杆梁结构有限元分析

第五章 杆系结构的有限元法 5.1 引言杆系结构是工程中应用较为广泛的结构体系，包括平面或空间形式的梁、桁架、刚架、拱等。

其组成形式虽然复杂多样，但用计算机进行分析时却较为简单。

杆系结构中的每个杆件都是一个明显的单元。

杆件的两个端点自然形成有限元法的节点，杆件与杆件之间则用节点相连接。

显然，只要建立起杆件两端位移与杆端力之间的关系，则整体平衡方程的建立与前几章完全相同。

杆端位移与杆端力之间的关系，可用多种方法建立，包括前面几章一直采用的虚功原理，但是采用材料力学、结构力学的某些结论，不仅物理概念清晰、直观，而且推导过程简单明了。

因此，本章将采用这种方法进行单元分析。

至于整体平衡方程的建立，则和前面几章所讲的方法一样，即借助于单位定位向量，利用单元集成法进行。

5.2 平面桁架的有限元分析平面桁架在计算上有以下几个特点： 1． 杆件的每个节点仅有两个线位移； 2． 杆件之间的连接为理想铰，即在节点处各杆件可相对自由转动，且杆件轴线交于一点。

3． 外载荷均为作用于节点的集中力。

由于以上特点，所以在理论上各杆件只产生轴向拉、压力，截面应力分布均匀，材料可得到充分利用，因此桁架结构往往用于大跨结构。

5.2.1 局部坐标系下的单元刚度矩阵从平面桁架中任取一根杆件作为单元，称作桁架单元，单元长为L ，横截面面积为A ，图5.1。

两端节点分别用i 和j 表示，规定从i 到j 的连线方向为局部坐标x 轴，垂直于x 的方向为y 轴。

图5.1由于桁架中各杆只产生轴向力和轴向变形，所以节点i 和j 只发生沿x 方向的位移，用i u 和j u 表示，相应的杆端轴力分别用xi F 和xj F 表示。

由虎克定律可推得)()()(j i i j xj j i xi u u L EA u u L EA F u u LEAF --=-=-=将这两个式子写成矩阵形式，就是e j i exj xi u u L EA LEA L EA L EA F F ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧ (5.1)显然，在局部坐标系下，i 、j 两节点沿y 轴方向的位移0==j i v v ，在y 轴方向的节点力0==yj yi F F 。

TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化68 科学与信息化2020年1月上梁结构有限元建模方法的对比分析尤天泽中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司 陕西 汉中 723000摘 要 有限元的计算分析过程中，对梁结构的模拟非常普遍，但基本都使用实体单元、梁单元、板单元这三种单元来建模，这三种方法的建模过程及精度都有所不同，本文主要对比分析他们之间的优缺点及适用情况。

关键词 有限元；模型简化；精度概述现今很多大型复杂的工程结构的设计及优化中，有限元分析方法已经得到了广泛的应用，其中在复杂的桁架或是接头结构的分析中，对各种形状、各种截面以及长度的桁架杆件进行合理简化是一项非常重要的工作，不但要对整个计算模型进行协调，以适应其相互之间的装配关系及载荷的分配传递方式，还要保证简化后结构的刚度与原结构不能出现过大的误差，以满足工程分析的需要。

在实际应用中，除了两端采用铰链连接的杆件可以按其截面面积简化为等刚度的杆单元外，其余连接形式的结构中，杆件都需要建立成能模拟其自身的剪切以及弯曲刚度的单元类型，这里通常使用的方法有三种，主要为按其实际结构建立实体单元模型；按其截面属性建立梁单元模型以及按其截面尺寸由板单元拼接建模[1]。

这三种方法各有优劣，实际使用时根据不同情况以及计算要求来选择合适的方法，但是这三种方法所模拟的结构刚度的精度是不同的，下面主要对他们之间的差异进行分析。

1 典型分析模型的选取在实际工程结构中，“工”字形截面的杆件使用最为广泛，也是典型的梁结构形式，故在此选取截面高度为50mm ，上、下缘板宽度为30mm ，总长度200mm ，各处壁厚为5mm 的“工”字形截面的悬臂梁作为本次分析所使用的结构形式，具体结构示意见图1。

图1 分析模型示意图本次分析选取的“工”字形截面梁的材料为铝合金，其牌号为2A12，弹性模量为E=70560 MPa ，泊松比μ=0.33,整体结构一端施加线位移及扭转位移约束，一端施加沿梁高度方向的P=1000N 的载荷。

杆梁结构的有限元分析原理杆梁结构是工程中常用的一种结构形式，它由多个杆件或梁组成，用于承担载荷和传递力量。

有限元分析是一种通过将结构离散为许多小单元，利用数学方法对结构进行分析的技术。

下面将详细介绍杆梁结构的有限元分析原理。

一、杆件离散化在有限元分析中，首先需要将杆梁结构离散化为一组子结构，即离散化为一组离散的杆件。

离散后的每个杆件可以看作是一个子系统，每个子系统由两个节点组成，节点之间以杆件连接。

通过节点与杆件的连接方式，能够模拟出整个杆梁结构的受力特点。

离散化的过程中，需要确定杆件的几何形状、截面以及材料特性等参数，并根据实际情况设置合适的杆件单元数目。

通常，单元数目越多，离散程度越高，结果越接近真实情况，但计算成本也会增加。

二、有限元法的基本原理有限元方法的基本原理是将结构分成许多小的单元，每个单元内的行为可以用简单的数学函数来表示。

对于杆梁结构，常用的单元有梁单元和杆单元。

梁单元适用于承受弯曲强度较大的杆件，而杆单元适用于承受轴向载荷的杆件。

通过将结构分成小单元后，可以建立一个与原结构相似的离散模型，并在每个单元上建立相应的方程。

三、应力应变关系在进行有限元分析时，需要获得每个杆件的应变和应力。

应变与杆件的变形有关，而应力与应变之间的关系则与材料的本构关系有关。

对于线弹性材料，应力与应变之间可以通过胡克定律来描述。

胡克定律表明，应力与应变之间成线性关系，材料的弹性模量E、泊松比ν以及应变关系能够决定应力。

应根据结构中不同材料的应变特性来选择相应的材料模型。

四、施加边界条件在进行有限元分析前，需要施加适当的边界条件。

边界条件用于模拟实际情况中的约束和限制。

常见的边界条件有固定边界、弹性边界和施工阶段边界。

五、求解位移和应力当离散化杆梁结构、建立了位移和应变关系、施加了边界条件之后，可以通过数值求解方法，例如有限元法中的坐标变形法，计算得到结构的位移和应力。

坐标变形法能够基于得到的位移结果，进一步计算应力。