常用单元的刚度矩阵

r

u

r r u r =-+=

πππεθ22)(2

由于各点在圆周方向上无位移，因而剪应变θr v 和r v θ均为

零。将应变写成向量的形式，则{}⎪⎪

⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪⎪⎬⎫

⎪⎪⎪⎪⎩⎪

⎪⎪⎪⎨⎧∂∂+∂∂∂∂∂∂=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=r w z u z w r u r u rz z r γεεεεθ

根据上式，可推导出几何方程{}[]{})(e B ϕε=

其中几何矩阵[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣

⎡∆=

ij ji

ki

ik

jk

kj ji ik kj k j i ij

kj

jk

z r z r z r

r r r r z r N r z r N r z r N z z z B 000

0),(0),(0),(00021 3.弹性方程和弹性矩阵[D]

依照广义虎克定律，同样可以写出在轴对称中应力和应变之间的弹性方程，其形式为

[])(1

θσσσε+-=

z r r u E [])(1

z r u E σσσεθθ+-=

[])(1

θσσσε+-=r z z u E

rz rz E

r τμ)1(2+=

所以弹性方程为{}[]{}εσD = 式中应力矩阵{}{}T rz z r τσσσσθ=

弹性矩阵[]⎥⎥

⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢

⎢⎢⎢⎣

⎡-----+=221000

01010

1)21)(1(μμμμμμμμμμ

μμE

D 4.单元刚度矩阵[])(e k

与平面问题相同，仍用虚功原理来建立单元刚度矩阵，其积分式为

[][][][]dV B D B k V

T e ⎰=)(

在柱面坐标系中，drdz dV π2=

将drdz dV

π2=代入[]

[][][]dV

B D B k V

T

e ⎰=)

(，则[][][][]rdrdz B D B k T e ⎰⎰=π2)(

即为轴对称问题求单元刚度矩阵的积分式。

与弹性力学平面问题的三角形单元不同，在轴对称问题中，几何矩阵[B]内有的元素（如

r

z r N i )

,(等）是坐标r 、z 的函

数，不是常量。因此，乘积[][][]B D B T 不能简单地从式

[][][][]rdrdz B D B k T e ⎰⎰=π2)(的积分号中提出。如果对该乘积逐项求

积分，将是一个繁重的工作。一般采用近似的方法：用三角形形心的坐标值代替几何矩阵[B]内的r 和z 的值。用[]B 表示在形心),(z r 处计算出的矩阵[B]。其中

3

)

(,3

)

(k j i k j i z z z z r r r r ++=

++=

只要单元尺寸不太大，经过这样处理引起的误差也不大。被积函数又成为常数，可以提出到积分号外面：

[][][][][][][]∆==⎰⎰r B D B rdrdz B D B k T

T

e ππ22)(式中∆——三角形的面积。

由式[]

[][][][][][]∆==⎰⎰r B D B rdrdz B D B k T

T

e ππ22)

(可以看出，两轴对

称的三角形单元，当形状、大小及方位完全相同而位置不同时，其刚度矩阵也不相同。距离主轴线越远的单元，其刚度越大。这与平面问题不一样。

二、等参数的刚度矩阵

对一些由曲线轮廓的复杂结构，如果采用直角边单元进行离散，由于用直线代替了曲线，除非网格划分得很细，否则不能获得较高的精度；对另一些应力随坐标急剧变化的结构，采用简单的常应力单元离散时，也必须划分成大量的微小单元，以保证足够的精度。为此引入一种高精度的单元——等参数单元。它既能简化复杂单元划分的工作，又能在满足同样精度的要求时，大大减少使用的单元数。目前流行的大程序中较常用，它成功地解决了许多二维和三维的弹性力学问题。

为导出等参数单元的刚度矩阵，首先要建立根据每个单元的形状确定的自然坐标系，然后将位移模式和形状函数都写成自然坐标的函数。

一个单元在自然坐标系内的点余元整体坐标系内的点成一一对应的关系。通过映射，可以将整体坐标系中的图形转化为自然坐标系中的相应徒刑。例如可以将整体坐标系中的一个任意四边形（实际单元）映射到自然坐标系中成为一

个正方形（基本单元）。同样也可以将任意四面体、六面体（包括直边和曲边的）分别映射成正四面体和正六面体。

这里只介绍较简单的一种平面问题的情况，将整体坐标系中的一个任意四边形映射成自然坐标系中的一个正方体，并导出单元刚度矩阵。其它种单元的映射，可依次原理进行。不再叙述。

1. 位移模式和形状函数

图4-2中的任意四边形单元上，作连接对边中点的直线，取其交点为原点，这两条直线分别为ξ和η轴，并令四条边上的ξ和η值分别为1±，建立一个新的坐标系，称之为该单元的自然坐标系。原坐标系XOY 称为整体坐标系。在整体坐标系中，自然坐标系非正交，它由任意四边形的形状所确定。

图4-19

如果将自然坐标系改画成直角坐标系，那么图4-19（a ）中的任意四边形单元就成为图4-19（b ）所示的正方形。

上述两个四边形的点（包括顶点）一一对应，即它们之间相互映射。因此，需要写出整体坐标X 、Y 和自然坐标ηξ、之间的坐标转换式，即

ξη

αηαξααξηαηαξαα87654321+++=+++=Y X *

四边形四个顶点的坐标值在XOY 坐标系中分别为

()()()()44332211,,,,,,,Y X Y X Y X Y X ：在

η

ξo 坐标系中相应为

()()()()1,1,1,1,1,1,1,1----。将有关数据代入*中的第一式，则有