有限元、ANSYS.ppt

有限元法基础与ANSYS简介,通过介绍有限元法的基本概念、理论、方法与软件，使学生能够掌握使用其求解力学问题的特点、解题过程，熟悉一种有限元软件，初步具备使用有限元方法解决工程设计中实际问题的分析能力。,本课程讲授目的,提纲,1绪论2有限元法的基本概念与求解方法3有限元法常用单元介绍4ANSYS软件介绍与基本使用方法问题与讨论附录A：弹性力学中的基本概念与方法附录B：平面问题的基本理论,1.1有限元法的一般概念1.2有限元法的发展简介1.3有限元法与其他课程之间的关系,绪论,有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具，最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力，是将弹性理论，计算数学和计算机软件有机的结合在一起的一种数值分析技术。由于这一方法的灵活，快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法，目前已在许多学科领域和工程问题中得到广泛的应用。常用数值分析方法：差分法，有限元法，边界元法,有限元法的一般概念,有限元法的一般概念,将一个连续的求解域（连续体）离散化即分割成彼此用节点（离散点）互相联系的有限个单元，在单元体内假设近似解的模式，用有限个结点上的未知参数表征单元的特性，然后用适当的方法，将各个单元的关系式组合成包含这些未知参数的代数方程，得出个结点的未知参数，再利用插值函数求出近似解。是一种有限的单元离散某连续体然后进行求解得一种数值计算的近似方法。由于单元可以被分割各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好的适应复杂的几何形状，复杂的材料特性和复杂的边界条件，再加上它有成熟的大型软件系统支持，使它已成为一种非常受欢迎的，应用极广的数值计算方法。,有限元法的一般概念,单元：分割连续体的小区域，有线、面或实体等种类。节点：连接单元的空间点（由空间坐标确定），具有一定自由度。自由度：用于描述一个物理场（位移）的响应特性的参量。,有限元法的一般概念,J,有限元法的一般概念,节点编号节点编号分为局部节点编号和总体节点编号两种，如下图中的矩形，分为个节点，个单元，其中，为总体节点编号。而对于任一单元中，为局部节点编号，在公式推导中使用i，j，m编号。单元编号按从小到大顺序依次排列。,有限元法的发展简介,50年代，发展与萌生，单一功能程序，简单单元；60年代，数学基础与证明，单一功能程序，多种单元；70年代，单元库丰富，线性到非线性通用程序，如SAP，NONSAP等；80年代，多种功能扩大，大型通用程序如ADINA等；90年代，领域扩大，前后处理功能增强，大型商用软件，如ANSYS、MARC、NASTRAN等；目前，面向工程，与CAD结合成为CAE（计算机辅助工程）软件。说明：有限元法的发展与计算机学科的发展紧密相关。,有限元法的发展简介,现有有限元软件的计算功能与应用可求解结构位移场、温度场、电磁场、流场、耦合场等多种问题。,有限元法的发展简介,现有有限元软件的计算功能与应用可求解结构位移场、温度场、电磁场、流场、耦合场等多种问题。,有限元法与其他课程的关系,有限元法与其他课程的关系,材料力学：研究杆状构件在拉压、剪切、弯曲、扭转作用下的应力和位移。其中引入了构件形变状态或应力分布的假设。结构力学：在材料力学基础上研究杆状构件所组成的结构（杆件系统），例如行架等的应力与位移。弹性力学：针对非杆状结构（如板和水坝等实体结构）以及对杆状构件作进一步较精确的分析。以微元体为研究对象，通过建立应力、形变与位移间的关系进行求解。计算力学：是结构力学、弹性力学、计算数学、计算机学的结合，提供近似的数值计算方法解决问题。有限元法是其中的一种方法。上述各种方法最终目标是确立研究对象的应力、形变和位移，用以校核其是否有所需要的强度和刚度。,有限元法的基本概念与求解方法,2.1结构离散化与刚度矩阵2.2位移函数与形函数2.3单元刚度方程2.4载荷移置与等效节点载荷2.5结构刚度方程2.6位移边界条件的处理2.7应力计算2.8有限元法的普遍公式2.9有限元方程组的解法,结构离散化与刚度矩阵,结构离散化：1）网格划分将结构划分为有限个单元；2）载荷移置将作用在结构上的非节点载荷等效地移置为节点载荷；3）简化约束把结构边界上的约束，用适当的节点约束代替。,结构离散化与刚度矩阵,有限元网格划分原则,有限元中单元的网格剖分原则）各节点必须相连。如图所示中（a）是正确的，而（b）是错误的。,结构离散化与刚度矩阵,有限元网格划分原则,结构离散化与刚度矩阵,有限元网格划分原则,）单元不能奇异，也就是单元中的边长不能相差太大，或者有过大的钝角或过小的锐角，如图示：,结构离散化与刚度矩阵,有限元网格划分原则,）单元的大小、数目取决于计算精度要求和计算容量限制分网时首先满足计算精度的要求，同时可利用结构的对称性、循环对称性的特点，从厚结构中取出一部分进行分析，或者对有应力集中的构件，采用疏密不同的网格剖分。也可以采用子结构法。）同一单元内的结构，几何特性与材料特性相同，也就是不要把厚度不同或材料不同的区域划分在同一个单元里。,结构离散化与刚度矩阵,网格划分示例,结构离散化与刚度矩阵,结构离散化与刚度矩阵,刚度矩阵描述单元特性的矩阵，表示了单元抵抗变形的能力。它由刚度系数组成，由单元节点的个数和自由数决定规模。如图平面三角形三节点单元中，有3个节点，每个节点有2个自由度，故刚阵中的元素个数为36个。