弹性力学与有限元完整演示文稿

弹性力学与有限元完整版演示文稿目前一页\总数一百六十一页\编于二十一点优选弹性力学与有限元完整版目前二页\总数一百六十一页\编于二十一点第一篇弹性力学第一章弹性力学基本方程1.1绪论1.2弹性力学的基本假定1.3几个基本概念1.4弹性力学基本方程第二章弹性力学平面问题2.1平面应力问题2.2平面应变问题2.3平面问题的基本方程第三章弹性力学问题求解方法简述

目前三页\总数一百六十一页\编于二十一点第一章弹性力学基本方程1.1绪论1.2弹性力学的基本假定1.3几个基本概念1.4弹性力学基本方程目前四页\总数一百六十一页\编于二十一点应力应变位移弹性体外界作用弹性力学基本内容外力温度变化目前五页\总数一百六十一页\编于二十一点弹性力学，又称弹性理论。是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变，物体内部所产生的位移、变形和应力分布等。为解决工程结构的强度，刚度和稳定性问题作准备。弹性力学的研究对象：是完全弹性体，包括构件、板和三维弹性体，比材料力学和结构力学的研究范围更为广泛。研究的内容：外力作用下应力、应变、位移1.1弹性力学绪论目前六页\总数一百六十一页\编于二十一点物体变形——弹性变形、塑性变形弹性变形：当外力撤去以后恢复到原始状态，没有变形残留，材料的应力和应变之间具有一一对应的关系。与时间无关，也与变形历史无关。塑性变形：当外力撤去以后尚残留部分变形量，不能恢复到原始状态，——即存在永久变形。应力和应变之间的关系不再一一对应，与时间、与加载历程有关。目前七页\总数一百六十一页\编于二十一点弹性：假定“完全弹性”关系，是抽象出来的理想模型。完全弹性是指在一定温度条件下，材料的应力和应变之间具有一一对应的关系。应力—应变关系称为本构关系。材料模型包括：线性弹性体非线性弹性体目前八页\总数一百六十一页\编于二十一点1.2弹性力学的基本假定连续性假设根据这一假设，物体的所有物理量，例如位移、应变和应力等均成为物体所占空间的连续函数。均匀性假设

假设弹性物体是由同一类型的均匀材料组成的，物体各个部分的物理性质都是相同的，不随坐标位置的变化而改变。在处理问题时，可以取出物体的任意一个小部分讨论。。目前九页\总数一百六十一页\编于二十一点

3.各向同性假设

假定物体在各个不同的方向上具有相同的物理性质，物体的弹性常数不随坐标方向变化。

像木材、竹子以及纤维增强材料等，属于各向异性材料，它们是复合材料力学研究的对象。

4.完全弹性假设

应力和应变之间存在一一对应关系，与时间及变形历史无关。满足胡克定理。5.小变形假设

在弹性体的平衡等问题讨论时，不考虑因变形所引起的几何尺寸变化，使用物体变形前的几何尺寸来替代变形后的尺寸。采用这一假设，在基本方程中，略去位移、应变和应力分量的高阶小量，使基本方程成为线性的偏微分方程组。目前十页\总数一百六十一页\编于二十一点1.3几个基本概念外力一点的应力状态一点的形变位移分量目前十一页\总数一百六十一页\编于二十一点作用于物体的外力可以分为3种类型：体力、面力、集中力。体力——就是分布在物体整个体积内部各个质点上的力，又称为质量力。例如物体的重力，惯性力，电磁力等等。面力——是分布在物体表面上的力，例如风力，静水压力，物体之间的接触力等。集中力——作用物体一点上的力。（在弹性力学中一般不用，而在有限元中经常出现）1外力目前十二页\总数一百六十一页\编于二十一点①体力物体任意一点P所受体力的大小和方向，在P点区域取一微小体积元素△V，设△V的体力合力为△F，则△V的平均体力为当△V

趋近于0，则为P点的体力目前十三页\总数一百六十一页\编于二十一点

体力是矢量：一般情况下，物体每个点体力的大小和方向不同。体力分量：将体力沿三个坐标轴xyz分解，用X、Y、Z表示，称为体力分量。符号规定：与坐标轴方向一致为正，反之为负。

应该注意的是：在弹性力学中，体力是指单位体积的力。体力的因次：[力]/[长度]^3表示：F={XYZ}目前十四页\总数一百六十一页\编于二十一点②面力与体力相似，在物体表面上任意一点P所受面力的大小和方向，在P点区域取微小面积元素△S

