平面应力的有限元分析

简介：
《平面应力的有限元分析》是一本专注于工程结构中二维问题数值模拟的技术书籍。它详细介绍了如何应用有限元方法解决平面应力状态下的力学行为和变形等问题，为工程师们提供了一个强大的工具来预测材料性能、优化设计以及确保结构的安全性和稳定性。 ### 有限元平面应力分析详解 #### 一、概述 有限元方法是一种广泛应用于工程问题数值求解的技术，在解决复杂结构力学问题方面特别有效。其中的一个重要应用场景是处理平面应力问题，尤其是在材料厚度远小于其平面尺寸的情况下。本案例研究一个具有小圆孔的平板在外力作用下产生的应力分布，并探讨不同网格密度对结果的影响。 #### 二、问题背景 假设有一块平板，几何参数为：板中心有一个半径为0.2a的小圆孔；P=1000N的作用力；a=0.5m；板厚t=0.01cm。材料属性包括弹性模量E=7e6 N/cm²。任务是采用平面应力板单元建模，计算圆孔周围四点A、B、C、D处的应力分量，并讨论网格疏密对结果的影响。 #### 三、理论基础 1. **平面应力假设**：对于薄板，在厚度方向上的应力可以忽略不计时，问题简化为二维。此时只有平面内的正应变和剪切应变存在。 2. **单元选择**：为了准确捕捉孔洞周围的高应力区域，通常使用三角形或四边形单元进行模拟。本例中选择了常应变三角形单元（CST）。 3. **材料属性**：采用线性弹性模型定义材料的弹性模量E和泊松比μ。 #### 四、结构离散化与网格划分 1. **网格划分**：为了提高计算精度，孔附近的网格需要适当加密。此步骤对结果准确性至关重要。 2. **节点坐标与编号**：通过文件导入方式输入节点坐标和编号至程序中。这些数据用于构造单元，并确定各节点的位置及其相互连接关系。 #### 五、编程实现 使用C++语言进行有限元分析的主要步骤包括： 1. **常应变三角形单元刚度矩阵计算**： 此部分代码负责每个三角形的刚度矩阵，根据节点坐标和材料属性来构建。关键在于几何参数与材料性质之间的相互作用。 ```cpp void Estif3(int mm, double ek3[6][6]) { // 计算几何参数和材料属性 double x[3], y[3], ts, w, bi, bj, bm, ci, cj, cm; double e3 = 7e10; double t3 = 0.01; double mu3 = 0.3; // 计算面积和形状函数导数 ts = fabs((x[1]*y[2] + x[0]*y[1] + x[2]*y[0] - x[1]*y[0] - x[0]*y[2] - x[2]*y[1]) / 2.0); w = (1.0 - mu3) * 2.0; // 构建刚度矩阵 ek3[0][0] = bi*bi + ci*ci*w; ... 其他元素的计算省略 ... } ``` 2. **单元应力矩阵计算**： 此部分代码负责每个三角形单元的应力分布，同样基于节点坐标和材料属性。 ```cpp void Smat3(int ie, double se[3][6]) { // 计算几何参数和材料属性 double x[3], y[3], ts, w, bi, bj, bm, ci, cj, cm; double e3 = 7e10; double t3 = 0.01; double mu3 = 0.3; // 计算面积和形状函数导数 ts = fabs((x[1]*y[2] + x[0]*y[1] + x[2]*y[0] - x[1]*y[0] - x[0]*y[2] - x[2]*y[1]) / 2.0); w = (1.0 - mu3) * 2.0; // 构建应力矩阵 se[0][0] = bi; ... 其他元素的计算省略 ... } ``` #### 六、结果分析 1. **计算结果**：通过求解整体刚度方程组得到节点位移，进而确定各单元的应力分布。 2. **网格敏感性分析**：比较不同网格密度下的计算结果，评估细化对精度的影响。 #### 七、结论 通过对平面应力问题的研究，我们不仅能够深入了解有限元方法的基本原理和技术实现细节，并能掌握如何有效利用该技术解决实际工程中的复杂力学问题。此外，通过对比