刚度系数Kij相当于一维弹簧的刚度K的含义。即产生单位位移时需要的作用力的大小。,结构离散化与刚度矩阵,位移函数,结构离散化后，要对单元进行力学特性分析，也就是确定单元节点力与节点位移之间的关系，这时就需要把单元内的任一点的位移分量表示成坐标的某种函数。这种函数就叫位移函数。,位移函数与形函数,位移函数的一般介绍,.定义：把单元中任一点的位移分量与坐标的函数关系叫位移函数或叫位移模式。.选择位移函数的原因（）决定了单元的力学特性。（意义）（）反映了单元的位移形态。（物理意义）（）它是利用位移法求解问题的开始。（基础）.位移函数必须具备的条件（）在节点上的值应等于节点的位移（）所采用的函数必须保证有限元的解收敛于真实解,位移函数与形函数,位移函数的一般形式,位移函数一般为多项式形式，这样处理是从两方面出发的（）进行数学运算（如微分，积分）较简单（）任意阶次的多项式可以近似地表示精确解，其一般形式为：u=u(x,y)=1+2x+3y+4x2+5xy+6y2+mynv=v(x,y)=m+1+m+2x+2myn（-）式中:,其中1m为待定系数。式中的也称为广义坐标，这种描述方式又称为广义坐标形式。（一维形式多项式u(x)=1+2x+x2+nxn）,位移函数与形函数,位移函数的一般形式,（-）式也可以参照帕斯卡三角形来确定,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,.位移函数形式就是最简单的情况而言，可以选取位移为坐标的线性函数形式，也就是：u(x,y)=1+2x+3yv(x,y)=4+5x+6y（-）对于图中的三角形单元，为了确定（-）式中的待定系数16，可以将节点i，j，m的位移值及坐标值代入上式，得到方程组：ui=1+2xi+3yivi=4+5xi+6yi（i=i，j，m）（-）式中ui，vi节点位移xi，yi节点坐标,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,这是一个一阶线性方程组，可使用克来姆法则求解。,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,.克来姆法则设有一线性方程组：a11x1+a12x2+a1nxn=b1a21x1+a22x2+a2nxn=b2an1x1+an2x2+annxn=bn（a11ann系数）当其系数行列式不等于零时上述的方程组有唯一解：（j，n）其中是将中第j列元素替换为右端项而得到的行列式,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,.待定系数1的求解如果用节点位移（ui,vi）,（uj,vj）,（um,vm）及节点坐标（xi,yi）,（xi,yi）,（xi,yi）代入（2-3）式可以得到：ui=1+2xi+3yiuj=1+2xj+3yjum=1+2xm+3ymvi=4+5xi+6yivj=4+5xj+6yjvm=4+5xm+6ym,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,由克来姆法则可知：当20，上述方程有唯一解：,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,为了描述方便，引入系数ai=xjym-xmyjbi=yj-ymci=-xj+xmaj=xmyi-xiymbj=ym-yicj=-xm+xiam=xiyj-xjyjbm=yi-yjcm=-xi+xj,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,代入上式后可以得到,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,.位移函数的插值函数形式假设这样一个函数：(i=i,j,m)代入（-）式后可得u=iui+juj+mumv=ivi+jvj+mvm式中：i，j，m被称为单元的形状函数，简称形函数或插值函数。,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,把（-）式写成矩阵形式：简写为：f=Ne（-）,位移函数与形函数,三节点三角形单元的位移函数,式中的矩阵反映了单元的位移形态，又是坐标的函数，我们称之为形函数矩阵，这种描述方式称为位移函数的插值函数形式。通过上面的推导，我们得到了两种形式的位移函数，（-）式与（-）式后一种描述更简单，更直观，通常采用。这样我们就建立了单元中任一点的位移和单元节点位移之间的关系。,位移函数与形函数,位移函数及其性质,当节点位移一定时，单元形态完全决定于i，j，m这时形函数就具有如下的性质：.形函数i在节点i处的值为，而在其他两个节点（j，m）处的值为零。即：i（xi，yi）=1而i（xj，yj）=i（xm，ym）=0同样的j（xi，yi）=0j（xj，yj）=1i（xm，ym）=0m（xi，yi）=0m（xj，yj）=0m（xm，ym）=1,位移函数与形函数,位移函数及其性质,.在单元任一节点处，三个形函数之和等于。证明如下：i（x，y）+j（x，y）+m（x，y）=（ai+bix+ciy+aj+bjx+cjy+am+bmx+cmy）（）=（ai+aj+am）+（bi+bj+bm）x+（ci+cj+cm）y（）=（+0+0）/（）=1此外，形函数与位移函数是同样类型的函数。