弹性力学及有限元介绍
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弹性力学和有限元关系:
弹性力学也称弹性理论,主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界因素下所产生的应力、应变和位移,从而解决结构或机械设计中所提出的强度和刚度问题。
在研究对象上,弹性力学同材料力学和结构力学之间有一定的分工。
材料力学基本上只研究杆状构件;结构力学主要是在材料力学的基础上研究杆状构件所组成的结构,即所谓杆件系统;而弹性力学研究包括杆状构件在内的各种形状的弹性体。
在有限单元法中,选择节点位移作为基本未知量时称为位移法;选择节点力作为基本未知量时称为力法;取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。
位移法易于实现计算自动化,所以,在有限单元法中位移法应用范围最广。
当采用位移法时,物体或结构物离散化之后,就可把单元总的一些物理量如位移,应变和应力等由节点位移来表示。
这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。
通常,有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。
这种函数称为位移模式或位移函数。
有限元分析
的一般规律物体在空间的位置随时间的改变
对象内容
任务
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任务
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建模时充分利用重复性。
弹性力学及有限元分析1、 设试件两定点之间的长度为L 0,其截面积为F 0,加上拉力P 后,L 0 伸长了△L 。
我们把P/ F 0 称为拉伸应力(σ),△L/ L 0 称为拉伸应变(ε),于是有σ=P/ F 0 ,ε= △L/ L 0某种材料的拉伸应力和拉伸应变的比,称为该材料的杨氏模量或弹性模量(E),即 LF PL E ∆==00εσ,弹性模量E 表征了材料的物理性质。
2、 根据力学特性,固体通常分为韧性固体和脆性固体。
首先分析韧性材料,材料在受力变形过程中,明显地有四个特性点划分三各阶段。
a. 弹性阶段,这一阶段的明显特征是,当外力逐渐去掉时,变形也逐渐消失,物体能够恢复到原来的形状,物体的这种性质称为弹性,存在一个应力极限称为弹性极限。
随着外力的消失而消失的变形称为弹性变形;去掉外力后仍然保留的变形称为残余变形或永久变形。
弹性阶段另一个明显特征是,应力与应变保持线性关系。
设受力方向为x 方向,x xE εσ=,这就是简单拉伸时的虎克定律,弹性模量E 为常数,表示应力与应变成正比例。
通常把弹性极限和比例极限规定为一个值。
b. 塑性阶段,超过弹性极限后,材料开始失去弹性,进入塑性阶段,这时产生较大的永久变形,应力应变关系不再是线性的。
当曲线超过s 点(屈服极限)后,材料开始屈服,即在应力几乎不增加的情况下,应变会不断的增加,称s 点为屈服极限;当变形大到一定程度后,材料开始强化,要继续增加变形必须再增加外力,到达b 点后产生颈缩。
从弹性极限到b 的变形范围统称为塑性阶段,属于塑性力学的研究范畴。
c. 断裂阶段,试件产生颈缩后,开始失去抵抗外力的能力,最后发生断裂,相对于b点的应力称为强度极限。
脆性材料:它的拉伸曲线图没有明显的三个阶段之分,也没有明显的屈服应力点,材料亦不再满足虎克定律。
为了分析上的需要,往往以切线斜率作为弹性模量,即εσd d E =。
如果对脆性固体材料加载,应力应变曲线将沿着OA 上升,若到A 点后即行卸载,应力应变曲线并不沿着原来的途径回复到原点,而是沿着直线AB 下降,当全部载荷卸去之后,试件中尚残存一部分永久变形''ε。
总结材料力学、弹性力学、有限元三门课程解决问题的思路和步骤,指出其异同点航天航空学院1334班艾松学号:4113006012杆件在多种外力共同作用下的变形(或力),可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形(或力),然后将这些变形(或力)叠加,从而得到最终结果。
②几何非线性问题。
若杆件变形较大,就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡,而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。
这样,力和变形之间就会出现非线性关系,这类问题称为几何非线性问题。
③物理非线性问题。
在这类问题中,材料的变形和力之间(如应变和应力之间)不满足线性关系,即材料不服从胡克定律。
在几何非线性问题和物理非线性问题中,叠加原理失效。
解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂-恩盖塞定理或采用单位载荷法解。
直角坐标系下的弹性力学的基本方程为:平衡微分方程(1)几何方程(2)物理方程(3)(1)式中的σx、σy、σz、τyz=τzy、τxz=τzx、τxy=τyx为应力分量,X、Y、函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解。
采用不同的权函数和插值函数形式,便构成不同的有限元方法。
有限元方法最早应用于结构力学,后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。
在有限元方法中,把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元,在每个单元选择基函数,用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解,整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单二、变形及刚度条件 拉压:∑⎰===∆LEAxx N EAL N EANLL d )(ii 扭转:()⎰=∑==Φpp i i p GI dx x T GI L T GI TLπφ0180⋅=Φ=p GI T L弯曲:(1)积分法:)()(''x M x EIy =C x x M x EI x EIy +==⎰d )()()('θD Cx x x x M x EIy ++=⎰⎰d ]d )([)((2)叠加法:()21,P P f …=()()21P f P f ++…()21,P P θ=()()++21P P θθ…三、应力状态与强度理论 二向应力状态斜截面应力:ατασσσσσα2sin 2cos 22xy yx yx --++=ατασστα2cos 2sin 2xy yx +-=二向应力状态极值正应力及所在截面方位角:到。