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2023-10-09

从拓扑的角度看有限元

RFEM 可以用于分析各种结构构件,例如杆件单元、板、墙、壳和实体。 在进行计算之前,需要生成一维、二维和三维单元的有限元网格。

在有限元分析中,将结构系统分解为较小的子系统, 对每一个单元都建立平衡条件。 得到包含大量未知变量的线性方程组。 有限元网格尺寸的细化程度直接影响结果的精度。 需要注意的是,网格越精细,精度越高,但是由于要处理的数据量越大,计算时间也就越长。 这是因为对于每个附加的有限元节点节点还需要求解额外的方程。

软件会自动生成有限元网格, 用户可以使用 软件来控制网格的生成过程。

1D 单元(一维单元)

假设杆件的截面在变形过程中保持其平面形状, 一维杆件单元用于梁、桁架、肋、索和刚性连接。 每个一维杆件单元共有 12 个自由度,始端 6 个,末端 6 个。 这些自由度与位移(ux 、uy 、uz )和转角(φx 、φy 、φz )有关。

结构中的拉力、压力和扭矩独立于杆件的局部坐标轴(x),不受弯矩和剪力的影响。 对此使用沿 x 方向的三次多项式来近似计算,其中也考虑了由剪力 Vy和 Vz产生的剪应力的影响。 一维单元的线性刚度矩阵 KL (12, 12)。 此外,对于几何非线性问题,其中轴力与弯矩共同作用,还需使用刚度矩阵 KNL (12, 12)。

为了在显着变形情况下进行精确的计算,建议对线进行有限元网格划分的精度, documents/online-manuals/rfem-6/000048 线网格细化]。

2D 单元(二维单元)

通常,四边形单元作为二维组成部分进行结构分析。 网格生成过程中会在需要的地方引入三角形单元。 四边形和三角形单元的角节点与一维单元的角节点相关,包括位移(ux 、uy 、uz )和旋转(φx 、φy 、φz )。 这样可以确保节点处的一维和二维单元兼容。 首先在单元的局部平面坐标系中定义参数,然后在创建全局刚度矩阵时转换到全局坐标系中。

平面壳单元基于 Mindlin/Reissner 理论。 图中的图形表示是单元逼近。 为了与杆件单元直接链接,在壳体平面内 (ux, uy ) 平方近似。 这种选择消除了中间节点,得到了具有附加自由度的四节点单元。 这种配置便于墙单元和梁单元之间的直接耦合。 此外,采用了DvorkinBathe引入的MITC4单元(屋面分量的混合插值)。 该模型使用了横向变形、截面旋转和横向剪切应变的混合插值法。

目前程序中对杆件单元建模均采用直接求解二阶分析的微分方程 。 默认为 Saint Venant 扭转类型考虑翘曲效应。 膜结构的力学分析是基于 Bergen 原理。 例如,三角形单元可以通过将基本函数分解为三个刚体变形、三个恒定应变条件以及三个特定的应力和应变线性梯度来定义。 在一个单元中,变形场显示二次曲线,而应力场保持线性。 单元的刚度矩阵 KL被转换成九个参数组合,类型是 ux, uy, φz 。 这些矩阵分量与参与弯曲和剪切作用的矩阵一起包含在总刚度矩阵中 (18, 18),从而产生了 Lynn/Dhillon 刚度矩阵。

然后使用 Mindlin 板方法,其中根据 Timoshenko' 原理对具有明显剪切变形的板件进行分析。 这样 RFEM 可以正确解决涉及厚板和薄板(纳维板)的问题。 对于几何非线性问题,将应力应变条件分解为平面、剪切与弯曲是不可行的。 矩阵 KNL考虑这些状态之间的相互作用。 RFEM 受 Zienkiewicz' 方法的影响,在有限元矩阵 KNL的基础上使用了一个更加简化的计算模型。 使用格林/拉格朗日应变张量 ε = ε1+ ε 2平方分量。 uz (x,y ) 这种假设是正确的,因为相互作用的主要影响取决于微分方程的一阶导数,并且随着单元划分越小,高阶分量的影响会迅速减少。 大量的数值分析验证了该方法的正确性。

当处理壳单元时,单元的厚度必须远小于其延伸。 如果不满足此条件,则建议将对象作为实体建模。 此外,在使用壳单元时,应逐步引入扭矩,因为绕面法线的转动自由度非常敏感。

3D 单元(三维单元)

在 RFEM 中应用以下三维单元: 四面体、五面体和六面体。 有关应用单元和矩阵的详细信息,请参见 Sevčík 3D 有限元与转动自由度(捷克语,Dlubal Software 提供)。

在三维单元中,旋转自由度非常关键。 由于实体的变形仅由位移向量确定,因此网格节点的旋转不会影响实体内的变形。


参考
  1. 爱德华多·N. Dvorkin 和 Klaus-Jürgen Bathe。 一种基于连续介质力学的四节点壳单元非线性分析方法 工程计算,1,1984。
  2. I. Sevčík。 I. Finite Elements with Rotational Degrees of Freedom. I.M Consulting s.r.o, Brno.
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