如：位移函数u=1+2x+3y形函数i=（ai+bix+ciy）（）,位移函数与形函数,位移函数与解的收敛性,选择位移函数时，为保证有限元法的收敛性，必须满足以下个条件：.位移函数必须包含单元的常量应变.位移函数必须包含单元的刚体位移.位移函数在单元内部必须是连续函数（连续性要求）.位移函数应使得相邻单元间的位移协调（保续性要求）上述四个条件中，若全部满足，这样的位移函数构成的单元称为协调单元，若只满足前三条，则称为非协调单元,位移函数与形函数,位移函数与解的收敛性,下面我们用以下四个条件来考察三角形常应变单元的位移函数（）由=x,y,xyT=2,6,5+3T因2,6,5+3都是常数，与某坐标无关，因此含有常应变项（）将位移函数可改写成,位移函数与形函数,位移函数与解的收敛性,当发生刚体位移时：x=x=xy=0也就是2=6=5+3=0这时：其中u0,v0为平动位移分量。0为单元绕垂直于x，y平面的轴线作刚体转动时的角位移，它表示了刚体位移。,位移函数与形函数,位移函数与解的收敛性,（）位移函数（-）或是x，y的单值连续函数，故满足连续性要求。（）位移函数（-）式是线性函数，由于相邻单元在公共节点处的位移值相等，而通过两个节点可以连成一直线，其连线上的位移相同，因此边界上各点的位移是连续的，不会出现：综上所述，三角形常应变单元属于协调元,位移函数与形函数,面积坐标,面积坐标是利用三角形的面积关系表示三角形单元任一点位置的一种方法。优点：简明，方便。,位移函数与形函数,面积坐标,对于图中三角形单元任一点P（x,y）可用下三个比值来确定：Li,Lj,Lm称为P点的面积坐标，显然面积坐标具有以下性质：性质.Li+Lj+Lm=1（i+j+m=）性质.平行于三角形jm边的直线上所有点其Li相同AB变化时，hi不变,故i不变，Li不变,位移函数与形函数,面积坐标,性质.Li=1Lj=0Lm=0（i）Li=0Lj=1Lm=0（j）Li=0Lj=0Lm=1（m）性质.Li=Lj=Lm=1/3在三角形形心处面积坐标与形函数的关系：,位移函数与形函数,面积坐标,同理：Lj=Nj，Lm=Nm所以，面积坐标与形函数相同（量值）但意义不同,位移函数与形函数,单元刚度方程,对单元进行力学特性分析目的在于确定单元节点力与节点位移的关系，并称之为单元刚度方程：ee=e式中：Fe，e单元节点力及节点位移列阵e单元刚度矩阵,基本方法,单元刚度方程,基本方法,建立上述方程时可采用的方法（）直接刚度法（）虚位移原理或最小势能原理位移型有限元（）余虚功原理或最小余能原理力型有限元（）变分法（非结构问题）,单元刚度方程,基本方法,单元特性分析的步骤（）假设位移函数（）建立应力，应变与节点位移间的关系（）由能量原理，建立单元节点力与节点位移间的关系（）得到单元刚阵,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,（）上节的知识可以知道位移函数为：u=iui+juj+mumv=ivi+jvj+mvm式中i=（ai+bix+ciy）（）（i=i,j,m）（）应力应变与节点位移的关系对三节点三角形单元，节点位移e=ui,vi,uj,vj,um,vmTFe=Fix,Fiy,Fjx,Fjy,Fmx,FmyT,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,由弹力知识可知，几何方程为：,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,令：=Bi,Bj,Bm且（i=i,j,m）方程可简写为：=e,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,我们称单元的几何矩阵，其物理意义反映了单元任一点的应变与单元位移之间的关系。对于一个给定的单元，节点坐标一定，系数bi，ci也随之确定，也为常数，所以几何矩阵为常量矩阵，这也证明节点三角形单元是一种常应变单元。由弹性理论中关于平面问题的物理方程可知，当不考虑变温影响时，单元中任一点的应力为:=D式中为弹性矩阵，反映了单元材料方面的特性。,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,由上面应变与节点位移之间的关系代入后可得=D=DBe若令S=DB则=Se式中，S称为单元的应力矩阵物理意义：反映了单元中任一点的应力与节点位移之间的关系，对于节点三角形单元D，B为常量矩阵，S也为常量矩阵，这种常应变单元，也是一种常应力单元，回顾一下，平面应力问题：,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,而对于平面应变问题如果采用：代入,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,两种问题具有相同的描述形式，只是对材料的弹性模量与泊松比进行相应的代换，则在计算中可以采用同样形式的弹性矩阵。（）单元节点力与节点位移之间的关系在位移型有限元法中，对单元的力学特性分析，最终是需要建立节点位移和节点力之间的关系，也就是确定单元的刚度矩阵。应用虚位移原理来建立这种关系式。设某单元发生一虚位移，则该单元各节点上的虚位移为e，相应地单元内任一点处的虚应变为：。根据与间的关系有：=Be,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,这时单元体在节点力作用下处于平衡状态，根据虚位移原理，当虚位移发生时节点力在虚位移上所做的功等于单元的虚应变能，即：式中：e为单元的体积，上式称为单元的虚功方程。