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文档简介
拉压杆问题的回顾
1、杆的基本概念:杆--轴线为直线的细长构件,沿轴线承受拉(压)载荷;杆模型--平面假设将杆简化为一维问题,可由杆轴线代表;杆变形特点--只与轴向位移相关;拉压杆问题的回顾2、杆有限元的基本概念
节点位移—轴向位移,每节点1个自由度;节点力—轴力;
结构离散:轴线划分为若干直线段;单元分析:建立节点力与节点位移关系;节点平衡:对每一节点,建立相关节点力与外力的平衡关系,得到一线性方程组;约束处理:引入已知节点位移,使方程组可解第三章梁系结构的有限元法梁的基本概念
梁--承受弯曲变形的杆形构件;梁模型--平面假设将梁简化成一维问题,可由截面上两中性轴交点的连线(梁轴线)代表;梁的变形特点—既与挠度关联,也与弯角关联;(分别展示四种基本情况);挠度与弯角的关联性:弯角为挠度沿轴线方向的一阶导数(斜率,小变形)。梁单元的基本概念节点位移--平面梁:挠度和弯角,2自由度;广义平面梁:增加1个轴向位移(拉压),3自由度;空间梁:两向挠度和两向转角,4自由度;广义空间梁(略);节点力—按做功方式与节点位移一一对应,如:挠度对应剪力,弯角对应弯矩,等等。梁结构有限元法的基本步骤结构离散--梁结构离散为若干个单元,之间以节点相连,节点为相邻单元共有(连续性);单元分析--建立单元节点力与节点位移的关系;包括:单元位移插值、应变与应力分析,节点力合成;节点平衡--对于每一节点,建立所有相关的节点力与外力的平衡关系;得到一线性方程组;约束处理—引入已知节点位移(约束条件),使上述方程组成为可解方程组;求解节点位移,进一步可计算单元应变和应力以及约束节点力。梁单元分析一、平面梁单元的位移函数
1.梁单元的局部坐标系l(e)ij
设单元的位移函数为:有:其中为待定系数确定待定系数:l(e)ij把待定系数代入位移插值函数,有:容易验证:(3-1a),(3-1b)或(3-2a),(3-2b)称为平面梁单元的位移插值函数二、建立节点位移与节点力关系1、轴向节点力
在局部坐标中:2、弯矩节点力由梁截面正应力合成(简明推导)可得:对节点i(X=0)有:
对节点j(X=L)有:3、剪切节点力
由梁微元的平衡关系(简明推导)有:在节点i和j分别有:
三、梁单元的单元刚度矩阵
1、单元刚度矩阵
用矩阵形式把式(3-3a)-(3-3f)写在一起有:
(3-4)(3-4)式是用矩阵表示的梁节点力与节点位移的关系
式(3-4)还可写成:
(3-5)——称为局部坐标下的节点力列向量
——称为局部坐标下的节点位移列向量
——称为梁单元的单元刚度矩阵
2、单元刚度矩阵的性质(2)单刚对称
(3)单刚为奇异矩阵,其逆不存在
(1)单刚主元素>0
为奇异矩阵的物理解释
位移约束引入的必要性梁系结构实例1、直梁
(一)概要
1、单元划分;
2、约束条件(固支、简支);3、载荷处理(集中力、分布力)。
(二)算例
一端固支一端简支梁,简支端受已知弯矩作用(一个单元)。梁系结构实例2、平面梁系
1、节点力平衡的需求--单元节点力(在局部坐标系中)向整
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