有限元分析与程序设计第一讲4

有限元分析与程序设计主讲教师：伍开松Email:[e-mail]:13981968856机电工程学院第一章弹性力学简介1-1材料力学与弹性力学1-2应力的概念1-3位移及应变，几何方程，刚体位移1-4应力应变关系，物理方程1-5虚功原理及虚功方程1-6两种平面问题工程中的力学问题提出①结构组成（几何模型）②材料特性③位移约束④载荷施加（驱动力和工作阻力）⑤工作环境固体力学简介理论力学？？？固体力学简介MaFJmxMaXyMaYzMaZyyJmyxxJmxzJmzz固体力学简介材料力学？弹性力学？弹塑性力学？固体力学简介弹性力学—区别与联系—材料力学1、研究的内容：基本上没有什么区别。它们都是研究弹性体在外力作用下的平衡和运动，以及由此产生的应力和变形。2、研究的对象：有相同也有区别。材料力学基本上只研究杆、梁、柱、轴等杆状构件，即长度远大于宽度和厚度的构件。弹性力学虽然也研究杆状构件，但还研究材料力学无法研究的板、壳及其它三维实体结构。即两个尺寸远大于第三个尺寸，或三个尺寸相当的构件。1-1弹性力学与材料力学弹性力学—区别与联系—材料力学3、研究的方法：有较大的区别。虽然都从力平衡、变形协调、物理学和边界条件四方面进行研究，但是在建立这四方面条件时，采用的分析方法不同。材料力学是对构件的整个截面来建立这些条件的，因而要常常引用一些截面的变形状况或应力分布假设。这样虽然大大简化了数学推演，但是得出的结果往往是近似的，而不是精确的。而弹性力学是对构件的无限小单元体来建立这些条件的，因而无须引用那些假设，分析的方法比较严密，得出的结论也比较精确。所以，可以用弹性力学的解答来估计材料力学解答的精确程度，并确定它们的适用范围。材料力学—区别与联系—弹性力学xqyxs图1-1axqyxs0图1-1b材料力学—区别与联系—弹性力学图1-3a图1-3b弹性力学—区别与联系—材料力学总之，弹性力学与材料力学既有联系又有区别。它们都同属于固体变形力学范畴，但弹性力学比材料力学，研究的对象更普遍，分析的方法更严密，研究的结果更精确，因而应用的范围更广泛。但是，弹性力学也有其固有的弱点。由于研究对象的变形状态较复杂，处理的方法又较严谨，因而解算问题时，往往需要冗长的数学运算。但为了简化计算，便于数学处理，它仍然保留了材料力学中关于材料性质的假定：弹性力学中关于材料性质的假定(1)物体是连续的，亦即物体整个体积内部被组成这种物体的介质填满，不留任何空隙。这样，物体内的一些物理量，如应力、应变、位移等等才可以用坐标的连续函数来表示。(2)物体是完全弹性的，亦即当使物体产生变形的外力被除去以后，物体能够完全恢复原形，而不留任何残余变形。这样，当温度不变时，物体在任一瞬时的形状完全决定于它在这一瞬时所受的外力，与它过去的受力情况无关。(3)物体是均匀的，也就是说整个物体是由同一种材料组成的。这样，整个物体的所有各部分才具有相同的物理性质，因而物体的弹性常数(弹性模量和泊松比)才不随位置坐标而变化。弹性力学中关于材料性质的假定(4)物体是各向同性的，也就是说物体内每一点各个不同方向的物理性质和机械性质都是相同的。(5)物体的变形是微小的，亦即当物体受力以后，整个物体所有各点的位移都远小于物体的原有尺寸，因而应变和转角都远小于1，这样，在考虑物体变形以后的平衡状态时，可以用变形前的尺寸来代替变形后的尺寸，而不致有显著的误差；并且，在考虑物体的变形时，应变和转角的平方项或乘积项都可以略去不计，这就使得弹性力学中的微分方程都成为线性方程。1-2应力的概念作用于弹性体的外力(或称荷载)可能有两种：表面力，是分布于物体表面的力，如静水压力，一物体与另一物体之间的接触压力等。