天津大学船舶与海洋工程821结构力学课件第八章第新讲稿.ppt
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- 天津大学 船舶 海洋工程 821 结构 力学 课件 第八 章第新 讲稿
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1、12 8-1 弹性体的应力、位移与应变弹性体的应力、位移与应变考虑一三维弹性体,设材料均匀,各向同性。考虑一三维弹性体,设材料均匀,各向同性。取无穷小取无穷小dx,dy,dzzxyOdydxdzzxyOdzdydxy z yx yz xy zx zy x xz v应力分量应力分量 Txyzxyyzzx 复习:描述弹性体物体一点的应力、应变及位移的物理量复习:描述弹性体物体一点的应力、应变及位移的物理量3 弹性体一点九个应力分量用矩阵表示如下:弹性体一点九个应力分量用矩阵表示如下:xxyxzyxyyzzxzyz 其中剪力:其中剪力:xyyx xzzx yzzy 应力:应力:Txyzxyyzzx
2、对于不同的问题比如:受力以及几何形状的特殊性,会造成应力分布出对于不同的问题比如:受力以及几何形状的特殊性,会造成应力分布出现特殊性。现特殊性。4v位移分量:位移分量:wvu zxoywuv描述三维空间中一点描述三维空间中一点的位移应当有三个方的位移应当有三个方向的物理量向的物理量xyz结构受到的外力以及几何形状具有一些特殊性时,将会造成位移分布的结构受到的外力以及几何形状具有一些特殊性时,将会造成位移分布的特殊性。使得我们可以根据实际情况引入变形的一些假定条件。特殊性。使得我们可以根据实际情况引入变形的一些假定条件。譬如:梁理论当中的平断面假定条件等。譬如:梁理论当中的平断面假定条件等。5v
3、应变分量应变分量线应变线应变剪应变剪应变可表示为:可表示为:zxyzxyzyx 或或 zzyzxyzyyxxzxyx 212121212121xyzdyzxydyOOydy yz 6 8-2 平面应力问题及其基本方程式平面应力问题及其基本方程式v平面应力问题平面应力问题0zzxzy 板只有板只有xoyxoy平面内分量且均与平面内分量且均与z z坐标无关坐标无关 Txyxy Tu v Txyxy 1)几何特征:均匀薄板。即一个方向的尺度几何特征:均匀薄板。即一个方向的尺度 远小于另外两个方向的尺度。远小于另外两个方向的尺度。2)受力特征:)受力特征:面积力面积力外力均匀作用在板的周外力均匀作用在
4、板的周 边上且平行于边上且平行于xoy平面。平面。体积力体积力均作用于均作用于xoy平面之内。平面之内。3)应力分布的特点:)应力分布的特点:4)描述一点的位移及应变的分量:)描述一点的位移及应变的分量:求解平面问题及求解结构在受力后的应力、应变及位移共求解平面问题及求解结构在受力后的应力、应变及位移共8个未知函数个未知函数oyzxzx z zy 一薄板,外力沿板厚均匀分布一薄板,外力沿板厚均匀分布7求解弹性的基本方程求解弹性的基本方程(1)静力平衡方程式(力与外力之间平衡关系)静力平衡方程式(力与外力之间平衡关系)(2)几何方程式(位移与应变之间的关系)几何方程式(位移与应变之间的关系)(3
5、)物理方程式(应力与应变之间的关系)物理方程式(应力与应变之间的关系)(4)位移边界条件)位移边界条件(5)力的边界条件)力的边界条件8v求解平面问题的基本方程求解平面问题的基本方程静力平衡方程式静力平衡方程式如图,考虑一微块如图,考虑一微块dx,dy,设板厚为,设板厚为1,作用有均匀体积力,作用有均匀体积力x xxdxx y yydyy xy xyxydxx yx yxyxdyy 00YdxdydxdyxdxdyyXdxdydxdyydxdyxxyyyxx x方向,与方向,与y方向方程式方向方程式:或:或:00YyxXyxyxyyxx 以上二方程式称为以上二方程式称为“纳维叶(纳维叶(Nav
6、ier)”方程方程式式yxodydxYX9x xy yx y 取平板边缘三角形微块,其外法线方向余弦为:取平板边缘三角形微块,其外法线方向余弦为:xNl,cos yNm,cos X向静力方平衡程式:向静力方平衡程式:022lmdsXmdsldsdspyxxx略去高阶微量后,得:略去高阶微量后,得:yyxyxyxxpmlpml 此式为此式为“静力边界条件静力边界条件”yxoABCYXNpypxv求解平面问题的基本条件求解平面问题的基本条件静力边界条件静力边界条件ldsmds10uudxx 如图:如图:abcd变形前位置,变形前位置,abcd为变形后位置为变形后位置ab在在xoy平面中转角为平面中