把=DBe和=Be代入上式得由于节点位移e及节点虚位移e均为常量，提出积分外，有：,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,进一步可得：令：则上式可写为求得了我们所要的形式的方程，称之为单元刚度方程，式中的e称为单元的刚度矩阵，反映了节点力与节点位移之间的关系。同样，可采用最小势能原理来建立单元节点力与节点位移的关系式。我们得到的单元刚度矩阵e是普遍公式，适用于各种类型的单元，对于三角形常应变单元的具体表达式见下。,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,（）三角形常应变单元刚度矩阵的显式：由于普遍公式中，均为常量矩阵，可以提出积分符号，而d是单元的微元体体积且d=tdxdy式中t为单元的厚度，同一单元，厚度t为常数，故单元体积（为单元的面积）普遍公式就可写为：为了便于计算利用B=BiBjBm将上式展开,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,单元刚度方程,式中子刚阵为：Krs=tBrTDBs（r,s=i,j,m）,三角形平面单元的单元刚度矩阵,Krs是一个阶矩阵，因此三角形常应变单元的刚度方程为的方程，也就是单刚阶数单元的自由度数。对与平面应力问题：将：B=BiBjBm及代入,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,（r,s=i,j,m）,单元刚度方程,三角形平面单元的单元刚度矩阵,简写为：相应的：,单元刚度方程,单元刚度矩阵的性质,（）单元刚度矩阵是对称矩阵（）单元刚度矩阵的主对角元素恒为正值（）单刚为奇异阵（）单元刚度仅与单元的几何特性（）及材料特性有关（）而与外力无关。上述四条性质，与杆系的单刚性质相同,单元刚度方程,.由于在进行有限元分析中，单元和单元之间仅通过节点相互联系当外载不是直接作用在节点上，那么需要将非节点载荷向节点移置，也就是真实外载（理想化）节点上的集中载荷移置后的载荷称之为等效节点载荷。,非节点载荷移置,载荷移置与等效节点载荷,非节点载荷移置,.结构的非节点载荷移置将各单元所受的非节点外载荷分别移置到各单元的相应节点上，在公共节点处应用载荷叠加原理，就可以得出.载荷移置的原则能量等效的原则单元的实际载荷与移置后的等效节点载荷在相应的虚位移上所做的虚功相等。.单元载荷移置的方法（）直接法：利用能量等效原则，直接进行单元载荷移置只适用于线性位移函数的单元,载荷移置与等效节点载荷,非节点载荷移置,（）普遍公式法：根据能量等效原则，推导出普遍公式适用于各种类型的单元说明：由圣维南原理可知，载荷移置后，只会在结构的局部产生误差。对整个结构的变形或应力状态的影响不大，由于有限元分析中，单元一般都很小，移置的结果不会带来很大的误差。,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置的普遍公式,.集中力的移置公式：设（）单元i,j,m中任意一点（x，y）作用集中载荷P=Px，Px（）各节点上的等效节点载荷向量为：Re=Rix,Riy,Rjx,Rjy,Rmx,Rmy（）发生微小位移时，集中力作用点相应的虚位移为：f*=u,v（）各节点相应的虚位移为：*e=ui*,vi*,uj*,vj*,um*,vm*,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置的普遍公式,推导：（）根据单元内位移与节点位移关系f=u,v=Nef*=N*eP（）根据能量等效原则：*eRe=f*P*eRe=(N*e)P=*eNPRe=NP这就是集中力的移置公式，式中为单元的形函数矩阵。,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置的普遍公式,.体力g的移置公式设：单元ijm上作用有体力g=gx,gy推导（）将单元体tdxdy上的体积力gdxdy当作集中力，应用集中力的移置公式Re=NP有微元体上dRe=Ngtdxdy（）积分在整个单元上有Re=Ngtdxdy=tNgdxdy,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置的普遍公式,3.表面力q的移置公式设单元ijm的jm边上作用有表面力q=qx，qy可将微元面积上tds上的面力qtds当作集中力则Re=sjmdRe=sjmqtds=tsjmqds上述公式适用于任何单元及任意坐标方向。,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,以单元自重（或作用在单元形心处的集中力）为例。设一个均质等厚的三角形单元ijm，其厚度为t，面积为，材料比重为，则单元的自重为：W=t,且其作用在单元形心c处,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,思路：（）欲求哪个节点在哪个方向上的载荷分量，就在该方向加一单位虚位移，其他自由度为。（）利用线性位移函数的特点导出几何关系。（）根据能量等效原则列出虚功相等，解出节点载荷分量,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,.