单位面积上的表面力通常分解为平行于坐标轴的三个成分，用记号来表示。体力，是分布于物体体积内的外力，如重力、磁力、惯性力等。单位体积内的体力亦可分解为三个成分，用记号X、Y、Z表示。弹性体受外力以后，其内部将产生应力。、、1-2应力的概念弹性体内微小的平行六面体PABC，称为微元体或体素PA=dx,PB=dy,PC=dz正应力s剪应力每一个面上的应力分解为一个正应力和两个剪应力，分别与三个坐标轴平行图1-4加上两个角码，前一个角码表明作用面垂直于哪一个坐标轴，后一个角码表明作用方向沿着哪一个坐标轴。例如，剪应力是作用在垂直于X轴的面上而沿着Y轴方向作用。1-2应力的概念为了表明这个正应力的作用面和作用方向，加上一个角码，例如，正应力是作用在垂直于X轴的面上同时也沿着X轴方向作用。xs正应力sxy剪应力1-2应力的概念应力正负的约定如果某一个面上的外法线是沿着坐标轴的正方向，这个面上的应力就以沿坐标轴正方向为正，沿坐标轴负方向为负。相反，如果某一个面上的外法线是沿着坐标轴的负方向，这个面上的应力就以沿坐标轴的负方向为正，沿坐标轴正方向为负。1-2应力的概念剪应力互等定律作用在两个互相垂直的面上并且垂直于该两面交线的剪应力是互等的。(大小相等，正负号也相同)。因此剪应力记号的两个角码可以对调。由力矩平衡得出02222dZdXdydydXdZzyyz简化得zyyz1)-(1xzzxzyyzyxxy，，剪应力互等应力分量可以证明：如果这六个量在P点是已知的，就可以求得经过该点的任何面上的正应力和剪应力，因此，这六个量可以完全确定该点的应力状态，它们就称为在该点的应力分量。一般说来，弹性体内各点的应力状态都不相同，因此，描述弹性体内应力状态的上述六个应力分量并不是常量，而是坐标x、y、z的函数。六个应力分量的总体，可以用一个列矩阵来表示：zxyzxyzyxsss、、、、、s2)-(1Tzxyzxyzyxzxyzxyzyxsssssss1-3位移及应变、几何方程、刚体位移弹性体在受外力以后，还将发生变形。物体的变形状态，一般有两种方式来描述：1、给出各点的位移；2、给出各体素的变形。弹性体内任一点的位移，可以用x、y、z三个坐标轴上的投影u、v、w来表示。沿坐标轴正方向为正，沿坐标轴负方向为负。这三个投影称为位移分量。一般情况下，弹性体受力以后，各点的位移并不是定值，而是坐标的函数。应变体素的变形可以分为两类：一类是长度的变化，一类是角度的变化。任一线素长度的变化量与原有长度的比值称为线应变(或称正应变)，用符号来表示。沿坐标轴的线应变，则加上相应的角码，分别用来表示。当线素伸长时，其线应变为正。反之，线素缩短时，其线应变为负。这与正应力的正负号规定相对应。任意两个原来彼此正交的线素，在变形后其夹角的变化值称为角应变或剪应变，用符号来表示。两坐标轴之间的角应变，则加上相应的角码，分别用来表示。规定当夹角变小时为正，变大时为负，与剪应力的正负号规定相对应(正的引起正的，等等)。zyx、、zxyzxy、、xyxyvudxdyABCDdxxuu?+dxxvv+dyyuu??+dyyvv??+'A'B'C'DDBbaxy0图1-5应变分量与位移分量的关系A点在X方向的位移分量为u；B点在X方向的位移：ABCD---A’B’C’D’求线素AB、AD的正应变，用位移分量来表示：yx、dxxuuuu++线素AB的正应变为：xudxudxxuux+)(同理，AD的正应变为：yvdyvdyyvvy+)(vudxdyABCDdxxuu+dxxvv+dyyuu??+dyyvv?