7、转角为xuxvdxxudxdxxvtg 1 yuxvxy 略去与略去与1比的微量比的微量 ,得,得xu /xv /yu /同理同理vvdxx vvdyy uudyy abcda b c d yxodxdyvu v求解平面问题的基本条件求解平面问题的基本条件几何方程式几何方程式()xuudxuuxdxx ()yvvdyvvydyy 11应变协调方程式为:应变协调方程式为:xvyuyxyxvyxuxyyx223232222 yxxyxyyx 22222可得:可得:应变分量只有满足这个方程式才能保证弹性体变形的连续性应变分量只有满足这个方程式才能保证弹性体变形的连续性在什么情况下使用该方程式?在什么
8、情况下使用该方程式?又称为又称为“柯西(柯西(Cauchy)Cauchy)方程式方程式”yuxvyvxuxyyx 可得:可得:从数学角度,从力学角度分析上述方程。从数学角度,从力学角度分析上述方程。与应力相对应的连续位移是否存在的充分与应力相对应的连续位移是否存在的充分必要条件必要条件12v物理方程式(应力、应变间相互关系)物理方程式(应力、应变间相互关系)111xxyzyyxzzzxyxyxyyzyzzxzx()E()E()E,G,GG 1100 xxyyyxxyxyyzzxEEG 已知弹性体应力求应变已知弹性体应力求应变(1)Txyxy Txyzxy xyz()E 0zzxzy 0zxzy
9、 13 xyyxxyyxE 2100010112 D “弹性矩阵弹性矩阵”2100010112 ED 22211012 10 xxyzyyxzzzxyxyxyyzzxE()E()E()E 已知弹性体应变求应力已知弹性体应变求应力(2 2)14对于正交异性的弹性体对于正交异性的弹性体,应力与应变关系为应力与应变关系为:GEEEExyxyxxxyyyyyyxxx xyxyxxyyxyyyyxyxxxGEE 11 xyyxxyxxyyyyxxxyyxEGE 1000011 xyxxyyyyxxEGED 1000011D为正交弹性体的正交矩阵为正交弹性体的正交矩阵15 00YyxXyxyxyyxx x
10、yxyuvuvxyyx xyxxxyyylmplmp xyyxxyyxE 2100010112yxxyxyyx 22222uCs 力的平衡条件力的平衡条件几何条件几何条件变形协调条件变形协调条件物理条件物理条件力边界条件力边界条件位移边界条件位移边界条件16(1)弹性体在什么情况下成为平面应力问题弹性体在什么情况下成为平面应力问题(2)描述平面应力问题弹性体的基本物理描述平面应力问题弹性体的基本物理量量(3)求解平面应力问题的基本方程求解平面应力问题的基本方程(4)求解平面应力问题的基本方法求解平面应力问题的基本方法17基本指导思想:认为弹性体是有限个单元的组合体基本指导思想:认为弹性体是有限
11、个单元的组合体 有限元采用解题方法有限元采用解题方法 位移法位移法8-3 8-3 解题方法及有限元法的概念解题方法及有限元法的概念有限元的基本概念有限元的基本概念v结构的离散化结构的离散化将连续的结构离散成有限个单元将连续的结构离散成有限个单元形成节点、边形成节点、边(原结构)(原结构)(离散化模型)(离散化模型)18离散后:离散后:位移:各单元仅在节点与其它单元连接位移:各单元仅在节点与其它单元连接 在单元边上保持位移连续最好,至少变形后相连。在单元边上保持位移连续最好,至少变形后相连。力:在单元内保持力的平衡条件、力:在单元内保持力的平衡条件、在单元间保持节点力的平衡在单元间保持节点力的平
12、衡 边界上满足边界节点上的位移边界条件边界上满足边界节点上的位移边界条件 及相当的力的边界条件。及相当的力的边界条件。理想状态下:理想状态下:位移:离散节点前后各单元内及单元之间位移保持连续;位移:离散节点前后各单元内及单元之间位移保持连续;力:在单元内及单元之间各处均应保持力的平衡条件力:在单元内及单元之间各处均应保持力的平衡条件 边界上满足一切位移及力的边界条件。边界上满足一切位移及力的边界条件。一般弹性体的结构离散与杆系结构离散的区别一般弹性体的结构离散与杆系结构离散的区别19v设定单元的位移函数设定单元的位移函数 该位移函数的特点:不是单元的真实位移该位移函数的特点:不是单元的真实位移
