Slide_chpt05-FEM for Beams有限元课件

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FEM_有限元法 PPT

FEM_有限元法 PPT
优异的解题能力。与其他数值方法相比较,有限 元法在适应场域边界几何形状以及媒质物理性质 变异情况的复杂问题求解上,有突出的优点:不 受几何形状和媒质分布的复杂程度限制;不同媒 质分界面上的边界条件是自动满足的;不必单独 处理第二、三类边界条件;离散点配置比较随意, 通过控制有限单元剖分密度和单元插值函数的选 取,可以充分保证所需的数值计算精度。
❖ 应用范围
广泛地被应用于各种结构工程 成功地用来解决其他工程领域中的问题
➢热传导、渗流、流体力学、空气动力学、土壤力学、 机械零件强度分析、电磁工程问题等等
有限元法
❖ Finite Element Method的缩写,有限单元法,其实际应用 中往往被称为有限元分析(FEA),是一个数值方法解偏微 分方程。FEM是一种高效能、常用的计算方法,它将连续体 离散化为若干个有限大小的单元体的集合,以求解连续体力 学问题。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的, 所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各 类物理场中(这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系)。 自从1969年以来,某些学者在流体力学中应用加权余数法 中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元 方程,因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类 物理场中,而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联 系.
❖ FEM是应用于现代复杂机械结构优化设计的非常重要的计算 机辅助分析方法。FEM早期主要应用于航空航天制造、船舶 工业及高端军事领域 。
方法运用的基本步骤
❖ 基本思想:由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。
❖ 步骤1:剖分 ❖ 将待解区域进行分割,离散成有限个元素的集合.元素பைடு நூலகம்单
元)的形状原则上是任意的.二维问题一般采用三角形单元 或矩形单元,三维空间可采用四面体或多面体等.每个单元 的顶点称为节点(或结点)。

有限元课程PPT第5章

有限元课程PPT第5章

基函数矩阵
形变列阵(广义应变列阵)
(5-17)
写成5块 其中
(5-18)
2.单元刚度矩阵和单元荷载向量 虚功方程 (5-19) 左半中 ,
单元刚度阵
( 5-20 )
其中
称为单元刚度矩阵元素(块) (5-21)
(具体表达式可见华东水利学院弹性力学问题的有限单元 法(1974版)) 虚功方程右半
在三个方向的分量,左上标 为初始态, 这里 为
表示壳单元状态,
为最终态。
方向余弦的增量, (5-66)
分量
能通过节点K处的旋转来表达,一个有效的方法 的单位向量 (5-67) 和 :
是定义两个正交于
其中ey为y方向的单位向量(对于特殊情形 可简单地用 )这样得 (5-68) 令 和 和 为关于 为小角度 (5-69) 将式(5-56)代入(5-52),得到 和 的正交向量 ,
(5-46) 据假定,可认为
(5-47)
(5-48)
总势能
(5-49) K为剪应力非均匀修正系数,将式(5-35)、(5-34)代 入(5-36)中,可得
(5-50) 其中 (5-51)
(5-52)
,是独立的,能如等参元那样求解。 变分, (5-53) (5-54) 例: 如图, 4节点的板,根据四节点等参元坐标转换关系
Int. J. Num Mech. Eng V.5,N2, 277~288,1972)一文中建议 对单元曲率修匀。 修匀只要对形函数的导数进行修匀即可,形函数 阶导数 的二
在角点上往往有奇异性,只有采取高阶数值积
分才能有较好的收敛性。为了得到计算既简单,收敛性又 好的单元,可用修匀后的导数, 代替 , 是组系统代替薄壳。 (一)局部坐标系中的单元刚度阵 特点是薄壳应力状态是平面应力状态+弯曲应力状态的 组合,刚度阵也可由此组合,局部坐标系x,y轴取在单元 所在平面内 组合后的单元节点位移和节点力分别 为(第i点)