，当△S

趋近于0，则为P点的面力面力分量符号规定：与坐标轴方向一致为正，反之为负。面力的因次：[力]/[长度]^2目前十五页\总数一百六十一页\编于二十一点③集中力

体力与面力都是分布力，集中力则只是作用在一个点上，作用区域△V或△S很小，但数值很大，这种形式的力可以认为是集中力。集中力分量：集中力直接将其沿三个坐标轴分解，用X0、Y0、Z0表示，即集中力力分量。符号规定：与坐标轴方向一致为正，反之为负。

体力的因次：[力]目前十六页\总数一百六十一页\编于二十一点2一点的应力状态目前十七页\总数一百六十一页\编于二十一点①应力表示方法材料力学中接触过斜截面上的应力，斜截面上应力可以分成正应力、剪应力；复杂物体任意截面上的应力可分为

1个与平面垂直的正应力、2个平面内剪应力。目前十八页\总数一百六十一页\编于二十一点X面Y面Z面正应力分量3个：剪应力分量6个：目前十九页\总数一百六十一页\编于二十一点正面负面X面Y面Z面②应力符号意义剪应力：正应力：由法线方向确定作用面

作用方向

符号规定：

正面上与坐标轴正向一致，为正；负面上与坐标轴负向一致，为正。目前二十页\总数一百六十一页\编于二十一点③剪应力互等定理剪应力不再区分哪个是作用面或作用方向。应力分量：相等目前二十一页\总数一百六十一页\编于二十一点3一点应变分量①微分单元体的变形：微分单元体棱边的伸长和缩短；正应变棱边之间夹角的变化；剪应变

正应变分量3个：剪应变分量3个：目前二十二页\总数一百六十一页\编于二十一点②应变的定义（自学）设平行六面体单元，3个轴棱边：变形前为MA，MB，MC；变形后变为M'A'，M'B'，M'C'。目前二十三页\总数一百六十一页\编于二十一点③正应变（小变形）（自学）符号规定：

正应变以伸长为正。目前二十四页\总数一百六十一页\编于二十一点④剪应变（自学）符号规定：

正应变以伸长为正；剪应变以角度变小为正。目前二十五页\总数一百六十一页\编于二十一点4位移分量位移：由于载荷作用或者温度变化等外界因素等影响，物体内各点在空间的位置将发生变化，位置移动即产生位移。位移——刚体位移、变形刚体位移——物体内部各个点仍然保持初始状态的相对位置不变，由于物体整体在空间做刚体运动引起的位置改变。变形——物体整体位置不变，弹性体在外力作用下发生形状的变化，而改变了物体内部各个点的相对位置，引起位移。后者与弹性体的应力有着直接的关系——弹性力学研究的主要变形，通常叫位移。目前二十六页\总数一百六十一页\编于二十一点u=x'（x，y，z）-x=u（x，y，z）

v=y'（x，y，z）-y=v（x，y，z）

w=z'（x，y，z）-z=w（x，y，z）根据连续性假设，弹性体在变形前和变形后仍保持为连续体。弹性体中某点在变形过程中由M（x，y，z）移动至M’(x’，y’，z’)，这一过程也是连续的，为x、y、z的单值连续函数目前二十七页\总数一百六十一页\编于二十一点形变和位移之间的关系：位移确定→

形变完全确定：

从物理概念看，各点的位置确定，则微分线段上的形变确定。

从数学推导看，位移函数确定，则其导数（形变）确定。形变确定，位移不完全确定：

从物理概念看，ε、γ确定，物体还可作刚体位移。

从数学推导看，ε、γ确定，求位移是积分运算，出现待定函数。目前二十八页\总数一百六十一页\编于二十一点应力应变位移弹性力学各个量之间的关系平衡方程物理方程几何方程外力目前二十九页\总数一百六十一页\编于二十一点弹性力学分析过程中：通过静力平衡、几何变形和本构关系建立起外力、应力、应变、位移之间相互关联。

再必须根据已知物理量，（一般外力、结构几何形状和约束条件等），推导和确定基本未知量（应力、应变、位移。目前三十页\总数一百六十一页\编于二十一点1.4弹性力学基本方程平衡方程（应力——外力之间的关系）目前三十一页\总数一百六十一页\编于二十一点2.物理方程（应变——应力之间的关系）目前三十二页\总数一百六十一页\编于二十一点3.几何方程（柯西方程）（应变——位移之间的关系）目前三十三页\总数一百六十一页\编于二十一点4、变形协调方程目前三十四页\总数一百六十一页\编于二十一点5、边界条件如果物体表面的面力已知，则称为应力边界条件：

