3弹性力学平面问题的有限元法 本章包括以下的内容 3.1弹性力学平面问题的基本方程 3.2单元位移函数 3.3单元载荷移置 34单元刚度矩阵 3.5单元刚度矩阵的性质与物理意义 3.6整体分析 3.7约束条件的处理 3.8整体刚度矩阵的特点与存储方法 3.9方程组解法 3.弹性力学平面问题的基本方程 弹性力学是研究弹性体在约束和外载荷作用下应力和变形分布规律的一门学科。在弹性 力学中针对微小的单元体建立基本方程,把复杂形状弹性体的受力和变形分析问题归结为偏 微分方程组的边值问题。弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程、物理方程。 弹性力学的基本假定如下: 1)完全弹性,2)连续,3)均匀,4)各向同性,5)小变形。 3.1.1基本变量 弹性力学中的基本变量为体力、面力、应力、位移、应变,各自的定义如下。 体力 体力是分布在物体体积内的力,例如重力和惯性力 面力 面力是分布在物体表面上的力,例如接触压力、流体压力。 应力 物体受到约束和外力作用,其内部将产生内力。物体内某一点的内力就是应力。 p 图3
3 弹性力学平面问题的有限元法 本章包括以下的内容： 3.1 弹性力学平面问题的基本方程 3.2 单元位移函数 3.3 单元载荷移置 3.4 单元刚度矩阵 3.5 单元刚度矩阵的性质与物理意义 3.6 整体分析 3.7 约束条件的处理 3.8 整体刚度矩阵的特点与存储方法 3.9 方程组解法 3.1 弹性力学平面问题的基本方程 弹性力学是研究弹性体在约束和外载荷作用下应力和变形分布规律的一门学科。在弹性 力学中针对微小的单元体建立基本方程，把复杂形状弹性体的受力和变形分析问题归结为偏 微分方程组的边值问题。弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程、物理方程。 弹性力学的基本假定如下： 1）完全弹性，2）连续，3）均匀，4）各向同性，5）小变形。 3.1.1 基本变量 弹性力学中的基本变量为体力、面力、应力、位移、应变，各自的定义如下。 体力 体力是分布在物体体积内的力，例如重力和惯性力。 面力 面力是分布在物体表面上的力，例如接触压力、流体压力。 应力 物体受到约束和外力作用，其内部将产生内力。物体内某一点的内力就是应力。 图 3.1
如图3.1假想用通过物体内任意一点p的一个截面mn将物理分为I、Ⅱ两部分。将部 分Ⅱ撇开,根据力的平衡原则,部分Ⅱ将在截面m上作用一定的内力。在mn截面上取包含 p点的微小面积△A,作用于△A面积上的内力为△O 令△A无限减小而趋于p点时,ΔO的极限S就是物体在p点的应力 AO S △A→0△A 应力S在其作用截面上的法向分量称为正应力,用σ表示;在作用截面上的切向分量 称为剪应力,用τ表示。 显然,点p在不同截面上的应力是不同的。为分析点p的应力状态,即通过p点的各个 截面上的应力的大小和方向,在p点取出的一个平行六面体,六面体的各楞边平行于坐标轴。 图3.2 将每个上的应力分解为一个正应力和两个剪应力,分别与三个坐标轴平行。用六面体表 面的应力分量来表示p点的应力状态。应力分量的下标约定如下 第一个下标表示应力的作用面,第二个下标表示应力的作用方向。 τ,第一个下标x表示剪应力作用在垂直于X轴的面上,第二个下标y表示剪应力指 向Y轴方向。 正应力由于作用表面与作用方向垂直,用一个下标。Ox表示正应力作用于垂直于X轴 的面上,指向X轴方向 应力分量的方向定义如下 如果某截面上的外法线是沿坐标轴的正方向,这个截面上的应力分量以沿坐标轴正方向 为正 如果某截面上的外法线是沿坐标轴的负方向,这个截面上的应力分量以沿坐标轴负方向 为正 剪应力互等:rx=rx,x=ry,xx=x 物体内任意一点的应力状态可以用六个独立的应力分量σx、σy、:、、、x
