项代表刚体位移,随后三个二次项代表常量变形(曲率),为保证解答的收敛性都不能删去,只能从后面的四个三次项中删去一项,如从中任意删去一项,使表达式失去对称性,如令 ,可保持公式的对称性,但在某些情
4、况下,例当三角形的二边平行于 轴 和 轴时,求解式中的系数将成为不可能如采用面积坐标,可解决这个矛盾98xy9 面积坐标的一次,二次,三次式分别有以下各项:一次式:mjiLLL,二次式:222,mjiimmjjiLLLLLLLLL三次式:333222222,mjiimmjjiimmjjimjiLLLLLLLLLLLLLLLLLL10 从面积坐标的公式可知, 的完整一次多项式可用面积坐标表示为:yx,mjiLLL321 的完整二次多项式至少应包括二式中共六项,例如可取为:yx,immjjimjiLLLLLLLLL65432111 的完整三次多项式应至少包括三次式中的四项和一次, 二次, 三次三式
5、中其他任取的六项,共十项,现取下列十项:yx,mjiimmjjiimmjjimjiLLLLLLLLLLLLLLLLLL,22222212 上列十项的组合可作为位移函数,但节点位移只有 9项,应设法减少一个独立项式中最后一项在三个节点都具有下列特点:0/ )(/ )(yLLLxLLLLLLmjimjimji13 现把它归并入其他三次项中,取位移项数为:)()(2524321mjimjmjijimjiLLcLLLLLcLLLLLLw)()(2726mjijimjiimLLcLLLLLcLLL)()(2928mjiimmjimjLLcLLLLLcLLL14经过一些代数运算后发现,为了满足薄板的变形条
6、件,上式中只能取 在式中代入相应的节点位移2/1ciwixixw)/(iyiyw)/(),(mji15 利用节点位移可求出式中的系数921,最后可得到位移函数如下:jjyiyixixiiiwNNNwNweymymxmxmmmyjyjxjxjNNNwNNN16iNNxiNyiNjNxjNyjNyjNxmNymNiewxiyijwxjyjmwymTym17)()(222mjimjiiiLLLLLLLN2/)()(2mjimjjmmjixiLLLbbLbLbLN2/)()(2mjimjjmmjiyiLLLccLcLcLNmjiyybjmixxc),(mji18经过适当整理后可得:miyijxijmm
7、jjiiLLcbLwLwLww)(mjymixmijiyjmxjmLLcbLLcb)()(19 上式前六项是完整的二次多项式,因此位移函数可满足关于单元刚体位移和常应变的条件另外,沿着单元的三条边界,挠度将是边长的三次函数,在每条边界的两个端点(节点)上各有两个参数( 及 ),每条边界共有四个相同参数,因此可保证相邻两单元沿着公共边界上具有相同的位移wsw/20 在单元边界的法向斜率 也是边长的三次函数,但只在两个节点上有相同的斜率,只能部分地控制相邻单元的法向斜率,不能完全保证法向斜率的连续 从位移函数可以得到单元应变eBnw/21其中 是 的矩阵: B93 yxNyNxNBiii22222
8、2yxNyNxNymymym22222222单元刚度矩阵为:ATedxdyBDBk其中 为薄板弯曲理论中的弹性矩阵,对于各向同性材料的弹性矩阵为:01bDD012/ )1 (00D23其中 为弹性薄板的弯曲刚度:bD)1 (1223EhDb 为板的厚度。h 计算单元刚度矩阵时,利用面积坐标的积分公式可以得到刚度矩阵的解析表达式但公式很长,实际上在计算机中采用数值积分是很方便的由于被积函数是二次式,采用三点积分公式可得到较精确的结果24单元节点的等效载荷为:ATeqdxdyNp在均布载荷作用时可得到解析表达式: ieppjpTmp31qA24mjbb Tjicc24式中 为三角形的面积A25 上
9、述的三角形薄板单元是比较简单的单元但由于相邻单元的法向斜率不是完全协调的,只有计算网格比较规则时,计算结果能收敛于正确解答对于某些不规则网格,其计算精度就较差,为了克服这个缺点,有人建议对单元曲率进行修正,使之比较均匀也有人提出了各种混合单元,杂交单元等这里就不 一 一介绍了26 用有限元法分析弹性薄壳时,有两种不同的途径一条途径是用薄板单元组成的折板系统去代替原来的薄壳由平面应力状态和板弯曲应力状态加以组合而得到薄壳的应力状态另一途径是直接采曲面单元,根据壳体理论推导单元刚度矩阵由于每个单元的尺寸总是比较小的,因而有可能采用扁壳理论以简化单元刚度矩阵的计算27 弹性薄壳的应力状态可以认为是平
10、面应力状态和弯曲应力状态的组合因此,薄壳单元的刚度矩阵也可以由这两种应力状态的刚度矩阵加以组合而得到参阅图3.9. 把局部坐标系的轴和轴取在单元所在平面内 我们介绍用折板代替薄壳的计算方法28图3.9 薄壳单元的节点力和节点位移(a)平面应力状态 (b)弯曲应力状态29 对于平面应力状态,单元的应变状态完全取决于各节点的位移 ,以三角形单元为例,单元的节点力与节点位移的关系是:vu, pmjipmjipeFFFk30其中: iipivu iipiVUF式中上标 表示平面问题, 表示平面节点力节点的转角 不影响节点力,可以不考虑,相应的节点力 也不存在piiVU ,zmzjzi,zmzjziMM