第一类边界条件

如果物体表面的位移已知，则称为位移边界条件：

第二类边界条件混合边界条件=第一类+第二类目前三十五页\总数一百六十一页\编于二十一点5、边界条件应力边界条件：位移边界条件：外法线的方向余弦目前三十六页\总数一百六十一页\编于二十一点方程数量：平衡方程——3个物理方程——6个几何方程——6个合计15未知量：应力分量——6个应变分量——6个位移分量——3个

u、v、w

合计15空间问题目前三十七页\总数一百六十一页\编于二十一点第二章弹性力学平面问题2.1平面应力问题2.2平面应变问题2.3平面问题的基本方程目前三十八页\总数一百六十一页\编于二十一点2.1平面应力问题1、平面应力问题的概念

平面应力问题讨论的弹性体为薄板。薄壁厚度远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，其所受外力，包括体力均平行于中面O-xy面内，并沿厚度方向z不变。而且薄板的两个表面不受外力作用。目前三十九页\总数一百六十一页\编于二十一点平面应力问题①几何特征薄壁厚度为h远小于结构另外两个方向的尺寸等厚度中心层平直②受力特征外力平行于中心层外力沿厚度不变化目前四十页\总数一百六十一页\编于二十一点

根据薄板的表面面力边界条件，即表面不受外力作用，则

由于板很薄，外力沿厚度均匀分布，因此应力分量也沿厚度均匀分布，应力分量不随z改变。2、平面应力问题的应力目前四十一页\总数一百六十一页\编于二十一点应力分量应变分量3、平面应力问题应力、应变目前四十二页\总数一百六十一页\编于二十一点1平面应变问题的概念弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变；作用外力与纵向轴垂直，并且沿长度不变；柱体的两端受固定约束。

可以认为柱体是无限长的。如果从中任取一个横截面，则柱形物体的形状和所受载荷将对此横截面是对称的。因此物体变形时，横截面上的各点只能在其自身平面内移动。2.2平面应变问题目前四十三页\总数一百六十一页\编于二十一点几何特征一个尺寸远大于结构另外两个方向的尺寸中心轴平直沿中心轴截面不变化受力特征外力垂直于中心轴外力沿中心轴长度方向不变化平面应变问题目前四十四页\总数一百六十一页\编于二十一点2、平面应变问题的位移沿纵向轴的位移恒等于零；由于无限长，所以任一个横截面都是一样的，与z轴无关。只要是x、y坐标函数目前四十五页\总数一百六十一页\编于二十一点应力分量应变分量3、平面应变问题的应力、应变目前四十六页\总数一百六十一页\编于二十一点2.3平面问题的基本方程平衡方程（应力——外力之间的关系）2.几何方程（应变——位移之间的关系）目前四十七页\总数一百六十一页\编于二十一点3.物理方程（应变——应力之间的关系）平面应力与平面应变问题的：平衡方程、几何方程相同。

但物理方程不同。从空间问题推得。目前四十八页\总数一百六十一页\编于二十一点①平面应力的物理关系目前四十九页\总数一百六十一页\编于二十一点①平面应力的物理关系目前五十页\总数一百六十一页\编于二十一点②平面应变的物理关系目前五十一页\总数一百六十一页\编于二十一点②平面应变的物理关系目前五十二页\总数一百六十一页\编于二十一点平面应变问题平面应力问题z向应力分量sz=n(sx+

sy)sz＝0z向位移分量w＝0w≠0正应变分量二者主要不同在于z向应变，位移和正应力的计算公式

③两种平面问题的区别目前五十三页\总数一百六十一页\编于二十一点④两种平面问题的内在关系平面应力平面应变平面应力平面应变平面应变平面应力目前五十四页\总数一百六十一页\编于二十一点④两种平面问题的内在关系平面应力平面应变平面应力平面应变目前五十五页\总数一百六十一页\编于二十一点4变形协调方程平面应力平面应变由6个简化为1个