直接法求解先求，i在y方向的等效节点载荷设vi*=1而ui*=uj*=vj*=um*=vm*=0相当于上图由于，单元具有线性位移函数，当vi*=1时变形情况见上图jm边不动，点b亦不动，由几何关系可知：,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,又根据能量等效原则：式中“”号表示与y轴方向相反同理可得：,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,类似可以得出：各节点沿x方向的等效节点载荷Rix=Rjx=Rmx=0Re=Rix,Riy,Rjx,Rjy,Rmx,RmyT=-t010101T/3上式也表明对三角形单元（均厚，等厚）所受重力，只需将自重平均的移置到节点上，方向与重力方向相同。,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,.普遍公式法求解对于此处为集中力P=0-WT作用在形心c处由Re=NTP可知,载荷移置与等效节点载荷,载荷移置举例,可以证明：在三角形形心c处，有Ni=Nj=Nm=1/3代入上式可得Re=-W010101T/3=-t010101T/3可见采用上述两种方法移置的结果相同说明：单元具有线性位移函数时，采用直接法移置较简单单元具有非线性位移函数时，只能采用普遍公式法进行。,载荷移置与等效节点载荷,结构刚度方程,通过单元特性分析，可建立单元刚度矩阵Ke同时得到单元刚度方程Kee=Fe通过单元载荷移置，可建立节点载荷列阵Re集合成结构刚度方程的三个方面的内容是：（）单元的节点位移e结构的节点位移列阵（）单元的节点载荷列阵Re结构的节点载荷列阵R（）单元的单刚Ke结构的总刚K得到K=R（2-45）,结构刚度方程,结构刚度方程,上为结构刚度方程，表示了节点载荷与节点位移间的关系，是一个以节点位移为未知量的线形代数方程组，可求得，进一步求出应变，应力。,结构刚度方程,集合的基本原则,（）在相互连接的公共节点处，各单元的节点位移必须相等，即必须满足变形协调条件。i=i=i=i所以，节点位移不须按单元来区分。,结构刚度方程,集合的基本原则,（）公共节点处，各单元对节点的作用力，与作用在该节点上的外载荷Ri之间，必须满足静力平衡条件。Ri=Fi+Fi+Fi+Fi所以，若Ri=0，则有Fi+Fi+Fi+Fi=0,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,例：1.结构的节点位移列阵根据公共节点处的变形协调条件，不同单元在公共节点处的位移相等，则有节点位移列阵=1234T=u1v1u2v2u3v3u4v4T（按总体节点编号顺序写出）,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,2.结构的节点载荷列阵：（1）若存在非节点载荷，须进行单元载荷移置，并按移置后的等效节点载荷进行叠加即：Ri=RixRiyT=Ri+（2）不考虑约束反力的作用（3）与节点位移相对应，结构的节点载荷列阵R亦按总体节点编号顺序排列那么，对于上例R=R1R2R3R4T=000.5P00.5P000T,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,式中约束反力R1=R4=0000T3.结构刚度方程3节点三角形单元的自由度数为6，单刚Ke为66阶矩阵。总体K由单刚Ke组合而成总刚K的阶数=结构的自由度数对于图示的例子，4个节点，共8个自由度，结构刚度矩阵为88的方阵。把图中的两个单元离散开为：,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,图中，数字为总体节点编号1，2，3，4字母i,j,m为局部节点编号。,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,对应关系，单元i,j,m1，2，3单元i,j,m1，3，4则单元的节点力列阵为：F=F1xF1yF2xF2yF3xF3yT=F1F2F3T单元节点力列阵为：F=F1F3F4T由节点i处的静力平衡条件可知R1=F1+F1R2=F2R3=F3+F3R4=F4（2-49）,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,上式中：Ri=RixRiyT，Fi=FixFiyT（i=1,2,3,4）又Fe=Kee对于单元有：F1=K111+K122+K133F2=K211+K222+K233F3=K311+K322+K333对于单元有：F1=K111+K133+K144F2=K311+K333+K344F3=K411+K433+K444,结构刚度方程,结构刚度方程的建立,代入2-49式R1=F1+F1=（K11+K11）1+K122+（K13+K13）3+K144R2=F2=K211+K222+K233R3=F3+F3=（K31+K31）1+K322+（K33+K33）3+K344R4=F4=K411+K433+K444可把上式写成矩阵形式，并进一步简写为：K=R称为结构刚度方程。表示了结构的节点载荷R与节点位移列阵之间的关系。K为结构刚度矩阵或总体刚度矩阵，简称总刚。,结构刚度方程,形成总刚的常用方法,上面是通过节点的平衡关系导出结构刚度方程的，这种做法优点在于力学概念明确。缺点：繁琐不便于程序实现。所以通常采用下面的两种方法：1.按单元形成总刚做法：A.先将总刚充0，阶数为44，按节点节点,结构刚度方程,形成总刚的常用方法,B.