第3章 桿梁結(jié)構(gòu)有限元分析

1、有限元基礎(chǔ)及工程仿真分析有限元基礎(chǔ)及工程仿真分析主講：魏召蘭主講：魏召蘭四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院第第3章章 桿梁結(jié)構(gòu)的有限元分析桿梁結(jié)構(gòu)的有限元分析3.1 桿件有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)化表征與算例桿件有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)化表征與算例 3.1.1 桿件分析的基本力學(xué)原理?xiàng)U件分析的基本力學(xué)原理?xiàng)U件是最常用的承力構(gòu)件，它的特點(diǎn)是連接它的桿件是最常用的承力構(gòu)件，它的特點(diǎn)是連接它的兩端一般都是鉸接接頭，因此，它主要是承受沿軸線兩端一般都是鉸接接頭，因此，它主要是承受沿軸線的軸向力，因兩個(gè)連接的構(gòu)件在鉸接接頭處可以轉(zhuǎn)動(dòng)，的軸向力，因兩個(gè)連接的構(gòu)件在鉸接接頭處可以轉(zhuǎn)動(dòng)，則它不傳遞和承受彎矩。則它

2、不傳遞和承受彎矩。 有一個(gè)左端固定的拉桿，其右端承受一外力有一個(gè)左端固定的拉桿，其右端承受一外力P。該拉桿的長(zhǎng)度為該拉桿的長(zhǎng)度為l，橫截面積為，橫截面積為A，彈性模量為，彈性模量為E，如，如圖圖3-2所示，這是一個(gè)一維問(wèn)題，下面討論該問(wèn)題的所示，這是一個(gè)一維問(wèn)題，下面討論該問(wèn)題的力學(xué)描述與求解。力學(xué)描述與求解。 【基本變量基本變量】3.1.1(1) 1D問(wèn)題的基本變量問(wèn)題的基本變量 由于該問(wèn)題是沿由于該問(wèn)題是沿x方向的一維問(wèn)題，因此只有沿方向的一維問(wèn)題，因此只有沿x方向的基本變量，即方向的基本變量，即 定義沿定義沿x方向移動(dòng)為位移：方向移動(dòng)為位移： u(x) 定義沿定義沿x方向的相對(duì)伸長(zhǎng)方向的

3、相對(duì)伸長(zhǎng)(或縮短或縮短)量為應(yīng)變：量為應(yīng)變： x(x) 定義沿定義沿x方向的單位橫截面上的受力為應(yīng)力：方向的單位橫截面上的受力為應(yīng)力：【基本方程基本方程】3.1.1(2) 1D問(wèn)題的基本方程問(wèn)題的基本方程 該問(wèn)題的三大類基本方程和邊界條件如下該問(wèn)題的三大類基本方程和邊界條件如下: 取出桿件的任意一個(gè)截面，可得到平衡方程取出桿件的任意一個(gè)截面，可得到平衡方程(無(wú)體力無(wú)體力)為為 取出桿件取出桿件x位置處的一段長(zhǎng)度位置處的一段長(zhǎng)度dx，設(shè)它的伸長(zhǎng)為，設(shè)它的伸長(zhǎng)為du，則它，則它的相對(duì)伸長(zhǎng)量為的相對(duì)伸長(zhǎng)量為 該方程稱為幾何方程。該方程稱為幾何方程。 由該材料的拉伸試驗(yàn)，可得到該材料的虎克定律為由該材

4、料的拉伸試驗(yàn)，可得到該材料的虎克定律為: 該方程也稱為物理方程。該方程也稱為物理方程。 邊界條件邊界條件(BC, boundary condition) 從求解思路來(lái)說(shuō)，可以有兩類方法來(lái)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求從求解思路來(lái)說(shuō)，可以有兩類方法來(lái)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，即解，即 (1)直接求解方法：該問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，因此，可以由直接求解方法：該問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，因此，可以由3個(gè)方程來(lái)直接求解個(gè)方程來(lái)直接求解3個(gè)變量。個(gè)變量。 (2)基于試函數(shù)的間接方法：可以先選取一個(gè)變量基于試函數(shù)的間接方法：可以先選取一個(gè)變量(如位如位移移)作為最基本的待求變量，將其它變量都用它來(lái)表達(dá)，并作為最基本的待求變量，將其它變量都用它來(lái)表達(dá)，

