第五章其他常用单元的刚度矩阵Word下载.docx

1、轴对称问题中表示应变与位移尖系的几何方程与弹性力学平面问题相似，所不同的是：单元内一点在径向产生的位移u，会在圆周方向引起相应的应变 一。一个半径为r的圆环，周长为2二r，环上的各点都沿各自的径向产生位移 u后，其圆周长度变成2二（ru）。因此，在圆周方向的应变为2 兀（r+u）_2 兀u0 = 二一2兀r r由于各点在圆周方向上无位移，因而剪应变 v和心均为零。将应变写成向量的形式，贝y根据上式，可推导出几何方程N（r,z）其中几何矩阵1 B】三 r（2也r亠严匚I1iczCU dN + CZ & y；m?QZkj乙jNj（r,z）r0 -Nk（r,z） r-0rkjnkr.JiZjkZki

2、rjiZ.j3弹性方程和弹性矩阵D依照广义虎克定律，同样可以写出在轴对称中应力和应变之间的弹性方程，其形式为AU （二- ） 1E 丄 I _U （； rr 二） E ；Z二丄zU （；r ）1 E “2（1+4）rrz rzE所以弹性方程为土IDE二式中应力矩阵一g 1二rz0 1弹性矩阵0-（1 + #）（1 _2）4 单元刚度矩阵2与平面问题相同，仍用虚功原理来建立单元刚度矩阵，其积 分式为k-lBTD:BdvV在柱面坐标系中? dV =2： drdz将 dV =2 drdz 代入 kf BID；Bdv，贝 Uk二 IB D : B drdz即为轴对称问题求单元刚度矩阵的积分式。与弹性力

3、学平面问题的三角形单元不同，在轴对称问题中，几何矩阵B内有的元素（如LU口等）是坐标r、z的函数不是常量因此乘积IBID IB不能简单地从式k=2二IB Q IB rdrdz的积分号 中提出。如果对该乘积逐项求积分，将是一个繁重的工作。一般采用近似的方法： 用三角形形心的坐标值代替几何矩阵B内的r和Z的值。用B表示 在形心（二）处计算出的矩阵B。其中-（i+j+k） 一 （Z+Zj+Zk）r3z3只要单元尺寸不太大，经过这样处理引起的误差也不大。被积函数又成为常数，可以提出到积分号外面：k】7=2兀BID】B】f rdrdz = 2兀BB】BB式中心 三角形的面积。由式kF = 2兀BB Br

4、drdz = 2兀B】b】B!也可以看出，两轴对 称的三角形单 元，当形状、大小及方位完全相同而位置不同时，其刚度矩阵也不相同。距离主轴 线越远的单元，其刚度越大。这与平面问题不一样。二、等参数的刚度矩阵对一些由曲线轮廓的复杂结构，如果采用直角边单元进行离散，由于用直线代替了曲线，除非网格划分得很细，否则不能获得较高的精度；对另一些应力随坐 标急剧变化的结构，采用简单的常应力单元离散时，也必须划分成大量的微小单 元，以保证足够的精度。为此引入一种高精度的单元等参数单元。它既能简化 复杂单元划分的工作，又能在满足同样精度的要求时，大大减少使用的单元数。目 前流行的大程序中较常用，它成功地解决了许

5、多二维和三维的弹性力学问题。为导出等参数单元的刚度矩阵，首先要建立根据每个单元的形状确定的自然 坐标系，然后将位移模式和形状函数都写成自然坐标的函数。一个单元在自然坐标系内的点余元整体坐标系内的点成对应的尖系。通 过映射，可以将整体坐标系中的图形转化为自然坐标系中的相应徒刑。例如可以将 整体坐标系中的一个任意四边形（实际单元）映射到自然坐标系中成为一个正方 形（基本单元）。同样也可以将任意四面体、六面体（包括直边和曲边的）分别 映射成正四面体和正六面体。这里只介绍较简单的一种平面问题的情况，将整体坐标系中的一个任意四边 形映射成自然坐标系中的一个正方体，并导出单元刚度矩阵。其它种单元的映 射，

6、可依次原理进行。不再叙述。1.位移模式和形状函数图4-2中的任意四边形单元上，作连接对边中点的直线，取其交点为原点， 这两条直线分别为和轴，并令四条边上的和值分别为，建立一个新的坐标 系，称之为该单元的自然坐标系。原坐标系XOY称为整体坐标系。在整体坐标 系 中，自然坐标系非正交，它由任意四边形的形状所确定。图 4-19如果将自然坐标系改画成直角坐标系，那么图 4-19 （ a）中的任意四边形单元就成为图4-19 （b）所示的正方形。上述两个四边形的点（包括顶点）一一对应，即它们之间相互映射。因此，需要写出整体坐标X、丫和自然坐标、之间的坐标转换式，即X 勺卜二2匚亠很亠很4丫二片 I 7 -

7、a5 6 7 8四边形四个顶点的坐标值在XOY坐标系中分别为X, , X2, 丫 2, X3, 丫 3,X4, Y 4 :在0坐标系中相应为心,T1, 1,1,-1,1。将有尖数据代入*中的第一式，则有XA- ） 2 - ） 3 *4X2 /V 1 *2 3- 4X 3 = ） t12 丄% 1 U , X 4 =勺-2*3- ） 4求解上述方程组得：-Xi X-X坐标变换方程*成为x 1 zX, i4 】X21 亠：一亠了 X3-1 -I.厂丁 X4同理Y 1 】r Yi 1 丨丫21 亠：亠弾亠？，Y 3-12 . .：-1 Y 4当引入函数比后，坐标变换方程成为XNi,Xiiz!丫二為