调和方程目前五十六页\总数一百六十一页\编于二十一点方程数量：平衡方程——2个物理方程——3个几何方程——3个合计8未知量：应力分量——3个应变分量——3个位移分量——2个

u、v

合计8平面问题目前五十七页\总数一百六十一页\编于二十一点第三章

弹性力学问题求解方法简述目前五十八页\总数一百六十一页\编于二十一点应力应变位移弹性力学各个量之间的关系平衡方程物理方程几何方程外力目前五十九页\总数一百六十一页\编于二十一点3.1概述根据几何方程和本构方程可见：位移、应力和应变分量之间不是相互独立的。

假如已知位移分量，通过几何方程可以得到应变分量，然后通过物理方程可以得到应力分量。如果已知应力分量，通过物理方程得到应变分量，再由几何方程的积分求出位移分量，不过这时的应变分量必须满足一组补充方程，即变形协调方程。应力应变位移目前六十页\总数一百六十一页\编于二十一点①

位移解法：若以位移函数作为基本未知量求解，根据物理方程和几何方程，应力分量及平衡方程均由位移分量表达；

②应力解法：

若以应力函数作为基本未知量，称为应力解法，对于应力解法，应力分量必须满足平衡微分方程和变形协调方程；

③混合解法

：若以位移分量和应力分量作为基本未知量，通过物理方程中消去应变分量，表述基本方程，称为混合解法。基本方程的求解方法目前六十一页\总数一百六十一页\编于二十一点弹性力学是对整个研究对象建立平衡方程、几何方程、物理方程，再根据外力作用下求整体的应力、应变、位移。解答的途径有两大类：精确解（解析解、理论解法）逆法、半逆法、复变函数法、级数法、特殊函数法等2.近似解法（数值解法）目前六十二页\总数一百六十一页\编于二十一点1位移解法当位移分量作为基本未知函数求解时，变形协调方程是自然满足的。根据物理方程和几何方程，可以得到：以位移表示的平衡微分方程，称为拉梅（Lamé）方程。拉普拉斯运算符号，

3.2解析解法目前六十三页\总数一百六十一页\编于二十一点2应力法主要介绍应力函数法，称为艾里（Airy）应力函数。设应力表示的变形协调方程

双调和方程

目前六十四页\总数一百六十一页\编于二十一点应力函数（1）．一次多项式一次多项式应力函数对应无应力的应力状态。

这个结论说明在应力函数中增加或减少一个x，y

的线性函数，将不影响应力分量的值。目前六十五页\总数一百六十一页\编于二十一点（2)．二次多项式如仅a，b，c≠0，分别表示单向拉伸或者纯剪切应力状态。目前六十六页\总数一百六十一页\编于二十一点(3)．三次多项式如果仅考虑d不为零的情况，即a=b=c=0，其对应于矩形梁的纯弯曲应力状态。

目前六十七页\总数一百六十一页\编于二十一点解析解的难点：弹性力学研究对象是弹性体，形体复杂，是偏微分方程的边值问题。在数学上求解困难重重，除了少数特殊边界问题，一般弹性体问题很难得到解答。要得到解析解：1、简化形体，譬如材料力学的研究对象是杆件，常微分方程，可以求解；平面问题，忽略次要因素，简化应力状态。2、简化边界约束条件，放松某些限制等。结果：寻求求解偏微分方程在特定条件下的数学解法，而造成所得到的结果并非实际问题的真实状态。结果误差很大，甚至是错误的结论。目前六十八页\总数一百六十一页\编于二十一点近似解法（数值解法）差分法加权余量法变分法有限元法（FEM）边界元法（BEM）3.3数值解法目前六十九页\总数一百六十一页\编于二十一点有限元法与边界元法的比较离散化，FEM在区域上，BEM在边界上；维数，BEM降维，3D2D；2D1D；通用性，FEM格式统一，BEM特定问题；对使用者数学要求，FEM低，BEM高；目前应用状况，FEM一统天下。目前七十页\总数一百六十一页\编于二十一点1有限元基本思想2离散化（建立计算模型）3位移插值函数4单元分析5等效结点载荷6整体分析7有限元方程求解方法8应力结果9举例第二篇有限元法基础目前七十一页\总数一百六十一页\编于二十一点应力应变位移弹性力学各个量之间的关系平衡方程物理方程几何方程外力§1有限元基本思想目前七十二页\总数一百六十一页\编于二十一点应力应变位移平衡方程放弃物理方程几何方程外力有限元的基本思路能量原理只要位移场确定，就可得到应变、应力。目前七十三页\总数一百六十一页\编于二十一点有限元的基本思想：在弹性体内选取足够多、有限个点，假定这些点的位移已知，再用这些假定的位移量描述其它位置点的位移，就得到了用特定点位移表示的弹性体的位移场。这些选定的有代表性的点——结点，（node）结点：代表性——尖点、拐角、截面改变处等集中载荷作用、位移约束位置等。位移场：某个点（非结点）位移不是由所有结点位移来表述的，而是划分成小区域/小块上的结点来表示的，这些小区域/小块——单元。有限元处理问题的方法——连续体剖分小块（单元），即离散体。目前七十四页\总数一百六十一页\编于二十一点目前七十五页\总数一百六十一页\编于二十一点有限元法特点：概念浅显，容易掌握，可以在不同程度上理解与应用通用性强，应用广泛，几乎所有领域；计算格式统一，便于编程计算；大型通用程序成熟商业化，无需专门知识编程先进的前处理，网格自动划分，

