(优选)有限元等参数单元ppt讲解

3 7
4 8
, f ,
将
u1
v1
e
1 2 3
e e e
uuv232
4 e
v3
u4
v4
和节点坐标 1,1,1,1,1,1,1,1 带入位移插值
函数表达式，可得
e A
其中
1 2 3 4 5 6 7 8 T
解上面的方程
A1 e
从而
, f ,A1 e N , e
第1~3步：形成插值函数； 第4~6步：求出单元刚度矩阵，并集成求解； 第7步：用已知节点位移计算应力。
对于等参元，已经得到四边形四节点的等参数单 元的形状函数。下面主要讨论单元刚度矩阵的 形成，即上述中的4~6步。
一 等参数单元刚度矩阵 第4步：单元应变—单元位移—节点位移的关系 由平面问题几何方程和位移插值函数，有
关于（1）因为 Ni i ,i 1, Ni j , j 0,i j ，
所以相邻单元的公共节点位置重合；
关于（2）：局部坐标系下的矩形单元边界上的 或 保持常数，转换到总体坐标系下后，
边界为线性函数，该线性函数可以由边界上的两 个节点坐标完全确定。因此，保证了相邻单元 的公共边界既不开裂，也不重叠。
上式只含有两个未知参数，由边界上的两个节点 的位移值唯一确定。
可见矩形单元的特点：
（1） 矩形单元满足相容性条件。
（2）含有一次项和常数项，故也满足收敛性条 件。
（3）单元插值函数含有交叉项xy，比三节点三 角形单元的阶次要高。
如果通过坐标变换，将任意四边形单元变换成矩 形单元，只要在坐标变换中，任意四边形单元 与矩形单元之间的点是一一对应的（称为坐标 变换的几何相容性），而变换后的位移插值函 数又满足解的收敛性条件，这两条合在一起， 就能保证任意四边形在原坐标系中满足解的收 敛性条件。
这种情况该怎样处理？
我们知道，矩形单元满足相容性条件。 以图示为例。它有四个节点，各条边与总体坐标
轴平行。单元内任意一点的位移插值函数可以 包含四个待定系数
u 1 2 x 3 y 4 xy
y
x
在矩形单元的任意一条边上，把该边的方程
YA
或
X B
带入上式，总可以得到
u CX D
或
u EY F
证在边界连续。
4
（2） Ni , 1 保证单元包含刚体位移。 i 1
这两条性质，保证了解的收敛性。
下面讨论坐标变换。
可以证明：视整体坐标系下的四节点四边形单元 的节点坐标值为“位移值”，采用与矩形单元 内任意一点的插值函数完全相同的插值方式， 就可以满足坐标变换的相容性（几何相容性）， 即
x
4
N
4
,
1 4
1
1
写成统一的形式
Ni
,
1 4
1
i
1 i , i
1,2,3,4
其中i ,i 为：1,1 1,1,2 ,2 1,1 3,3 1,1,4 ,4 1,1
形函数的性质：
（1） Ni i ,i 1, Ni j , j 0,i j
保证位
移在节点连续。又因为是双线性单元，故也保
1,1
1,1
4
3
1 1,1
2 1,1
为此，首先讨论局部坐标系下的位移插值函数、 形状函数和收敛性条件，然后再讨论具体的坐 标变换。
根据前述，矩形单元四个节点的位移值，就是原 四节点四边形单元的节点处的位移值。因此， 局部坐标系下的矩形单元内任意一点的位移可 以表示为
或者
u v
1 5
2 6
对于矩形单元中的点也可同样证明（提示：用通 过矩形单元中任意点的水平或垂直的直线在总 体坐标系和局部坐标系中的对应关系来证明）。
我们看到：矩形单元的插值函数对于场变量和坐 标变换完全一样，故称之为的等参数单元。如 果两者不一样，就称为超参元或亚参元。在此 不予介绍。
5-3 等参数单元平面问题的有限元格式 前述有限元求解的七个步骤中
y
4 i 1
Ni , ui
x
4 i 1
N
i
,
vi
N1 x
u1
N 2 x
u2
即：使四节点四边形单元满足解的收敛性的途径 是
（1）将四边形通过坐标变换，转化为矩形单元； （几何相容）
（2）以四边形节点位移值作为矩形单元的节点 位移值。（收敛性要求）
以上两条结合，即可保证四节点四边形单元的几 何相容性和有限元解的连续性。
在建立四边形和矩形单元的坐标变换关系时应注 意：四边形单元定义在总体坐标系中，而矩形 单元定义在局部坐标系中。坐标系的变换是一 个四边形单元到一个矩形单元的变换。矩形单 元的局部坐标系，仅仅适用于每个要变换的单 元。
x,
y
x y
xy
u
x v
y
u y
v x
y
4 i 1
x
4 i 1
Ni , ui
y
4 i 1
Ni , vi
Ni , ui
x
4 i 1
N
i
,
vi
x
4 i 1
Ni , ui
y
4 i 1
Ni , vi
其中
N
,
N1 0
0 N1
N2 0
0 N2
N3 0
0 N3
N4 0
0
N
4
e u1 v1 u2 v2 u3 v3 u4 v4 T
或 其中
u
4
i 1 4
Ni ,ui
v
i 1
Ni ,vi
N1
N 2
N
3
, , ,
1
4 1
4 1
4
1 1 1
1 1 1
（优选）有限元等参数单元ppt 讲解
5-2 四节点四边形等参数单元
四节点四边形单元的位移插值函数可以写成（以 x方向的位移插值函数为例）
u 1 2 x 3 y 4 xy
对于边界来讲，将
Y AX B
带入上式，经简化可得
u DX 2 EX F
上式中有三个待定系数，由所在单元的节点场变 量值确定，但是不能由这个单元的这条边界的 两个节点的场变量值唯一确定，因此相邻两单 元在同一边界上的位移表达式并不一致，使相 容性条件不能得到满足。
i 1 4
Ni
现证明如下：
从四边形到矩形的坐标变换是点点对应，并能保 证相邻单元的几何相容（前面的位移插值可以 看成是位移相容）。所谓几何相容，即是指总 体坐标系下的两四边形单元在转换到局部坐标 系下的矩形单元后：（1）相邻单元的公共节点 位置重合；（2）相邻单元的公共边界不开裂， 不重叠，反之亦然。