8、2 ,Yii 土式中N : i变量的正负号由相应节点的坐标值 i决定。例如当 i=4 时? ； -1 , 4-1 ?因此? N4 下面再来研究函数的特性。对节点KX,），相应的自然坐标值为（-11 ）。从式Ni,j 1 -1 冲很容易看出，除N1二1外，N2二N3二N4=0。对其余 各节点也一样。总而言之，对节点i （i=l,2,3,4），除Ni=l夕卜，其余三个N值均为零。同时，不难 看出N1 ,N2,N3,N4,=1，即四个节点的 Ni函数之和等于1。函数N,具备上章所介绍的形状函数应满足的条件，可作为本单元的形状函数米用NM故形状函数，其位移模式为4 4u 7Ni1 Ui,v 7Ni ，

9、 Vii 1 i AX 二瓦 Ni （r,n 旳 4v八Ni : Vi可以看出:1.1对比 4二 和u二瓦NiOnu丫八 g, 丫 -丄在这种实际单元（任意四边形）中，坐标变换式和位移模式不仅采用了相同的形状函数W，而且具有相同的数学模型。这种性质的实际单元称为等参数单元。对用节点位移值Ui （或Vi等）求单元内某一点位移量u （或V等）的插值公式U八，Ni，只要将U （或V等）换成X （或丫i 等），便成为利用节点值Xi （或Y i等）求相应点坐标X （或丫等）的插值公式。 相反也是这样。2几何矩阵B由于几何矩阵B通过对位移求偏导数而得出，所以首先CUau或写成丿cXcu必须利用复合函数求导

10、的规则得出下述公式cu cX cu cY&看看况 X u 丫汰釦 CY cnlX:式中免I負佇Y,此式称为雅可比矩阵IJ为了将几何矩阵B写成变量、的函数，必须将式u 1峠fX J，同理，乙 _L汕du dvH厂厂 10/r匕 c-Uy卜改写成gj从冷示单元内各点位移与其应变尖系的几何方程可知:01L=.Y1 ； ：U ； U ； V ： V.X将式A和丿cvI JfA二J警合T - 1 并，JCV/U0 f,lju对单元（e）任意一点的位移u，v对自然坐标,的偏导数可利用上式求出，写成矩阵形式为:u .：u . v .V式中匚?U1 V1 U1V*N3N4PIoblNT p对于 i=l,2,3

11、,4Nip =.u .u1 acnajdJ_丫v,则可得出表示在整体坐标系中位移和应变矢系的几何方程:= iBUe式中的几何矩阵B是自然坐标，的函数:LjFkp也可利用纱求得的M以及 Ni,XiYA Ni,YiX4TOx jYb筈當求出J】，3 单元刚度矩阵k?设单元板厚为t，根据虚功方程有：k）二HAIB I Dfe IdA，此式中几何矩阵B和弹性矩阵D都已求岀。因为几何矩阵B中的变量是自然坐标 ，所以也要用自然坐标表示微分面积dA 在实际单元中任取一点p其整体坐标位X、丫，其相应的自然坐标为：。过P点做；的等值线，同时做d, d的等值线，围成一小块微分面积dA，如图420（a）所示为便于分

12、析?将四边形pqrs放大5如图4-20 （b）所示。实际上，d,d取得很小，因此该四边形可视为平行四边形。若相邻的两边用向量fa加表示，则两者的乘积等于 该平行四边形的面积dA。图 4-20a 二 axi ayj,b 二 bxi byjdA 二 axi ayjHxbxi byj i； = bxby为了求岀ax, ay,bx, b泊勺值，要先写出a和b两端节点 的坐标值。点 P : Xp=X , ,Yp=Y ,点 q : Xd,Yqd,点 S : Xs=x , d，丫 s二丫 ，d利用泰勒技术展开并略去高阶项，可得x （U+dM）=x （n d一 XXX,d = X, d利用式对丫 ；，丫, d

13、，也可写出相应的展开式。X d，二 x ,X,1=X ,X d可得：ax -X;xd,ay 二 Yq-YnM二 Xs Xpd ,by=YS一 Yp =cYcP貳an3y bydA3x bxcXdd ,简写为dA = J d3单元刚度矩阵为：11k）=jjBTbBtJd如，这个积分可以米用“数值方法”J高斯求积分公式很方便的求出，在此不作介绍。例：求如图所示四边形的雅可比矩阵。解：求雅可比矩阵可在整体坐标系中进行，也可以在实际单元的局部坐标系 中进行。为便于计算，本例在局部坐标系中进行。对单元（1）：将四个节点的自然坐标值（1 -1 ）、（ 1 -1 ）、（1 ）、（-1，1）代入下式：汕,二丄1 !，再将所得到的X,值及四个节点实际单元在局部坐标系的坐标值 （3 -2）、（3，2）、（ 3,2）、（3,2 ）代入下式计算:，贝 y X =3 ,Y =2X 八 Ni,Xii雅克比矩阵为对单元（2）:四个节点在局部坐标系中的坐标值分别为（1 ,3/4 ）、-3/4 ）、（ 1，5/4 ）、（1，1/4 ）。-1丫二丄 w _n / 1 ）+4 1 I 4 因而雅可比矩阵为111 v4f0 （3 ） J也可利用UNjMpX灯X2X3X4求雅可比矩阵，其结果与上相同，同学们可自行验证。