11、M,31 对于弯曲应力状态,单元应变状态取决于节点在 方向的线位移 ,绕 轴的转角 及绕 轴的转角 ,节点位移和节点力的关系是:zwxxyy bmjibmjibeFFFk32其中: yixiibiw yixiibiMMWF式中上标 表示弯曲问题 , 表示弯曲时的节点力和弯矩byixiiMMW,33 把平面应力和弯曲应力加以组合后,单元的节点位移和节点力是:iiuiviwxiyiTziiiUFiViWxiMyiMTziM 虽然转角 不影响单元的应力状态,为了便于以后把局部坐标系刚度矩阵转化为整体坐标系的刚度矩阵并集合成整体刚度矩阵,这里特地把 也包括在节点位移中,并在节点力中相应地包括一个虚拟弯
12、矩 ziziziM34 单元的节点位移和节点力的关系可写成:eeeFk式中 是在组合应力状态下的单元刚度矩阵由于平面应力状态下的节点力与弯曲应力状态下的节点位移互不影响,弯曲应力状态下的节点力与平面应力状态下的节点位移也互不影响,所以组合应力状态下的单元刚度矩阵的子矩阵可以写成如下形式:ek35 00002111pperskkk00002212ppkk000534333bbbkkk000544434bbbkkk000554535bbbkkk00000036式中引入标记 ppperskkk2111ppkk2212 bbbberskkkk534333bbbkkk544434bbbkkk554535
13、37 子矩阵 和 分别是平面应力问题和薄板弯曲问题的相应子矩阵因此,把平面应力问题和薄板弯曲问题中三角形刚度矩阵结合起来,即可得到组合应力状态下的三角形单元的刚度矩阵persk bersk 38 前面是在单元的局部坐标系中推导单元刚度矩阵的,即以单元的中面为 面, 轴垂直于单元的中面,为了建立薄壳的整体刚度矩阵,必须把不同平面内的单元刚度系数在节点处加以集合,因此,需要一个统一的整体坐标系,并把各单元在局部坐标系中的刚度矩阵转换到整体坐标系中去yx,z39 现在用 表示整体坐标,局部坐标仍用 表示在局部坐标系中,节点 的位移和节点力仍用 和 表示在整体坐标系中,节点处的位移和节点力用 和 表示
14、,即:zyx,zyx,iiiFtitiFtitiuiviwxiyiTtzititiUFiViWxiMyiMTtziM40图3.10 局部坐标系和整体坐标系41 节点位移和节点力在两个坐标系中的变换可按下式进行(参看图3.10):tiitiiFF式中:42 000),cos(),cos(),cos(xzxyxx),cos(),cos(),cos(000zzzyzx而 为 轴与 轴的夹角,等等),(xxxx43 把整个单元在整体坐标中的节点位移和节点力分别用 , 表示,可得到:teteFteeLteeFLF式中: 00L000044由前面公式可知:1eteFLF 将局部坐标中单元节点力与节点位移的
15、关系式代入可得:11teeeeteLkLkLF45 由此可见此单元在整体坐标系中的刚度矩阵为:1LkLkete 因 是正交矩阵,故 ,由此可得:LTLL1LkLkeTte46 这就是刚度矩阵的变换公式。利用这个公式,可以由局部坐标系中的单元刚度矩阵 计算整体坐标系中的单元刚度矩阵 当整体坐标系中的单元刚度矩阵计算出来以后,就可以加以集合得到壳体的整体刚度矩阵 ekekK47 为了建立节点平衡方程,还须计算节点载荷令单元载荷所做的功等于节点载荷所做的功,不难求出节点载荷一般,在分布载荷作用下,单元节点载荷包括力和力矩分量 实际上,当单元比较小时,常可采用比较简单的方法计算单元节点载荷,即忽略力矩
16、分量,并把单元承受的外载荷的合力平均分摊到单元的各节点上去48 例如,当壳面承受着法向分布载荷 时,在三角形单元三个节点上的载荷强度分别是 ,那么作用于单元上的载荷合力是:pmjippp,3/ )(mjipppAR其中 是单元面积A49 假定载荷方向与局部坐标轴同时为正把这个合力平均分摊到三个节点上,并转换到整体坐标中去,得到在整体坐标中的节点载荷为:3),cos(),cos(),cos(RzzzyzxZYXiii其中 是整体坐标系zyx,50 把各单元的节点载荷加以集合,即可得到壳体的载荷列阵 壳体的节点平衡方程是:PttPK 从上式可解得各节点在整体坐标系中的位移利用变换式求出各节点在局部
17、坐标系中的位移,再利用局部坐标系中的应力矩阵,即可求得各单元的应力51 有一个特殊情况必须注意如果交会于 一个节点的各单元都在一个平面内,由于在前面已令 方向的刚度系数等于零,在局部坐标系中,这个节点的第六个平衡方程(相当于 方向)将是ziz00 52 如果整体坐标与这一局部坐标一致,显然,整体刚度矩阵的行列式 ,因而前面的平衡方程不满足有唯一解的条件如果整体坐标与局部坐标不一致,经变换后,在这个节点上得到了表面上正确的平衡方程,行列式 的行向量是线性相关的,从而仍有 的情况发生,所以平衡方程仍不满足有唯一解的条件0KK0K53 为了去掉这一困难,对于这种各有关单元位于同一平面内的节点,可以在
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