有限元基础教程绪论ppt课件

有限元基础教程绪论ppt课件
不单设考试,以大作业的报告、平时作业和考勤综合评定成绩。
绪论
1.1概况 1.2有限元方法的历史 1.3有限元分析的内容和作用 1.4有限元分析的一般过程 1.5有限元法的基本概念 1.6有限元法的发展趋势
1概况
有限元方法(finite element method)或有限元分析(finite element analysis),是求取复杂微分方程近似解的一种非常 有效的工具,是现代数字化科技的一种重要基础性原理。 有限元分析必须包含三个方面:
2有限元方法的历史
有限元软件应用及学术论文: 随着计算机技术的飞速发展,基于有限元方法原理的软件
大量出现,并在实际工程中发挥了愈来愈重要的作用;目前, 专业的著名有限元分析软件公司有几十家,国际上著名的通用 有限元分析软件有ANSYS,ABAQUS,MSC/NASTRAN, MSC/MARC,ADINA,ALGOR,PRO/MECHANICA, IDEAS,还有一些专门的有限元分析软件,如LS-DYNA, DEFORM,PAM-STAMP, AUTOFORM,SUPER-FORGE等; 国际上著名的主要有限元分析软件状况见表1-1。有关有限元 分析的学术论文,每年也不计其数,学术活动非常活跃,表12 列出的是刊登有限元分析论文的常见学术期刊。
位移函数的构造方法(广义坐标法)
广义坐标法
一维单元位移函数: u(x) 0 1x 1x2 ...n xn
i为待定系数,也称为广义 简记为 u(x)
坐标
{1 x x2 ... xn}
{0 1 2 ... n}T
位移函数的构造方法(插值函数法)
插值函数法 即将位移函数表示为各个节点位移与 已知插值基函数积的和。
板壳单元
四面体单元

FEM课件_1分解

FEM课件_1分解

工况7位移云图
工况8位移云图
工况9位移云图
集装箱半挂车车架强度分析
集装箱半挂车车架强度分析结果
汽车结构拓扑优化设计
拓扑优化理论虽然发展还不甚完善,将其运用到结构设计之中也是 近一二十年才开始的,但将该方法运用到汽车的结构设计中,国内外的 科学工作者均有涉及。如德国的A.Diaz 运用拓扑优化设计方法对汽车 发动机盖和轿车底板进行了拓扑优化设计。
工况1应力云图
工况2应力云图
工况3应力云图
在纯水泥工况 ( 即 工况 4 、 5) 下,随装 载水泥的增加,应力 值水平也增加,由右 图知在水泥工况下应 力较大值区域主要集 中在滑料板上;
工况4应力云图
工况5应力云图
工况6应力云图
在混合工况(即工 况 6、 7、 8、9)下, 滑料板、罐体以及人 行踏板随着水泥装载 量、超载沙袋量以及 气压的增大,大应力 分布区域相应有增大 趋势。
有限元法数学上定义:是以变分原理为基础,与剖分 插值相结合,吸取差分法思想(求泛函极值)而发展起 来的一种近似求解连续域问题(离散模型)的数值解法。 有限元法力学上定义:是把一个连续体问题,简化为 由有限个离散单元组合而成的等效离散模型的求解方法。

有限大小、有Βιβλιοθήκη 个单元通过有限个节点连接例-直梁(阶梯轴)
有限元法是解决结构设计与分析的一种很有效的方法
什么叫有限元法
Finite Element Method (FEM) -有限元法、有限单 元法、有限元素法等。是计算机辅助工程( Computer Aided Engineering )领域的一种重要方法,有称有限 元分析-Finite Element Analysis (FEA)。
工况7应力云图