完善的后处理，可视或动态显示，直观形象。误差难估计目前七十六页\总数一百六十一页\编于二十一点§2离散化（计算模型）单元的形式是多样的实体单元模型目前七十七页\总数一百六十一页\编于二十一点单元类型维数

主要应用杆单元2-D承受轴向力作用，平面桁架结构3-D空间桁架、网架等梁单元2-D主要承受横向载荷作用，即承受弯矩；也可横向+轴向3-D固体2-D平面应力、平面应变问题：三角形、四边形3-D一般三维（空间）问题：四面体、八面体板壳2-D主要承受横向载荷作用三角形、四边形3-D2.1单元类型与作用目前七十八页\总数一百六十一页\编于二十一点杆单元梁单元目前七十九页\总数一百六十一页\编于二十一点二维单元线性单元二次单元目前八十页\总数一百六十一页\编于二十一点三维单元线性单元二次单元目前八十一页\总数一百六十一页\编于二十一点板壳单元目前八十二页\总数一百六十一页\编于二十一点2.2离散化应注意的问题：首要的问题是根据结构的几何特点、受力特征选择合理的单元形式。对称性的利用，在划分单元之前，有必要先研究一下计算对象的对称或反对称的情况，以便确定是取整个物体，还是部分物体作为计算模型。取四分之一作为计算模型目前八十三页\总数一百六十一页\编于二十一点（以平面三角形单元为例）共边：覆盖求解区域，单元间既不允许相互重叠，也不允许相互脱开；共点：任意三角形的顶点必须是相邻单元的顶点，不能为相邻单元的内点。边长接近：单元的边长尽可能接近，采用锐角三角形数目与精度兼顾：单元划分细，计算精度越高，但结点数增加，计算时间加长。单元大小过渡，应力梯度大的区域单元尺寸小，应力变化小的区域，单元可以划分大些。或在初步计算的基础上对于高应力区，在进一步细化网格，进行二次分析。适当简化。不可以可以较差较好目前八十四页\总数一百六十一页\编于二十一点节点编号顺序

在进行节点编号时，应该注意要尽量使同一单元的相邻节点的号码差尽可能地小，以便最大限度地缩小刚度矩阵的带宽，节省存储、提高计算效率。平面问题的半带宽为

B=2(d+1)目前八十五页\总数一百六十一页\编于二十一点§3位移模式要求：i、j、m按逆时针排序单元的结点位移向量用来描述单元内各点位移变化规律的函数，称为位移模式

目前八十六页\总数一百六十一页\编于二十一点三角形单元的位移模式假定为位移模式：目前八十七页\总数一百六十一页\编于二十一点位移模式矩阵表达：位移模式通式——单元内任一点的位移；——单元的结点位移向量；——单元的形函数矩阵。目前八十八页\总数一百六十一页\编于二十一点形函数的性质

面积坐标形函数与面积坐标的关系目前八十九页\总数一百六十一页\编于二十一点三角形的面积位移模式反映了单元内任意一点的位移与结点位移之间的关系。是有限元计算精度的关键。目前九十页\总数一百六十一页\编于二十一点§4单元分析4.1单元上任意一点的应变4.2单元上任意一点的应力4.3单元的能量4.4单元刚度矩阵的性质目前九十一页\总数一百六十一页\编于二十一点4.1单元上任意一点的应变几何方程目前九十二页\总数一百六十一页\编于二十一点目前九十三页\总数一百六十一页\编于二十一点或写成通式[B]矩阵叫做单元几何矩阵，反映了单元内任意一点的应变分量与结点位移之间的关系几何矩阵[B]中的每个元素，均为常数，它们由结点坐标确定。单元内任意一点P的应变分量与坐标（x，y）无关，说明单元中应变是常量。目前九十四页\总数一百六十一页\编于二十一点4.2单元上任意一点的应力物理方程[D]——弹性矩阵平面应力问题平面应变问题目前九十五页\总数一百六十一页\编于二十一点[S]叫做应力矩阵目前九十六页\总数一百六十一页\编于二十一点4.3单元的能量