从单元开始，计算单刚Ke，送入总刚相应位置，然后进行下一个单元。,结构刚度方程,形成总刚的常用方法,2.按节点形成总刚A.方法同前，总刚充零。B.从节点1开始，检查该节点与哪几个节点相邻确定总刚的元素Krs。并与哪几个单元相联系确定元素Krs由几个单元相加,Krs+C.重复上述工作，直到最后一个节点。即同样就得到了总刚，即结构刚度方程,结构刚度方程,总刚的性质及其应用,1.总刚为对称方阵单刚对称阵叠加后总刚也必然对称应用：在程序设计中只需存储上三角或下三角的元素2.总刚是奇异矩阵物理：没有约束，存在刚体位移数学：不存在逆矩阵只有引入位移边界条件后，消去奇异性成为正定矩阵才能求解。,结构刚度方程,总刚的性质及其应用,3.总刚是稀疏矩阵每个节点只与少数几个节点相关存在大量的元素是有大量0元素的稀疏矩阵,结构刚度方程,总刚的性质及其应用,两种结构的总体节点编号方式，使总刚元素的排列方式不同，计算表明用带状稀疏矩阵，可节省计算存储量，提高计算效率。在编号时，应使同一单元节点号比较接近，最大节点号差尽可能小,结构刚度方程,总刚的性质及其应用,4.总刚仅与结构的尺寸，几何形状及材料性能有关，与外载无关。利用这一性质，可先计算总刚，再考虑外载的作用,结构刚度方程,位移边界条件的处理,对于结构刚度方程：K=RK为奇异阵的解不唯一因此，就必须引入位移边界条件，以消除K的奇异性数学：唯一解的必要条件物理：限制刚体位移下面介绍常用的几种方法,位移边界条件的处理,总刚的奇异性,对于结构而言，其结构刚度方程为：,位移边界条件的处理,总刚的奇异性,位移边界条件的处理,总刚的奇异性,由于结构处于平衡状态，所以：将（2-51）式中代入上式：并将两式相加：,位移边界条件的处理,总刚的奇异性,对任意的vi，ui上式恒等于0，因此其系数分别等于0即：由对称性可知：上式表示了总刚中各行元素之和均为零，即K对应的行列式的各行线性相关，根据行列式的性质：“若行列式的各行线性相关，或某一行是其余各行的线性组合，则行列式=0”有：总刚是奇异矩阵,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,由于K和R中的各元素均已按照一定的顺序分别存储在相应的数组中，在对K及R处理时，应尽量不打乱原有的存储顺序，并希望处理的元素越少越好。常用的方法有3种。1.降阶法：降低结构刚度方程阶次的方法若结构刚度方程为：K=R在节点位移中，令A未知位移，B已知位移，利用矩阵分块：,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,式中RB为未知载荷，并按第一行展开：KAAA+KABB=RA令则：（阶次比K=RA低）若B为零位移，则上式变为：上式相当于在原结构刚度方程中，将与零位移约束对应的行与列划去得到，由该式可以解出未知位移A采用计算机解题时，降阶会打乱原K及R的存储顺序，且需重新安排KAA，RA及A在程序设计中一般不采用,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,2.对角置一法：对结构刚度方程,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,已知位移边界条件：，将其引入刚度方程。为了不改变列数，处理第i列诸元素。,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,为了改变行数，对第i行处理，使其体现,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,对于平面问题，只要进行三次即可使k成为非奇异阵，故可求出待解位移。,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,3.对角元乘大数法若：对第i行的主对角元Kii乘以一个大数，如1020，并将对应的Ri改为：其它各行元素均保持不变。这样将第i行展开得到：同除1020得：,位移边界条件的处理,处理位移边界条件的常用方法,若则在Kii处乘以大数，Ri处置零即可这种方法应用的最为普遍。,位移边界条件的处理,基本公式,由结构刚度方程解出后可得到用e单元内应变、应力与节点位移间的关系。就可得出单元中任一点处的应变与应力：当不考虑温度影响时：或者=Be（B几何矩阵）,应力计算,由弹性力学可知：代入上式根据上式就可得出单元中任一点的应力。,基本公式,应力计算,1.变温等效节点载荷：设弹性体温度由T1升至T2，则弹性体的变温为T=T2-T1变温T为x,y的函数。若弹性体内不受任何约束，存在变温T时正应力为T。为线膨胀系数。,变温应力的计算,应力计算,因此在平面应力状态下：若三角形带应变单元，3个节点处的变温为Ti、Tj、Tm则变温T可由：T=NiTi+NjTj+NmTm为简单起见T=（Ti+Tj+Tm）/3那么当考虑温度变化时的平面问题物理方程为：式中：为单元任一点的总应变。o为该点的初应变（或自由热应变）。应用单元的虚功方程：得：,变温应力的计算,应力计算,进一步得若令Rte为节点的变温等效节点载荷上式成为：即：2、结构刚度方程：Rt变温等效节点载荷列阵,变温应力的计算,应力计算,由式求出后由：对于平面应力问题：对于平面应变问题：代入后，同平面应力公式。在上面的计算中，应力计算均应按单元进行，同样应变亦应按单元进行。,变温应力的计算,应力计算,计算得到的是单元的应力与应变，由其表示节点处的应力值的两种常用方法：1.绕节点平均法：将环绕某一节点的各单元加以平均以平均值表示该节点处的应力。