有限元分析在桥梁结构中的应用PPT课件

有限元分析在桥梁结构中的应用PPT课件

Ui
i
Ui
x
19
2( 1,2 ,3 )
2
x
3( 4 ,5 ,6 ) x
x
x
1
3
k
(1)
1( 0 ,0 ,0 )
4( 0 ,0 ,7 )
y
1
k
(2)
2021/7/24
2
3
4
5
6
1
2 3
0 0 0
(1) (1) (1 ) (1) (1 ) (1)
k 11
k 12 k 13 k 14 k 15 k 16
的结构分析,吹响了有限元的号角,有限元这一名称在 1960 年正式提出。
有限元方法的理论和程序主要来自高校和实验室,早期有限元的主要贡献来自
于Berkeley大学。Ed Wilson发布了第一个程序,第一代的程序没有名字,第
二代线性程序就是著名的 SAP (s truc tural analysis program ) ,非线性程序就
是NONSAP。
2021/7/24
第5页/共99页
5
3、有限元的应用领域
• 医学中的生物力学
有限元法在牙体修复研究领域
• 航天航空领域
• 机械制造和设计
• 环境
• 能源
• 气象
• 土建(道桥隧、工民建、水利)
… …
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第6页/共99页
6
4、有限元的学术领域
• 结构(静力、动力学、运动力学、冲击动力学)
ANSYS 收购 Fluent后成为名副其实的全球最大的 CAE 软件公司,在三大洲拥有40多个全资机构,17个
研发中心,近1,400 名员工。

有限元基础理论教程 lecture05 ppt课件.ppt

有限元基础理论教程 lecture05 ppt课件.ppt

A
bi
Axc
ci
Ayc ]
A
1 2A
(ai
bi xc
ci
yc )
1 3
A
Ryi
1 3
qy At
Ryj
1 3
q
y
At
Rym
1 3 qy At
三角形中的一点P可以用子三角形面 积定义的自然坐标来确定。面积坐 标定义为,
Li
Ai A
Lj
Aj A
Lm
Am A
点P表示为,P(Li , Lj , Lm )
面积坐标在三角形全面积上的积分为
2)体力的移置
令单元所受的均匀分布体力为,
{q}
qx
q
y
虚功相等,
{ *}e T{R}e { *}e T [N]T{q}tdxdy
{R}e [N]T {q}tdxdy
(2-17)
例题2.4、设有均质等厚的三角形单元ijm,受 到沿y方向的均布载荷qy的作用。求均布体力 移置到各结点的载荷。
Rxi Ni
Ryi
0
Rxj Ryj
s
Nj 0
Rxm
N
m
Rym 0
0
Ni
0 N
j
q0x
tds
0
Nm
取局部坐标s,在i点s=0,在j点s=l,L为ij边的长度。
在ij边上,以局部坐标表示的插值函数为,
Ni
1
s L
s Nj L
载荷为
qx
q
s L
Nm 0
Rxi
cr bs
cr cs
1
2
br bs
0 cs tA bs

《有限元分析及应用》PPT课件

《有限元分析及应用》PPT课件
5
有限元法的孕育过程及诞生和发展
牛顿(Newton)
莱布尼茨(Leibniz G. W.)
6
大约在300年前,牛顿和莱布尼茨发明了积 分法,证明了该运算具有整体对局部的可加 性。虽然,积分运算与有限元技术对定义域 的划分是不同的,前者进行无限划分而后者 进行有限划分,但积分运算为实现有限元技 术准备好了一个理论基础。
u y
dy
vB
v
v y
dy
66
在小变形的前提下,∠A’P’A1很小,可以认 为,线段PA位移后的绝对伸长,可以用线段两 端点沿x轴的位移之差来表示,即:。
PA PA
uA
uP
u
u x
dx u
u x
dx
从而线段PA的正应变
x为:。 x
PA PA PA
u dx x
dx
u x
v
dy
同理线段PB的正应变
y
dy
zy
1 2
zy
z
dz
0
略去微量项,得 yz zy
MY 0 zx xz
MZ 0
xy yx
剪切力互等定律
53
二维问题:平衡微分方程
x yx X 0
x y xy y Y 0 x y
剪切力互等定律
xy yx
54
应力边界条件
四面微分体Mabc
55
效的力系所代替,只能产生局部应力的改变,而在离
这一面积稍远处,其影响可以忽略不计。
60
61
62
均匀分布载荷作用 下的平板,应力分 布是均匀的。
材料力学中的拉伸 应力计算公式就是 圣维南原理应用的 结论。
63
一对集中力F/2作 用点区域仍然有比 较大的应力梯度变 化,但是比等效力