1、单元的应变能一维问题应变能密度为平面问题应变能密度为

目前九十七页\总数一百六十一页\编于二十一点

称为单元刚度矩阵，简称单刚，它反映了单元应变能与单元结点向量之间的关系。

目前九十八页\总数一百六十一页\编于二十一点2、外力势能

(1)、体力势能(2)、面力势能(3)、集中力势能目前九十九页\总数一百六十一页\编于二十一点3、单元的总势能目前一百页\总数一百六十一页\编于二十一点4.4单元刚度矩阵的性质某单元的刚度矩阵，仔细看看，会发现该矩阵有哪些特点？目前一百零一页\总数一百六十一页\编于二十一点4.4单元刚度矩阵的性质1、对称性

单元刚度矩阵是对称方阵，其元素都对称于主对角线。2、奇异性

单元刚度矩阵中任意一行或列元素之和为零。其物理意义是在没有给单元施加任何约束时，单元可有刚体运动，位移不能唯一的确定。3、主对角线元素恒为正值主对角线元素是正值说明结点位移方向与施加结点荷载的方向是一致的。

4、单元刚度矩阵与单元位置无关

单元刚度矩阵与单元位置无关，也就是单元在平移时，[K]e不变；单元结点排列顺序不同时，[K]e中元素大小不变，而排列顺序相应改变。

目前一百零二页\总数一百六十一页\编于二十一点§5等效节点载荷弹性体所受外力包括体积力、表面力、集中力。分别作用在弹性体内部、物体表面上、物体的一个点上。载荷列阵{R}，是由弹性体的全部单元的等效节点力集合而成，是将全部载荷转移到单元的节点上，它们的作用位置发生了变化——载荷移置。它们的作用效果是等效的，故称等效节点力向量{R}e

。各种载荷分别移置到节点上，再逐点加以合成求得单元的等效结点载荷。目前一百零三页\总数一百六十一页\编于二十一点

1、体力等效结点载荷自重情况下：目前一百零四页\总数一百六十一页\编于二十一点y0xijmy0xijm2、面力等效结点载荷目前一百零五页\总数一百六十一页\编于二十一点6.1结构的结点位移向量假设弹性体被划分为N个单元和n个节点，整个弹性体的节点位移向量{}2n×1整个弹性体的载荷列阵{R}2n×1§6整体分析目前一百零六页\总数一百六十一页\编于二十一点矢量——有方向性，外力、应力，不能直接相加标量——没有方向，只有大小，可以相加。弹性体的能量是标量，可以直接相加。6.2结构的总势能

目前一百零七页\总数一百六十一页\编于二十一点单刚的扩充为了实现上述运算扩展目前一百零八页\总数一百六十一页\编于二十一点——结构的总刚度矩阵——结构总的体力列阵

——结构总的面力列阵

——结构总的集中力列阵

结构的总势能

目前一百零九页\总数一百六十一页\编于二十一点6.3整体刚度矩阵形成方法123421q图5组装总刚[k]的一般规则：1.

当[krs]中r=s时，该点被哪几个单元所共有，则总刚子矩阵[krs]就是这几个单元的刚度矩阵子矩阵[krs]e的相加。2.当[krs]中rs时，若rs边是组合体的内边，则总体刚度矩阵[krs]就是共用该边的两相邻单元单刚子矩阵[krs]e的相加。3.