5、并采用間接的近似求解方法；具體的做法為：先對(duì)待求的位采用間接的近似求解方法；具體的做法為：先對(duì)待求的位移變量假設(shè)一種事先滿足位移邊界條件的可能解移變量假設(shè)一種事先滿足位移邊界條件的可能解(其中有一其中有一些待定的系數(shù)些待定的系數(shù))，稱為，稱為試函數(shù)試函數(shù)(trail function)，讓該受力系統(tǒng)，讓該受力系統(tǒng)的勢(shì)能取最小值來(lái)最后確定出可能解的勢(shì)能取最小值來(lái)最后確定出可能解(試函數(shù)試函數(shù))中的那些中的那些待定待定系數(shù)系數(shù)(unknown constant)；也可以讓該受力系統(tǒng)的內(nèi)部變形；也可以讓該受力系統(tǒng)的內(nèi)部變形虛功等于外部施加力的虛功，來(lái)求出試函數(shù)中的那些待定虛功等于外部施加力的虛功，來(lái)

6、求出試函數(shù)中的那些待定系數(shù)。系數(shù)。 下面針對(duì)圖下面針對(duì)圖3-2所示的一端固定的拉桿問(wèn)題，分別討論所示的一端固定的拉桿問(wèn)題，分別討論基于直接求解方法以及基于試函數(shù)的間接方法的求解過(guò)程。基于直接求解方法以及基于試函數(shù)的間接方法的求解過(guò)程。 【求解原理求解原理】3.1.1(3) 1D問(wèn)題的直接求解問(wèn)題的直接求解 【求解原理求解原理】3.1.1(4) 1D問(wèn)題的虛功原理求解問(wèn)題的虛功原理求解 先以一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)靜力平衡問(wèn)題來(lái)描述虛功原理的基本思先以一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)靜力平衡問(wèn)題來(lái)描述虛功原理的基本思想，然后再具體求解一端固定的拉桿問(wèn)題。想，然后再具體求解一端固定的拉桿問(wèn)題。 彈性力學(xué)中的虛功原理可表述為：

7、在外力作用下處于平衡狀彈性力學(xué)中的虛功原理可表述為：在外力作用下處于平衡狀態(tài)的變形體，當(dāng)給物體以微小虛位移時(shí)，外力所做的總虛功等于態(tài)的變形體，當(dāng)給物體以微小虛位移時(shí)，外力所做的總虛功等于物體的總虛應(yīng)變能物體的總虛應(yīng)變能(即應(yīng)力在由虛位移所產(chǎn)生虛應(yīng)變上所作的功即應(yīng)力在由虛位移所產(chǎn)生虛應(yīng)變上所作的功)。注意這里的虛位移是指僅滿足位移邊界條件注意這里的虛位移是指僅滿足位移邊界條件BC(u)的許可位移。的許可位移。 下面應(yīng)用虛功應(yīng)力來(lái)具體求解如圖下面應(yīng)用虛功應(yīng)力來(lái)具體求解如圖3-2所示的一端固定的拉所示的一端固定的拉桿問(wèn)題，設(shè)有滿足位移邊界條件的位移場(chǎng)桿問(wèn)題，設(shè)有滿足位移邊界條件的位移場(chǎng) 【求解原理求

8、解原理】3.1.1(5) 1D問(wèn)題的最小勢(shì)能原理求解問(wèn)題的最小勢(shì)能原理求解 3.1.2 局部坐標(biāo)系中的桿單元描述局部坐標(biāo)系中的桿單元描述 最簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)單元就是桿單元，下面就要研究它的試函數(shù)最簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)單元就是桿單元，下面就要研究它的試函數(shù)描述，以及計(jì)算它的應(yīng)變能和外力功。描述，以及計(jì)算它的應(yīng)變能和外力功。 【單元構(gòu)造單元構(gòu)造】3.1.2(1) 桿單元的描述桿單元的描述 單元的描述包括單元的幾何及節(jié)點(diǎn)描述、位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、單元的描述包括單元的幾何及節(jié)點(diǎn)描述、位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、勢(shì)能，也就是要充分利用描述問(wèn)題的三大類變量以及應(yīng)力場(chǎng)、勢(shì)能，也就是要充分利用描述問(wèn)題的三大類變量以及三大類方程來(lái)計(jì)算