有限元分析课件CHAPTER03

有限元分析课件CHAPTER03

[e '] [T e]e
同理, 单元节点力
[ pe '] [T e] pe
有限元方法 第3章
22
总体坐标系下的刚度矩阵
pe ' [ke ']e '
[T e] pe [ke '][T e]e [T e ]1[T e ] pe [T e ]1[ke '][T e ]e pe [T e ]1[ke '][T e]e [ke]e
有限元方法 第3章
11
梁弯曲问题的最小势能原理:
p
L 0
1 2
EI
d 2w dx2
2
dx
L 0
q( x) wdx
j
Pj wj
k
M
k
dw dx
k
如不考虑集中载荷,则:
p
L 0
1 2
EI
d 2w dx2
2
dx
L 0
q( x) wdx
有限元方法 第3章
12
2014-04-04结束 引入单元的局部坐标
2
2
w( )
H
( i
0)
(
)wi
H
(1) i
(
)
i
i 1
i 1
w1
w( ) N1
N2
N3
N4
1
w2
[N
]ue
2
N1( ) 1 3 2 2 3 N2 ( ) l( 2 2 3) N3 ( ) 3 2 2 3 N4 ( ) l( 3 2 )
有限元方法 第3章
14
0
j
f
j
m
j
0 0

有限元方法ppt课件

有限元方法ppt课件
每个单元 ei [xi1,xi] 的长度为 hi xi xi1 . 单元在区间中分布的疏密程度或单元尺寸的大小,可根
据问题的物理性质来决定,一般来说,在物理量变化剧烈的 地方,单元尺寸要相对小一些,排列要密一些.
5
设V h
为H
1 E
的有限维子空间,它的元素为
u h ( x).
要构造 V h ,只需构造单元基函数 i .构造单元基函数所遵循 的原则是:
得到 和 为 K ( i )
F (i)
类似地,可写出 K ( 3 ) 和 K ( 4 ) .
然后进行叠加,便得到总刚度矩阵和总荷载向量:
依边界条件

在 中划去首末
两行和首末两列,在 中划去首末两行,便得到如下线性代
数方程组:
解之,得
§8. 二维椭圆边值问题的有限元方法
用有限元方法求解二维椭圆边值问题的过程与两点 边值问题的有限元方法大体相同,只是在具体处理时比一维 情形更复杂些.考虑如下椭圆型方程的第一边值问题:
与边值问题(7.1)、(7.2)等价的Galerkin变分问题是:
求u
H
1 E
,使得
其中
a u ,v f,v 0 , v H E 1
(7.19)
a u ,v a b p d d u xd d v x q u v d x, f,u a bfu d x .
仍用分段线性函数构成的试探函数空间 V
其中 这就是总荷载向量.
(7.17)
其这样,就可将式(7.16)写成
因此,有限元方程为
(7.18)
从总刚度矩阵和总荷载向量的形成过程可以看出,K的计 算,实际上是把 K (i) 中四个元素在适当的位置上“对号入座” 地叠加,b的计算也是如此.我们引入 B(i),只是为了叙述方 便,实际上,在编制程序时并不需要.显然,方程组(7.18)
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v( x)
Px
2
(3L x )
3
6 EI y v( x L)
6

Step 1: Element matrices
1 12 bh
3
PL
Iz
1 12
0.1 0.06
3
3EI y
m
4
1.8 10
0.75 0.25 0.75 0.125
The Finite Element Method
A Practical Course
CHAPTER 5: FEM FOR BEAMS
1
CONTENTS

