三角形常應變單元解平面問題實施步驟與注意事項


利用上面討論的三角形常應變單元解平面問題,其具體步驟可歸納如下:


1)將要計算的彈性體劃分成三角形單元。對結點進行編號,列出結點坐標作為輸入信息。


(2)對單元進行編號,列出單元三個結點的號碼作為輸入信息。


(3)計算載荷的等效結點力,把等效結點力作為輸入信息。


(4)按照(6)式計算各單元的常數bi、cibjcj、bmcm,再按照(4)計算2A。


(5)按照(35)式計算各單元的剛度矩陣。


(6)形成整體剛度矩陣。


(7)處理約束及消除剛體位移。


(8)解線性方程組(32)式,求結點位移。


(9)按照(20)式計算應力矩陣,再按(18)式計算單元應力。根據需要計算主應力和主方向。


通常步驟(4)(9)均由計算機來完成,而步驟(1)(3)可以用手工完成,也可由計算機來完成。在實現以上各步驟時,為了達到一定的計算精度,節約計算機存儲量,縮短計算機運行時間等目的,還需要注意下列事項。


1、利用對稱性


在劃分單元前要研究一下,計算對象是否有對稱變形或反對稱變形存在,從而確定是否需要取整個物體,還是取部分物體作為計算模型。例如圖8a所示受純彎曲的梁,它對于x,y軸都對稱,而載荷對于y軸對稱,對于x軸反對稱。可見,應力和應變亦將具有同樣的對稱和反對稱特性,所以我們只需計算1/4梁就行了。分離體如圖8b所示。對于刪去部分結構的影響可以這樣考慮:對于處于y軸對稱面內各結點的x方向位移和y方向分布力都應等于零,而對于處在x軸反對稱面上的各結點的x方向位移和y方向分布力亦都應等于零。這些條件相當于安置如圖8b中的約束。圖中o點上安置y方向的約束是為了消除剛體位移而設置的。又例如在分析圖9中所承受均勻壓力的厚壁圓筒時,根據結構和載荷軸對稱的性質,我們可以取出一個小扇形(圖中陰影部分)進行計算。扇形的兩側邊上應加上約束,以消除周向位移和沿徑向的分布力。(其中CD邊界上的約束和坐標方向不一致,將給計算帶來一定麻煩。此問題如采用下一節的軸對稱有限元進行分析,將方便得多。)


 

三角形常應變單元解平面問題實施步驟與注意事項的圖1

 

三角形常應變單元解平面問題實施步驟與注意事項的圖2

2、結點的選擇和單元的劃分


 


結點的布置和單元的劃分是互相聯系的。通常集中載荷的作用點、分布載荷強度的突變點,分布載荷與自由邊界的分界點、支承點都應取作為結點。如果物體的厚度有突變或者物體由不同的材料組成時,在布置結點時要注意,不要把厚度不同或材料不同的區域劃在同一個單元里。至于結點的多少和分布的疏密、亦即單元的大小,要根據計算精度和電子計算機的容量等綜合考慮,從結果精度來看,當然劃分得越細越好,但是,這樣做要增加準備工作和電子計算機的運算時間,甚至超出計算機的容量。因此,在保證精度的前提下,力求采用較少的單元。故在劃分單元時,對應力變化急劇的區域要分得細一些,應力變化平緩的區域可以分得粗一些。此時,還要注意單元的三條邊的長度不要懸殊太大,以免在計算中出現過大的誤差。


 


3.應力計算結果的整理


計算結果主要包括位移和應力兩個方面。在位移方面一般無需進行什么整理工作。下面僅針對應力結果的整理,介紹一些概念。


三角形常應變單元也是常應力單元。算出的應力,通常都作為單元形心處的應力。為了由計算結果推出彈性體內某一點接近實際的應力值,通??刹捎美@結點平均法或兩單元平均法


所謂繞結點平均法,就是把環繞某一結點的各單元常應力加以平均,用以表示該結點的應力,為了使由這樣的平均得來的應力能夠較好地表示結點處的實際應力,環繞該結點的各個單元的面積不應相差太大。


繞結點平均法計算出來的結果,在內結點處較好,而在邊界結點處則可能很差。因此,邊結點處的應力不宜直接由單元應力平均來獲得,而應由內結點的應力外推算出來。


所謂兩單元平均法,就是把兩個相鄰單元(兩單元的面積不宜相差太大)中的常應力加以平均,用來表示公共邊界中點處的應力。

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