13、有限元采用解题方法位移法有限元采用解题方法位移法基本未知量:节点的位移基本未知量:节点的位移平面问题一个节点的位移自由度平面问题一个节点的位移自由度2个个 节点力的个数节点力的个数2个个 Tu,v TxyF,Fv建立节点位移与节点力之间的关系(单元刚度矩阵)建立节点位移与节点力之间的关系(单元刚度矩阵)解决问题的途径:李兹法解决问题的途径:李兹法 (1)假设单元内部位移的形状函数)假设单元内部位移的形状函数 (将节点位移作为待定参数)(将节点位移作为待定参数)(2)利用虚功原理求出单元刚度矩阵)利用虚功原理求出单元刚度矩阵20v分布外力的移置分布外力的移置 平面应力问题:平面应力问题:体积力及
14、面积力:求解这些外力的等效节点体积力及面积力:求解这些外力的等效节点v建立节点力平衡方程式建立节点力平衡方程式 形成类似矩阵法的节点力平衡方程式矩阵表达形式形成类似矩阵法的节点力平衡方程式矩阵表达形式 kP v约束处理求解节点位移约束处理求解节点位移 218-4 三角形单元的位移函数与刚度矩阵三角形单元的位移函数与刚度矩阵v节点位移与节点力节点位移与节点力 mmjjiimjieuuuuvu ymxmyjxjyiximjieFFFFFFFFFF节点位移:节点位移:节点力:节点力:oyxmijvmumvjujviui22v 位移函数位移函数 123u x,yxy 456,v x yxy 16621
15、2 Hd vud yxyxH10000001 123456T 123iiiuxy123jjjuxy123mmmuxy 456iiivxy 456jjjvxy 456mmmvxy 式中:式中:将三节点将三节点i,j,mi,j,m坐标代入(坐标代入(1 1)式)式:将单元内部位移用节点位移表示之将单元内部位移用节点位移表示之 2 16 12 6d?23 654321100000011000000110000001 mmmmjjjjiiiimmjjiiyxyxxxyxyxyxvuvuvu 666161eA eA 1 mjimjimjimjimjimjicccbbbaaacccbbbaaaA00000
16、0000000000000211简记为:简记为:其中:其中:(3)24位移矩阵位移矩阵jmmjiyxyxa mjiyyb jmixxc miimjyxyxa imjyyb mijxxc ijjimyxyxa jimyyb ijmxxc mmjjiiyxyxyx11121 16 12 62 16 1eeHAdN 00010002iiijjjmmmiiijjjmmma bx cyabx c yab x c yNa bx cyabx c yab x c y 为三角形为三角形i,j,mi,j,m面积面积(4)得得ijmN NN 2 62 16 1jjiimmN NdN 25v单元应变单元应变(几何矩阵
17、几何矩阵)mmjjiimmjjiimjimjixyyxuuvuvubcbcbccccbbbyuxvyvxu00000021 3 13 66 1eB mmjjiimjimjibcbcbccccbbbB00000021用弹性理论平面应力问题的几何方程式,可得单元应变:用弹性理论平面应力问题的几何方程式,可得单元应变:或:或:式中:式中:几何矩阵几何矩阵用节点位移表达的单元应用节点位移表达的单元应变变26 3 13 33 63 66 16 1eeDBS 221111111222222iijjmmiijjmmiijjmmbcbcbcESbcbcbc()cbcbcb D(2)v单元应变(用节点位移表示的
18、单元应力)单元应变(用节点位移表示的单元应力)根据虎克定律的矩阵表示式根据虎克定律的矩阵表示式 3 13 66 1eB 应力矩阵应力矩阵 ijmSS S S 27v单元刚度矩阵(单元刚度矩阵(表示节点位移与节点力关系矩阵)表示节点位移与节点力关系矩阵)求解单元刚度矩阵的方法求解单元刚度矩阵的方法:虚功原理虚功原理 eeeKF eTeeFW eB TTTeeeVtdxdyBDBtdxdy e eVWe 基本公式:基本公式:给节点虚位移:给节点虚位移:e 真实应变:真实应变:eB 即:即:节点力在虚位移上所作的虚功节点力在虚位移上所作的虚功 =虚位移引起单元内部的虚应变能虚位移引起单元内部的虚应变
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