INTRODUCTION FEM EQUATIONS – Shape functions construction – Strain matrix – Element matrices
P=1000 N 0.1 m
E=69 GPa
=0.33
0.5 m
0.06
m
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
16
EXAMPLE
Exact solution:
EI y v
4 4
x Eq. (2.59)
fy 0
fy 0
3 3a 3
3a 2 2a 3a 2 4a
12
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
Element matrices
me
N NdV dA
T V A
a
a
N Ndx A
15
EXAMPLE
Consider the cantilever beam as shown in the figure. The beam is fixed at one end and it has a uniform cross-sectional area as shown. The beam undergoes static deflection by a downward load of P=1000N applied at the free end. The dimensions and properties of the beam are shown in the figure.
Element matrices
f s1 N1 1 ms1 N2 d f ya 1 N 3 fs2 m N4 s2 f y a f s1 f a2 y 3 ms1 f y a fs2 2 fya 3 ms 2
d1 = v1 d4 = 2 d2 = 1 0 2a x= - a
= 1
d3 = v2
x,
x= a
=1
To obtain constant coefficients – four conditions
(1) (2) v( 1) v1 dv dx
(3) (4)
1
1
At x= a or = 1
4
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
FEM EQUATIONS

Shape functions construction Strain matrix Element matrices
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
2 3
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
10
Strain matrix
xx u x
y v
2
x

2 2
2
yLv
Eq. (2-47)
Therefore,
B yLN y x N y
Evaluate integrals
78 Aa me 105 sy.
22a 8a
2
27 13a 78
13a 2 6a 22a 2 8a
13
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
or
v( ) p ( )α
T

v x

v x

1 v a

1 a
( 1 2 2
3 3 )
2
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
7
Shape functions construction
Ae
1
or
α Ae de
1
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
9
Shape functions construction
Therefore,
v N( )d e
where
N( ) PA e N1 ( )
1

N 2 ( )
3
N 3 ( )
N 4 ( )

in which
N1 ( ) N 2 ( ) N 3 ( ) N 4 ( )
1 4 a 4 1 4 a 4
( 2 3 ) (1 )
2 3
( 2 3 )
3
( 1 )
1 a
1
2 a
1
1 a
1
2 a
1 1 3 2 a 1 3 3 a 4
or
d e A eα

2 1 3 4 0 1 a a a a 2 3 0 1 a a a a
11
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
Element matrices
ke

V
B cBdV E y dA
T 2 A 1
a
a 2 2
(

2 2
x
N) (
T

2 2
x
N)dx
EI z
1 a
4
1
[

2 2
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
3
INTRODUCTION

In beam structures, the beams are joined together by welding (not by pins or hinges). Uniform cross-section is assumed. FE matrices for beams with varying cross-sectional area can also be developed without difficulty.
fe
N fb dV
T
k ed e m ed e fe
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek
14
Remarks

Theoretically, coordinate transformation can also be used to transform the beam element matrices from the local coordinate system to the global coordinate system.
5
Shape functions construction

Consider a beam element
d1 = v1 d4 = 2 d2 = 1 0 2a x= - a
= 1
d3 = v2
x,
x= a
=1
Natural coordinate system:
The Finite Element Method by G. R. Liu and S. S. Quek

The transformation is necessary only if there is more than one beam element in the beam structure, and of which there are at least two beam elements of different orientations.

x a
6
Shape functions construction
Assume that v( ) 2 3 0 1 2 3
In matrix form:
v( ) 1



2

3

0 1 2 3

N] [
T


N]ad
EI z a
3

1
1
N N d
T
ke
EI z a
3

1
1
N1 N1 N N 2 1 N 3 N1 N 4 N1
N1 N 2 N2 N2 N3 N 2 N4 N2
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