当[krs]中r和s不同属于任何单元时，则总体刚度矩阵[krs]=[0]。下面，我们考查一个组装总刚的实例：1.整体刚度矩阵及载荷列阵的组集根据叠加原理，整体结构的各个刚度矩阵的元素显然是由有关单元的单元刚度矩阵的元素组集而成的，为了便于理解，现结合图5说明组集过程。目前一百一十页\总数一百六十一页\编于二十一点图中有两种编码：一是节点总码：1、2、3、4；二是节点局部码，是每个单元的三个节点按逆时针方向的顺序各自编码为1，2，3。图中两个单元的局部码与总码的对应关系为：单元1：1，2，3 1，2，3

单元2：1，2，33，4，1或：单元1：1，2，3 1，2，3

单元2：1，2，31，3，4单元e的刚度矩阵分块形式为：目前一百一十一页\总数一百六十一页\编于二十一点整体刚度矩阵分块形式为：其中每个子块是按照节点总码排列的。通常，采用刚度集成法或直接刚度法来组集整体结构刚度矩阵。刚度集成法分两步进行。第一步，把单元刚度矩阵扩大成单元的贡献矩阵，使单元刚度矩阵的四个子块按总体编号排列，空白处作零子块填充。第二步，以单元2

为例，局部码1，2，3

对应于总码3，4，1，按照这个对应关系扩充后，可得出单元2的贡献矩阵。目前一百一十二页\总数一百六十一页\编于二十一点总码1234

2 3 431

2

局部码用同样的方法可得单元1的贡献矩阵。第三步，把各单元的贡献矩阵对应行和列的子块相叠加，即可得出整体结构的刚度矩阵，如（42）式。在这里应该指出，整体刚度矩阵中每个子块为阶矩阵，所以若整体结构分为n个节点，则整体刚度矩阵的阶数是。目前一百一十三页\总数一百六十一页\编于二十一点

总码1234

123（42）

123局部码

至于整体结构的节点载荷列阵的组集，只需将各单元的等效节点力列阵扩大成2n行的列阵，然后按各单元的节点位移分量的编号，对应相叠加即可目前一百一十四页\总数一百六十一页\编于二十一点6.4整体刚度矩阵的性质

⒈刚度矩阵[K]中每一列元素的物理意义为：欲使弹性体的某一节点在坐标轴方向发生单位位移，而其它节点都保持为零的变形状态，在各节点上所需要施加的节点力。⒉正定性，刚度矩阵[K]中主对角元素总是正的。⒊刚度矩阵[K]是一个对称矩阵，即[Krs]=[Ksr]T。⒋刚度矩阵[K]是一个稀疏矩阵。如果遵守一定的节点编号规则，就可使矩阵的非零元素都集中在主对角线附近呈带状。5.奇异性。刚度矩阵[K]是一个奇异矩阵，在排除刚体位移后，它是正定阵。目前一百一十五页\总数一百六十一页\编于二十一点半带存储

半带宽B=（相邻节点号的最大差值D+1）*2目前一百一十六页\总数一百六十一页\编于二十一点§7有限元方程及求解方法7.1有限元方程结构的总势能最小势能原理，对于线弹性体，某一变形可能位移状态为真实位移状态的必要和充分条件是，此位移状态的变形体势能取最小值。目前一百一十七页\总数一百六十一页\编于二十一点结构总势能泛函对结点位移的变分为0.

结构有限元方程它是一个2n阶的线性代数方程组。因为该方程中[K]是结构的总刚度矩阵，{F}是外荷载列阵，都通过计算求得，因此可以根据有限元方程可以确定结点位移。目前一百一十八页\总数一百六十一页\编于二十一点7.2位移边界条件的处理由于总体刚度矩阵是奇异的，物理意义是结构中存在刚体位移，不能直接求解。必须引入限制结构刚体位移的位移边界条件，即位移约束条件，消除总体刚度矩阵的奇异性，才能求解结构有限方程。位移边界条件是指结构的某些区域位移已知，对于离散体来说，位移约束条件是某些结点的位移分量受到限制，包括位置限制和方向限制两个方面。具体哪些结点受到限制，受限制结点哪个方向位移分量受到限制，要根据结构受力后变形特征来确定。

处理的方法，主要有三种：

降阶法（紧缩法）置大数法改1法

目前一百一十九页\总数一百六十一页\编于二十一点1.降阶法降阶法也称紧缩法或直接代入法，该法是将结构有限元方程中已知结点位移的自由度全部消去，得到一组降阶的修正方程，用以求解其它未知的结点位移。如果给定的位移均为零位移，则