如图 3.1 假想用通过物体内任意一点 p 的一个截面 mn 将物理分为Ⅰ、Ⅱ两部分。将部 分Ⅱ撇开，根据力的平衡原则，部分Ⅱ将在截面 mn 上作用一定的内力。在 mn 截面上取包含 p 点的微小面积 A ，作用于 A 面积上的内力为 Q 。 令 A 无限减小而趋于 p 点时， Q 的极限 S 就是物体在 p 点的应力。 S A Q A = →0 lim 应力 S 在其作用截面上的法向分量称为正应力，用σ表示；在作用截面上的切向分量 称为剪应力，用τ表示。 显然，点 p 在不同截面上的应力是不同的。为分析点 p 的应力状态，即通过 p 点的各个 截面上的应力的大小和方向，在 p 点取出的一个平行六面体，六面体的各楞边平行于坐标轴。 图 3.2 将每个上的应力分解为一个正应力和两个剪应力，分别与三个坐标轴平行。用六面体表 面的应力分量来表示 p 点的应力状态。应力分量的下标约定如下： 第一个下标表示应力的作用面，第二个下标表示应力的作用方向。 xy ，第一个下标 x 表示剪应力作用在垂直于 X 轴的面上，第二个下标 y 表示剪应力指 向 Y 轴方向。 正应力由于作用表面与作用方向垂直，用一个下标。 x 表示正应力作用于垂直于 X 轴 的面上，指向 X 轴方向。 应力分量的方向定义如下： 如果某截面上的外法线是沿坐标轴的正方向，这个截面上的应力分量以沿坐标轴正方向 为正； 如果某截面上的外法线是沿坐标轴的负方向，这个截面上的应力分量以沿坐标轴负方向 为正。 剪应力互等： xy yx yz zy zx xz = , = , = 物体内任意一点的应力状态可以用六个独立的应力分量 x 、 y 、 z 、 xy 、 yz 、 zx
来表示 位移 位移就是位置的移动。物体内任意一点的位移,用位移在x,y,z坐标轴上的投影 应变 物体的形状改变可以归结为长度和角度的改变。 各线段的单位长度的伸缩,称为正应变,用ε表示。 两个垂直线段之间的直角的改变,用弧度表示,称为剪应变,用γ表示 物体内任意一点的变形,可以用ExE、E2、yx、、yx六个应变分量表示 3.1.2平面应力和平面应变问题 弹性体在满足一定条件时,其变形和应力的分布规律可以用在某一平面内的变形和应力 的分布规律来代替,这类问题称为平面问题。平面问题分为平面应力问题和平面应变问题 1)平面应力问题 设有很薄的等厚薄板,只在板边上受到平行于板面并且不沿厚度变化的面力,体力也平 行于板面且不沿厚度变化。 图3.3 设板的厚度为t,在板面上 0 (r-)t=0,( 0 由于平板很薄,外力不沿厚度变化,因此在整块板上有 0 0 剩下平行于XY平面的三个应力分量σx、σ、x未知 2)平面应变问题 设有很长的柱形体,支承情况不沿长度变化,在柱面上受到平行于横截面而且不沿长度 变化的面力,体力也如此分布
来表示。 位移 位移就是位置的移动。物体内任意一点的位移，用位移在 x，y，z 坐标轴上的投影 u、 v、w 表示。 应变 物体的形状改变可以归结为长度和角度的改变。 各线段的单位长度的伸缩，称为正应变，用 ε 表示。 两个垂直线段之间的直角的改变，用弧度表示，称为剪应变，用 γ 表示。 物体内任意一点的变形，可以用 x y z xy yz zx 、 、 、 、 、 六个应变分量表示。 3.1.2 平面应力和平面应变问题 弹性体在满足一定条件时，其变形和应力的分布规律可以用在某一平面内的变形和应力 的分布规律来代替，这类问题称为平面问题。平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。 1）平面应力问题 设有很薄的等厚薄板，只在板边上受到平行于板面并且不沿厚度变化的面力，体力也平 行于板面且不沿厚度变化。 图 3.3 设板的厚度为 t，在板面上： ( ) 0 2 = = t z z ， ( ) 0 2 = = t zx z ， ( ) 0 2 = = t z zy 由于平板很薄，外力不沿厚度变化，因此在整块板上有， z = 0， zx = 0， zy = 0 剩下平行于 XY 平面的三个应力分量 x y xy 、 、 未知。 2）平面应变问题 设有很长的柱形体，支承情况不沿长度变化，在柱面上受到平行于横截面而且不沿长度 变化的面力，体力也如此分布