若i节点周围有n个单元，则i点应力为：,应力的表示方法,应力计算,2.按单元面积的加权平均法：以交集于节点i的各单元的面积作为加权系数来计算i接点处的应力对于一般情况。这种方法要精确一些。,应力的表示方法,应力计算,根据材料力学公式，可以求出平面问题中节点的主应力、主方向和当量应力，如下式：当s逆时针转至1时，为正值。,主应力和主方向,应力计算,位移型有限元法求解线弹性问题的普遍公式将三角形常应变单元求解平面问题的公式推广为下列矩阵形式的普遍公式。1.单元中任一点处的位移、应变与应力关系：,有限元法的普遍公式,有限元法的普遍公式,2.单元刚度方程，单刚及其子刚阵,有限元法的普遍公式,有限元法的普遍公式,3.单元载荷移置公式集中力体积力表面力变温等效节点载荷4.结构刚度方程上述公式适用于各种类型的单元及各种类型的问题，称之为位移型有限元法求解线弹性静力问题的普遍公式。,有限元法的普遍公式,有限元法的普遍公式,1.位移函数2.形函数,六节点三角形单元,补充,位移函数的一般形式,（-）式也可以参照帕斯卡三角形来确定,位移函数与形函数,六节点三角形单元,其中为其形函数,补充,3.几何矩阵代入后以得到几何矩阵B不同之处：4.应力矩阵S=DB5.单元刚度其中：,六节点三角形单元,补充,6.等效节点载荷应用普遍公式即可，其中形函数矩阵7.形成总体刚度方程：8.引入约束，求解：,六节点三角形单元,补充,*小结：离散、单刚、总刚、载荷列阵解题步骤引入约束解方程，计算单元应力节点应力应力、应变与位移关系普遍公式单刚及子刚载荷移置，结构刚度方程,补充,用有限元法进行结构应力分析时的解题步骤对计算对象的结构形状进行简化力学模型的建立（承载状况，边界条件）结构离散化，确定单元的各种信息（节点的坐标及编号等）计算程序流程图，先计算单刚，形成总刚等。求解及,有限元方程的解法,有限元方程的解法,计算机流程,有限元方程的解法,有限元分析的效率很大程度上取决于求解这个庞大的线性代数方程组且解方程组时在整个解题时间中占有很大比重。求解先性代数方程组的方法：直接法是通过有限个算术运算来求出方程组的解。当方程组的阶数不太高时，采用高斯消去法、三角分解法阶数再高的话，可采用以这两种方法为基础的波前法、块追赶法和子结构法。而当方程阶数过高时，由于计算机有效位数的限制，直接法中的舍入误差，消元中的有效位数的限制，会影响求解的精度，这时可采用迭代法。迭代法：迭代法是用某极限过程去逐步逼近真实解，如塞得尔法和超极限法。,有限元方程的解法,有限元方程的解法,高斯消去法,高斯消去法的基本思想是逐步逐次消去一个未知数，最后将原方程变成一个的等价的三角形方程，再逐个回代，单元能解出全部的未知数。设刚度方程为：,有限元方程的解法,高斯消去法,将上式改写成：由于有限元法中，由于刚度矩阵为正定矩阵，即：,有限元方程的解法,高斯消去法,因此可采用高斯消去法求解：用K11除第1式则：故：,有限元方程的解法,将上式代回2n式中有：,高斯消去法,有限元方程的解法,原方程成为：,高斯消去法,有限元方程的解法,写成矩阵形式：,高斯消去法,有限元方程的解法,高斯消去法,可以将上式改写成：,有限元方程的解法,上式中右上标表示第一次消元，这样K阵成为第一列元素，除对角为1外其余均化为零。第二次消元时：对降过一阶的矩阵进行同样的化简。此时：这样做n次后，就可使矩阵K成为对角线元素均为1的三角阵。这个过程叫消元过程，其具体公式用下列公式表达：,高斯消去法,有限元方程的解法,第一次消元：第一行元素：（j=1,2,n）其他各行元素为：（i=2,3,n，j=1,2,n）,高斯消去法,有限元方程的解法,高斯消去法,第二次消元时：第二行元素（j=2,3,n）其他各行元素为（i=3,4,n，j=2,3,n）,有限元方程的解法,第l次消元时：第l行元素为：（j=l,l+1,n）其他各行元素为：（i=l+1,l+2,n，j=l,l+1,n）,高斯消去法,有限元方程的解法,第n次消元时：第n行元素为：,高斯消去法,有限元方程的解法,高斯消去法,至此消元过程全部结束得：,有限元方程的解法,将上式展开后有：将上式代入上一行中，就可解出，再以代入更上一行，又可以得出。依此类推，便可自下而上求出全部节点未知量。这个过程称为回代过程。,高斯消去法,有限元方程的解法,因此高斯消去法求解方程时分消元对角元为1的上三角阵回代对角元为1的单位阵，求节点未知量回代过程可归纳为如下公式：,高斯消去法,有限元方程的解法,三角分解法,利用三角分解，将刚阵化为三角阵K=LU的一种做法。与高斯法相比，运算量基本相同，而耗时少（程序实现）。三角分解后，一个成为上三角阵，另一个成为下三角阵，需要两次回代即可求得方程组的解。,有限元方程的解法,波前法,以高斯消去法为基础，而发展起来的解决计算容量不足的一种新方法。实施中，将生成的单元刚阵元素分批送入计算机内存，检查有无迭加完毕的自由度，若有则对其进行消元，并送出内存，同时紧凑内存中的其他元素，送入下一批单元刚阵元素，至到最后一个元素被消元，此时消元结束。回代时按相反顺序从外存读入数据进行计算。与高斯消去法的最大差别是：高斯消去法按自由度编号顺序消元与回代。而波前法则不是，是按自由度完毕迭加的先后顺序消元与回代，同时使用计算机外存。,有限元方程的解法,块追赶法,特殊结构适合于用此类方法，如平板叶片，纵横网格均匀时。,有限元方程的解法,子结构法,由于求解复杂类型结构时，求借总刚矩阵阶数高，要求计算内存量大等，则可采用子结构法。,迭代法,它不是方程组的真实解，而是用某一近似值代入，逐步迭代。