弹性力学基础及有限元法-2
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第一章1、弹性力学的任务是什么弹性力学的任务是分析各种结构物或其构件在弹性阶段的应力和位移,校核它们是否具有所需的强度和刚度,并寻求或改进它们的计算方法。
2、弹性力学的基本假设是什么?为什么要采用这些假设?(1) 假设物体是连续的——物体内部由连续介质组成,物体中没有空隙,因此物体中的应力、应变、位移等量是连续的•可以用坐标的连续函数表示。
实际上,所有的物体均由分子构成,但分子的大小及分子间的距离与物体的尺寸相比是很微小的,故可以不考虑物体内的分个构造。
根据这个假设所得的结果与实验结果是符合的。
(2) 假设物体是匀质的和各向同性的一一物体内部各点与各方向上的介质相同,因此,物体各部分的物理性质是相同的。
这样,物体的弹性常数(弹性模量、泊松比)不随位置坐标和方向而变化。
钢材由微小结晶体组成,晶体本身是各向异性的、但由于晶体很微小而排列又不规则,按其材料的平均性质,可以认为钢材是各向同性的。
木材不是各向同性的。
(3) 假设物体是完全弹性的一一物体在外加因家(裁荷、温度变化等)的作用下发生变形,在外加固素去除后,物体完全恢复其原来形状而没有任何剩余变形。
同时还假定材料服从胡克定律,即应力与形变成正比。
(4) 假设物体的变形是很小的——在载荷或温度变化等的作用下,物体变形而产生的位移,与物体的尺寸相比,是很微小的。
在研究物体受力后的平衡状态时,可以不考虑物体尺寸的改变。
在研究物体的应变时,可以赂去应变的乘积,因此,在微小形变的情况下弹性理论中的微分方程将是线性的。
(5) 假设物体内无初应力一一认为物体是处于自然状态,即在载荷或温度变化等作用之前,物体内部没合应力。
也就是说,出弹性理论所求得的应力仅仅是由于载荷或温度变化等所产生的。
物体中初应力的性质及数值与物体形成的历史有关。
若物体中有韧应力存在,则由弹性理论所求得的应力加上初应力才是物体中的实际应力。
上面基本假设中•假设(4)是属于几何假设,其他假设是属于物理假设。
第2章弹性力学平面问题有限单元法2.1 三角形单元(triangular Element)三角形单元是有限元分析中的常见单元形式之一,它的优点是:①对边界形状的适应性较好,②单刚形式及其推导比较简单,故首先介绍之。
一、结点位移和结点力列阵设右图为从某一结构中取出的一典型三角形单元。
在平面应力问题中,单元的每个结点上有沿x、y两个方向的力和位移,单元的结点位移列阵规定为:相应结点力列阵为: (式2-1-1)二、单元位移函数和形状函数前已述及,有限单元法是一种近似方法,在单元分析中,首先要求假定(构造)一组在单元内有定义的位移函数作为近似计算的基础。
即以结点位移为已知量,假定一个能表示单元内部(包括边界)任意点位移变化规律的函数。
构造位移函数的方法是:以结点(i,j,m)为定点。
以位移(u i ,v i ,…u m v m )为定点上的函数值,利用普通的函数插值法构造出一个单元位移函数。
在平面应力问题中,有u,v两个方向的位移,若假定单元位移函数是线性的,则可表示成:(,)123u u x y x yααα==++546(,)v v x y x yααα==++(2-1-2)a式中的6个待定常数α1 ,…, α6 可由已知的6个结点位移分量(3个结点的坐标) {}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=mjimeddddmjjivuvuvui{}iijjmXYX(2-1-1)YXYiejmmFF FF⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪==⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭确定。
将3个结点坐标(x i,y i ),(x j,y j ),(x m,y m )代入上式得如下两组线性方程:123i i i u x y ααα=++ 123j j j u x y ααα=++ (a)123m m m u x y ααα=++和546i i i v x y ααα=++ 546j j j v x y ααα=++ (b)546m m m v x y ααα=++利用线性代数中解方程组的克来姆法则,由(a)可解出待定常数1α 、2α 、3α :11A Aα=22A Aα=33A Aα=式中行列式:1i i i j j j m m m u x y A u x y u x y =2111i i j j m mu y A u y u y =3111i i j j m m x u A x u x u = 2111i i j j m mAx y A x y x y ==A 为△ijm 的面积,只要A 不为0,则可由上式解出:11()2m m i ij j a u a u a u A α=++ 21()2m m i ij j bu b u b u A α=++ (C )31()2m mi i j j c u c u c u A α=++式中:m m i j j a x y x y =- m m j i i a x y x y =- m i j j i a x y x y =-m i j b y y =- m j i b y y =- m i j b y y =- (d )m i j c x x =- m j i c x x =- m j i c x x =-为了书写方便,可将上式记为: m m i j ia x y x y =-m ij by y =- (,,)i j m u u u u ruu u u r m i jc x x =-(,,)i j m u u u u ru u u u r表示按顺序调换下标,即代表采用i,j,m 作轮换的方式便可得到(d)式。
弹性力学基础及有限单元法课程设计一、课程简介弹性力学是现代工程实践中的重要基础学科之一,它主要探讨了结构物在受力和变形时的力学行为及其相互关系,为工程实践提供了强有力的理论支持。
本课程通过系统学习弹性力学基础,深入探讨了有限单元法在工程实践中的应用及其实现原理,通过理论与实践相结合的方式,为学生提供一种新的工程实践思路和手段。
二、课程目标本课程旨在让学生:1.全面了解弹性力学的基本理论,掌握相关的数学工具和方法;2.熟悉有限单元法的基本原理和实现方法,能够使用有限单元软件进行结构分析;3.能够应用所学知识解决实际工程问题,提高解决实际问题的能力;4.培养独立思考和创新能力,为未来的科研工作奠定基础。
三、教学内容及进度安排1. 弹性力学基础•弹性力学基本概念•弹性力学的数学基础•弹性力学的基本假设•杆件、梁和板的理论分析•圆形和矩形截面的弯曲问题•薄壁容器的理论分析2. 有限单元法•有限单元法的基本原理及基础实现•二维弹性力学有限单元法•三维弹性力学有限单元法•常见有限单元软件的使用实例•结构物静力分析、动力分析和稳定性分析3. 课程实践•基于有限单元软件进行结构分析•分析设计简单的结构物•编写简单的有限单元程序•进行小规模理论计算和实验4. 课程考核•课堂出勤(10%)•课堂测验(20%)•实验报告(30%)•课程设计(40%)四、教学方法本课程采用翻转课堂教学模式。
在授课前,学生需要预习授课的内容,并在课堂上进行互动讨论和思路交流。
课堂后,学生需要完成实验、练习和课程设计,并提交相应的报告。
同时,教师也会及时地进行评估和指导。
五、参考资料1.《弹性力学基础》(谢庆春著)2.《有限元方法》(赵建华著)3.《ANSYS Workbench有限元分析基础》(张建军著)4.《薄壳结构有限元分析》(金涛著)六、结语弹性力学基础及有限单元法课程设计旨在为学生提供一种新的工程实践思路和手段,让学生通过理论与实践相结合的方式,掌握弹性力学基础理论和有限单元法的实现方法,从而开拓研究视野、培养独立思考和创新能力,并为未来的科研工作奠定基础。