+'A'B'C'DDBbaxy0图1-5应变分量与位移分量的关系X向线素AB的转角Y向线素AD的转角求剪应变，也就是线素AB与AD之间的直角的改变线素AB的转角为：xyabA点在Y方向的位移分量为v；B点在Y方向的位移分量：dxxvv+BABBtgaaxuxvdxxudxvdxxvv+++1)(vudxdyABCDdxxuu+dxxvv+dyyuu??+dyyvv?+'A'B'C'DDBbaxy0图1-5应变分量与位移分量的关系X向线素AB的转角Y向线素AD的转角求剪应变，也就是线素AB与AD之间的直角的改变同理，Y向线素AD的转角xyab由于变形是微小的，所以上式可将比单位值小得多的略去，得xuxvayub因此，剪应变为：yuxvxy++ba应变分量与位移分量的关系以上是考察了体素在XOY一个平面内的变形情况，yuxvxy++baxuxyvy同样方法来考察体素在XOZ和YOZ平面内的变形情况，可得：zuxwywzvzwzxyzz++，，联立得到几何方程，表明应变分量与位移分量之间的关系。1)-3-(1+++zuxwywzvxvyuzwyvxuzxyzxyzyx，，，，应变分量矩阵可以证明，如果弹性体内任一点，已知这三个垂直方向的正应变及其相应的三个剪应变，则该点任意方向的正应变和任意二垂直线间的剪应变均可求出，当然也可求出它的最大和最小正应变。因此，这六个量可以完全确定该点的应变分量，它们就称为该点的应变分量。六个应变分量的总体，可以用一个列矩阵来表示：2)-3-(1Tzxyzxyzyxzxyzxyzyx刚体位移由几何方程(1-3)可见，当弹性体的位移分量完全确定时，应变分量是完全确定的。反过来，当应变分量完全确定时，位移分量却不完全确定；这是因为，具有确定形状的物体，可能发生不同的刚体位移。为了说明这一点，试在(1-3)中命：有：积分后，得式中的是积分常数0zxyzxyzyx000000+++yuxwxwzvzvyuzwyvxu，，，，，4)-(1000+++xywwzxvvyzuuyxxzzy、、、、、、zyxwvu000积分常数的几何意义rxyozxyPxzyzaq图1-64)-(1000+++xywwzxvvyzuuyxxzzy代表弹性体沿x方向的刚体移动。及分别代表弹性体沿y方向及Z方向的刚体移动。0u0v0w代表弹性体绕Z轴的刚体转动。同样，及分别代表弹性体绕x轴及y轴的刚体位移。zxy为了完全确定弹性体的位移，必须有六个适当的约束条件来确定这六个刚体位移。zyxwvu、、、、、0001-4应力应变关系，物理方程当沿X轴方向的两个对面受有均匀分布正应力时，在满足先前假定的材料性质条件下，正应力不会引起角度的任何改变，而其在X方向的单位伸长则可以用下列方程表示式中E为弹性模量。弹性体在X方向的伸长还伴随有侧向收缩，即在y和Z方向的单位缩短可表示为：式中为泊松比。方程(1-5)和(1-6)既可用于简单拉伸，也可用于简单压缩，且在弹性极限之内，两种情况下的弹性模量和泊松比相同。zyx0xsxsysyszszs图1-7应力分量与应变分量之间的关系----虎克定律5)-(1Exxs6)-(1EExzxyss，1-4应力应变关系，物理方程设图中的弹性体在各面上都受有均匀分布的正应力，则合成应变的分量可用(1-5)和(1-6)式求得。实验证明，只须将三个应力中的每一应力所引起的应变分量叠加，就得到合成应变的分量。单位伸长与应力之间的关系完全由两个物理常数E及所确定。两个常数也可用来确定剪应力与剪应变之间的关系。zyx0xsxsysyszszs图1-77)-(1)(1)(1)(1+++yxzzzxyyzyxxEEEsssssssss1-4应力应变关系，物理方程如果弹性体的各面有