使近似值逐渐逼近，达到规定误差时，取其为方程组的解。类似于牛顿迭代法。,有限元方程的解法,有限元法常用单元介绍,3.1常用结构分析有限元单元简介3.2等参元的概念3.3二维等参元（PLANE42）3.4三维等参元（SOLID45）3.5壳元（SHELL63）3.6示例,常用结构分析有限元单元简介,以ANSYS软件为例，常用结构分析有限元单元有如下几种：质点元（MASS）杆单元（LINK）梁单元（BEAM）实体元（SOLID）壳元（SHELL）接触元（CONTACT）连接元（COMBINATION）,常用结构分析有限元单元简介,常用结构分析有限元单元简介,常用结构分析有限元单元简介,二次,常用结构分析有限元单元简介,常用结构分析有限元单元简介,等参元的概念,等参元的概念,现考查平面的任意凸四边形单元与一边长为2的正方形单元：,等参元的概念,等参元的概念,假如在局部坐标（，）下，单元是一个正方形，不难看出其位移函数为：上式表示的位移函数为局部坐标（，）的表达式，在有限元分析时，需要计算位移u，v对总体坐标的偏导数（等）因此，采用上述做法时就必须找出总体坐标（x,y）对局部坐标（，）之间的变换式。如果采用与上式相同的形式对总体坐标变量插值：即,等参元的概念,等参元的概念,式中Ni（，）与上式位移函数相同，就能保证在两种坐标下，单元上各点一一对应在局部坐标下平行于的直边43变到总体坐标（x,y）平面上正好是斜线43。我们称之为坐标变换式。这样，我们可以看到位移函数式和坐标变换式具有完全相同的构造。它们用同样数目的相应的节点值作为参数，并具有完全相同的形函数Ni（，）这样构造的单元称坐等参数单元，简称等参元。对于等参元进行分析时，由于在局部坐标（，）中进行，这时单元形状是正方形，位移函数简单，计算较为方便。,等参元的概念,等参元的概念,母单元实际单元一一对应的实现方法,等参元的概念,等参元的概念,在第1式中，形函数Ni（，）可以是二次或更高次的，这时单元在局部坐标（，）平面上的矩形直边变换到总体总体坐标时为曲边形状，正好适应曲边单元的要求。另外，描述单元位移的节点数n以及其形函数Ni（，）的阶次，也可以坐标变换式的节点数n及其插值函数Ni（，）的阶数取得不等。若N（，）阶次N（，）的阶次（nn）则称为超参元，反之为次参元。,等参元中插值函数（形函数）,在有限元分析中，恰当的选择位移函数是整个方法中最重要的部分。位移函数的描述通常可用两种方式，其中一种是采用含有若干待定系数i（也称为广义坐标）的简单多项式，其二是可以采用形函数（插值函数）直接描述，形函数通常是用插值多项式表示，对于二维位移场来说，可以写成：式中Ni（x,y）由具体单元和节点确定。其中的形函数选择中非常关键的，对于等参元而言，其形函数的选择是借助于拉格朗日插值函数进行的。,等参元的概念,对于一些常用的单元，可以利用某些位置的插值函数，直接写出其形函数。在一维情况下，拉格朗日插值函数的一般形式为：式中：x0，x1，xn为n+1个节点的x坐标值，这是一个n次多项式，共有n个因子组成。当x=xi时，分子分母相等，多项式值为一。当x=xm时，多项式值为零。利用这种插值函数，只要（x）在x0，x1，xn处的值0，1n已知，就能用下列n次多项式近似的表示（x）,等参元中插值函数（形函数）,等参元的概念,即：显而易见，Lin（x）具有如下性质。这与形函数的定义是一致的，这样我们可以将拉格朗日插值函数使用于二维或三维情况。二维问题的位移函数可写成：式中，n、m分别为在x和y方向的分段数。,等参元中插值函数（形函数）,等参元的概念,为了便于推导，在推导各类单元的形函数时，采用的是局部坐标系，它在单元内部的变化范围是从-1到+1。这对有限元中推导形函数及进行数值积分都是方便的。一维情况下，无量纲的拉格朗日多项式：=-1=0=1,等参元中插值函数（形函数）,等参元的概念,构造的方法：直接法：同理可得二次：=-1=0=1,等参元中插值函数（形函数）,等参元的概念,三次形式：=-1=-1/3=1/3=1,等参元中插值函数（形函数）,等参元的概念,这里首先介绍四边形线性插值单元的形函数，如图4.2（a）所示。现在根据一维线性拉格朗日插值多项式的乘积用局部坐标构造这种单元的形函数，即：,四节点等参元的形函数,等参元的概念,由上图可见在i节点：由线性拉格朗日多项式ij边jk边,四节点等参元的形函数,等参元的概念,在j节点：ij边jk边同理：对节点k，l有：,四节点等参元的形函数,等参元的概念,把上述公式写成统一表达式时则有：式中i，i是节点i的局部坐标。,四节点等参元的形函数,等参元的概念,对于任意四节点四边形，如果在总体坐标系下选择双线性形函数表示位移函数，即：则在单元的边界上一般不能满足相容性条件。在不平行于x（或y）轴的任一边上（如43边）这条边的直线方程为：y=ax+b（a0）把它代入到位移函数式中，则位移为x的二次函数即：u=Ax2+Bx+C这样表明在这条边上u不再是线性变化的（v亦如此），因此这条边上的位移就不能由两个节点值的插值函数所唯一确定，从而在相邻两个单元的公共边上将不能保证位移是连续的。因此，4节点斜四边形单元不能采用直角坐标系下双线性函数为形函数。为此，需要引入局部坐标系，使得斜四边形单元能够变换到相应的矩形单元上去，这也是等参数单元的一个重要特点。,四节点等参元的形函数,等参元的概念,二次单元（8节点）这种单元共有8个节点，沿每条边有3个节点。位移函数在每条边上呈二次曲线变化，根据拉格朗日插值函数可求出其形函数。,八节点等参元的形函数,等参元的概念,形函数阶次的选择同样可以参照帕斯