9、單元的勢(shì)能，然后，由最小勢(shì)能原理三大類方程來(lái)計(jì)算單元的勢(shì)能，然后，由最小勢(shì)能原理(或虛功或虛功原理原理)來(lái)得到單元的方程。實(shí)際上，單元內(nèi)位移場(chǎng)的描述就是它來(lái)得到單元的方程。實(shí)際上，單元內(nèi)位移場(chǎng)的描述就是它的試函數(shù)的選取。的試函數(shù)的選取。 【典型例題典型例題】3.1.2(2) 變截面桿單元的推導(dǎo)變截面桿單元的推導(dǎo) 如圖如圖3-5所示，有一受軸載荷的線性變截面桿件，兩端的截所示，有一受軸載荷的線性變截面桿件，兩端的截面積為面積為A1和和A2，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為l，材料的彈性模量為，材料的彈性模量為E，試建立描述該，試建立描述該桿件的一個(gè)桿單元。桿件的一個(gè)桿單元。 3.1.3 桿單元的坐標(biāo)變換桿單元的坐

10、標(biāo)變換 1. 平面桿單元的坐標(biāo)變換平面桿單元的坐標(biāo)變換 在工程實(shí)際中，桿單元可能處于在工程實(shí)際中，桿單元可能處于整體坐標(biāo)系整體坐標(biāo)系(global coordinate system)中的任意一個(gè)位置，如圖中的任意一個(gè)位置，如圖3-6所示，這需要所示，這需要將原來(lái)在將原來(lái)在局部坐標(biāo)系局部坐標(biāo)系(local coordinate system)中所得到的單元中所得到的單元表達(dá)等價(jià)地變換到整體坐標(biāo)系中，這樣，不同位置的單元才有表達(dá)等價(jià)地變換到整體坐標(biāo)系中，這樣，不同位置的單元才有公共的坐標(biāo)基準(zhǔn)，以便對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行集成公共的坐標(biāo)基準(zhǔn)，以便對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行集成(即組裝即組裝)。圖。圖3-6中中的整體坐標(biāo)

11、系為的整體坐標(biāo)系為( )，桿單元的局部坐標(biāo)系為，桿單元的局部坐標(biāo)系為(ox)。 2. 空間桿單元的坐標(biāo)變換空間桿單元的坐標(biāo)變換 3.1.4 桿單元分析的桿單元分析的MATLAB程序程序 學(xué)習(xí)有限元方法的一個(gè)最佳途徑，就是在充分掌學(xué)習(xí)有限元方法的一個(gè)最佳途徑，就是在充分掌握基本概念的基礎(chǔ)上親自編寫有限元分析程序，這就握基本概念的基礎(chǔ)上親自編寫有限元分析程序，這就需要一個(gè)良好的編程環(huán)境或平臺(tái)，需要一個(gè)良好的編程環(huán)境或平臺(tái)，MATLAB軟件就是軟件就是這樣一個(gè)平臺(tái)，它以功能強(qiáng)大、編程邏輯直觀、使用這樣一個(gè)平臺(tái)，它以功能強(qiáng)大、編程邏輯直觀、使用方便見(jiàn)長(zhǎng)，從本節(jié)開(kāi)始，將自主學(xué)習(xí)方便見(jiàn)長(zhǎng)，從本節(jié)開(kāi)始，將自主學(xué)習(xí)MATLAB程序，程序，并編寫以下程序：并編寫以下程序：1D桿單元的有限元分析程序桿單元的有限元分析程序(Bar1D2Node)2D桿單元的有限元分析程序桿單元的有限元分析程序(Bar2D2Node) 3.1.5 桿結(jié)構(gòu)分析的算例桿結(jié)構(gòu)分析的算例 【典型例題典型例題】3.1.5(1