图34 以柱体的任一横截面为ⅹY平面,任一纵线为Z轴。假定该柱体为无限长,则任一截 面都可以看作对称面。由对称性 0,t=0,w=0 由于没有Z方向的位移,Z方向的应变E.=0 未知量为平行于XY平面的三个应力分量σx、可,、,物体在Z方向处于自平衡状 态 3.1.3平衡方程 弹性力学中,在物体中取出一个微小单元体建立平衡方程。平衡方程代表了力的平衡关 系,建立了应力分量和体力分量之间的关系。对于平面问题,在物体内的任意一点有 0o.0 (3-1) Y=0 3.1.4几何方程 由几何方程可以得到位移和变形之间的关系。对于平面问题,在物体内的任意一点有, ay ax 刚体位移 由位移u=0,V=0可以得到应变分量为零,反过来,应变分量为零则位移分量不为零。 应变分量为零时的位移称为刚体位移。刚体位移代表了物体在平面内的移动和转动
图 3.4 以柱体的任一横截面为 XY 平面，任一纵线为 Z 轴。假定该柱体为无限长，则任一截 面都可以看作对称面。由对称性， zx = 0， zy = 0， w = 0 由于没有 Z 方向的位移，Z 方向的应变 z = 0 。 未知量为平行于 XY 平面的三个应力分量 x y xy 、 、 ，物体在 Z 方向处于自平衡状 态。 3.1.3 平衡方程 弹性力学中，在物体中取出一个微小单元体建立平衡方程。平衡方程代表了力的平衡关 系，建立了应力分量和体力分量之间的关系。对于平面问题，在物体内的任意一点有， 0 0 + = + + = + Y y x X x y y xy x yx （3-1） 3.1.4 几何方程 由几何方程可以得到位移和变形之间的关系。对于平面问题，在物体内的任意一点有， x v y u y v x u xy y x + = = = （3-2） 刚体位移 由位移 u=0，v=0 可以得到应变分量为零，反过来，应变分量为零则位移分量不为零。 应变分量为零时的位移称为刚体位移。刚体位移代表了物体在平面内的移动和转动
由 aa+ 0 =0 可以得到刚体位移为以下形式 u=lo-or v=v+ox 由 0 0可得 av u=fi(), v=f2(x) 将,f2代入+一=0可得 di() df2(x) O 积分后得到, f1(y)=l0-y f2(x)=vo+ax 得到位移分量, V=vo +ar 当4≠0,v0=0,O=0时,物体内任意一点都沿x方向移动相同的距离,可见u0代 表物体在ⅹ方向上的刚体平移。 当40=0,V0≠0,O=0时,物体内任意一点都沿y方向移动相同的距离,可见vo代表 物体在y方向上的刚体平移。 当40=0.v0=0,≠0时,可以假定O>0,此时的物体内任意一点P(x,y)的位 移分量为 v=ax P点位移与y轴的夹角为a, :y=tge
由 0 0 0 = + = = x v y u y v x u 可以得到刚体位移为以下形式， v v x u u y = + = − 0 0 由 0, = 0 = y v x u 可得， ( ), ( ) 1 2 u = f y v = f x 将 1 2 f , f 代入 = 0 + x v y u 可得， − = = dx df x dy df ( y) ( ) 1 2 积分后得到， f x v x f y u y = + = − 2 0 1 0 ( ) ( ) 得到位移分量， v v x u u y = + = − 0 0 当 u0 0,v0 = 0, = 0 时，物体内任意一点都沿 x 方向移动相同的距离，可见 0 u 代 表物体在 x 方向上的刚体平移。 当 u0 = 0,v0 0, = 0 时，物体内任意一点都沿 y 方向移动相同的距离，可见 0 v 代表 物体在 y 方向上的刚体平移。 当 u0 = 0,v0 = 0, 0 时，可以假定 0 ，此时的物体内任意一点 P（x，y）的位 移分量为， u = −y, v =x P 点位移与 y 轴的夹角为α， tg x y x y tg = = =