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离散轴对称体时,采用的单元实际上是一些圆环,称为轴对称实体元。对轴对称实体模型和轴对称单元的描述只要在r,z坐标平面内进行,但单元上所有载荷都沿圆周方向分布,计算应变能和等效节点力时积分的区域是圆环体或圆环形线、面。 用3节点三角形模拟轴对称问题的原理如图3-4所示。 图3-4 轴对称问题的有限元 采用3节点三角形单元求解弹性力学轴对称问题的要点如下: (1)位移模式及形函数同平面问题的三角形单元。 (2)应变有4个分量,3个面内应变为常量,环向应变不是常应变, 而是与单元中各点的位置有关。 其中 弹性矩阵D见P28 表1.2。 (3)单元应力用应变代入弹性力学轴对称物理方程得到: 轴对称应力分量如图。 轴对称问题有4个应力分量。对3节点三角形单元,剪应力为常量,其它3个正应力分量均随位置变化。 每个应力矩阵分块为: (4) 单元刚度矩阵计算公式: (5)单元等效节点力计算须在整个环形线、面、体上积分;轴对称问题中作为载荷的集中力为环向线分布集中力;等效节点力是二维图形上与节点位移相对应的集中力。 常见载荷的等效节点力计算参见P77。 等效节点力计算公式: (6)在该轴对称单元的刚度矩阵和等效节点力的积分计算中,被积函数往往存在1/r因子。因此为简化计算和消除对称轴上r=0时引起的奇异性问题,通常作如下近似处理: 把被积函数中的坐标变量r,z用单元形心处的坐标来代替。作这样近似后,该单元的应变矩阵和应力矩阵都成了常量阵,按公式很容易得到刚度矩阵的显式。实际计算表明,作这样的近似处理后计算精度足够满意。 三、 弹性力学有限元法基本原理(二) 事实上,有限元位移法中,在一个单元内用完全多项式逼近实际位移场,当单元尺寸趋于零时,如果整体位移试探函数还满足连续性要求,那么在满足最小势能原理的情况下,整个系统的势能泛函将趋于它的精确值——最小值。在每一单元内位移及其导数将趋于它的精确值(常数),有限元解就趋于精确解,即解是收敛的。 根据以上分析,对弹性力学有限元法,为了使有限元解收敛,单元(一维杆,二、三维实体元)的构造必须满足下列要求: 每个单元的位移模式必须包含完全一次多项式。 位移模式在单元边界之间连续(C0连续)。 单元网格在边界上受到均匀载荷,单元上的有限元解应该具有一致的均匀值。 上述要求可以概括为两个收敛准则: 准则1 :完备性要求 对弹性力学问题,单元位移模式必须包含一次完全多项式。 满足上述要求的单元称为完备单元。 除了完备性,位移模式还有连续性的要求。采用多项式作为位移函数,单元内部的连续性自然得到满足,因此,要求位移在相邻单元边界上满足连续性,这导致另一个收敛准则。 准则2 :协调性要求 对弹性力学问题,位移试探函数在单元交界面上必须具有C0连续性(函数值连续)。 满足上述要求的单元称为协调元。 理论上可以证明,同时满足完备性和协调性的单元一定收敛。但协调性不是收敛的必要条件,某些具有非协调位移模式的单元只要满足一定条件也是收敛的。 2、对收敛性和收敛准则的理解 根据前面分析,对于有限元位移法,有两个途径得到不断逼近精确解的有限元解序列:第一,网格不变,不断增加位移模式多项式的阶数;第二,单元位移模式不变,不断增加单元数,即单元尺寸趋于零。通常所指有限元解的收敛性是第二种情况。 关于有限元解的收敛性和收敛准则,数学家已经给出严格的证明。下面以弹性力学问题为例从物理概念上进行理解。 准则1中的完备性要求,就是要求单元位移模式具有描述单元刚体位移和常应变的能力。 如果位移模式没有包含完全一次多项式,单元就不可能出现刚体位移和常应变位移状态。对于正常的有限元解,一个单元内部位移场是在相邻的其它单元位移——刚体位移基础上,迭加本单元弹性变形产生的位移场组成。同时一个单元内的应变场是由当地的某个“基本常应变”值迭加本单元内部应变的变化组成。 当单元尺寸趋于零时,单元中的位移和应变应该就是结构中该点上的刚体位移和基本常应变。因此,只有满足准则1才能使有限元解具有上述特性,收敛到真正解。 准则2的协调性要求是连续体力学问题的必然要求。它是最小势能原理和里兹法的前提条件。有限元法作为里兹法的特殊形式必然要满足这个要求。有限元的协调性要求在整个弹性体区域上的体现就是试探位移场必须满足的连续性条件。事实上,如果单元尺寸趋于零时,单元交界面上位移不连续,则有限元模型模拟的就不可能是原来的连续结构,获得的有限元解就不可能收敛到问题的真正解。 在有限元法中,一般在粗网格下单元要满足协调性要求。如果某单元在粗网格下不满足协调性,但随着单元尺寸减小,不协
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