只需将总刚[K]、荷载列阵{F}中与该位移所对应的行和列全部划去即可。如果给定的位移不为零位移，

也只保留了待定的结点位移作为未知量，但需对右端荷载列阵进行相应的修正。

目前一百二十页\总数一百六十一页\编于二十一点2.置大数法将结构总刚度矩阵中与被约束的位移分量相对应的主对角线元素赋予一个大数A，如取A=10e30或更大。再将右端荷载列阵对应的荷载值换成已知的位移值与该大数的乘积。设结点位移分量r为已知，则有限元方程变为：目前一百二十一页\总数一百六十一页\编于二十一点经过修改后第r个方程的为方程两边同时除以A，除第r项外，其余各项均为微小量可略去。目前一百二十二页\总数一百六十一页\编于二十一点3.对角元素改1法当给定的位移值为零时，将总刚中与之相对应主对角线元素改为1，相对应的行和列中其余所有元素改为0，荷载列阵对应的元素也改为0即可。

目前一百二十三页\总数一百六十一页\编于二十一点应力应变位移物理方程几何方程外力有限元方程计算模型中：位移场已经确定，就可得到应变、应力。§8应力结果网格化——模型目前一百二十四页\总数一百六十一页\编于二十一点8.1单元应力计算步骤

有限元方程求解之后，得到了所有结点的位移，

单元应力计算对每个单元循环；对于任一单元①根据结点i、j、m的实际编号，从结构结点位移向量中选出单元结点位移向量②计算单元的应变分量，③计算单元的应力分量：目前一百二十五页\总数一百六十一页\编于二十一点8.2应力分析

以上分析得到了所有单元的应力分量，

为了强度分析，进一步计算主应力或等效应力。主应力取“＋”号为最大应力，取“－”号为最小应力最大应力与x轴的夹角目前一百二十六页\总数一百六十一页\编于二十一点MISES应力由应力分量表示的三维MISES应力由主应力表示的三维MISES应力由应力分量表示的二维MISES应力目前一百二十七页\总数一百六十一页\编于二十一点8.3应力显示x应力mises应力目前一百二十八页\总数一百六十一页\编于二十一点确定根据工程实际情况确定问题的力学模型，并按一定比例绘制结构图、注明尺寸、载荷和约束情况等。将计算对象进行离散化，即弹性体划分为许多三角形单元，并对节点进行编号。确定全部节点的坐标值，对单元进行编号，并列出各单元三个节点的节点号。④计算载荷的等效节点力。

③单元分析，由各单元的相关参数，计算单元的几何矩阵、刚度矩阵。组集整体刚度矩阵，即形成总刚的非零子矩阵。组装各单元的等效结点载荷，形成总的外载荷向量。有限元分析的实施步骤目前一百二十九页\总数一百六十一页\编于二十一点处理约束，消除刚体位移，求解线性方程组，得到节点位移。计算应力矩阵，求得单元应力，并根据需要计算主应力和主方向。整理计算结果（后处理部分）。目前一百三十页\总数一百六十一页\编于二十一点图1所示为一厚度t=1cm的均质正方形薄板，上下受均匀拉力q=106N/m，材料弹性模量为E，泊松比，不记自重，试用有限元法求其应力分量。123421x图2y2myxq=106N/m图1例1§9计算实例目前一百三十一页\总数一百六十一页\编于二十一点解：１.力学模型的确定２.结构离散由于此结构长、宽远大于厚度，而载荷作用于板平面内，且沿板厚均匀分布，故可按平面应力问题处理。考虑到结构和载荷的对称性，可取结构的1/4来研究。该1/4结构被离散为两个三角形单元，节点编号，单元划分及取坐标如图2所示，其各节点的坐标值见表1。节点坐标１２３４xy００１０１１０１表1目前一百三十二页\总数一百六十一页\编于二十一点３.求单元的刚度矩阵计算单元的节点坐标差及单元面积单元１（i、j、m

1，2，3）单元面积目前一百三十三页\总数一百六十一页\编于二十一点2）组装单元的几何矩阵目前一百三十四页\总数一百六十一页\编于二十一点3）计算单元的应力矩阵弹性矩阵应力矩阵目前一百三十五页\总数一百六十一页\编于二十一点应力矩阵也可应用公式计算先计算用到的常数目前一百三十六页\总数一百六十一页\编于二十一点单元的刚度矩阵中各个子矩阵目前一百三十七页\总数一百六十一页\编于二十一点单元1的刚度矩阵为:123123（i、j、m=1，2，3）目前一百三十八页\总数一百六十一页\编于二十一点单元2：若按i、j、m=3、4、1顺序，对应单元1的123排码时,则这两个单元刚度矩阵内容完全一样，故有:341341目前一百三十九页\总数一百六十一页\编于二十一点组集整体刚度矩阵

由于[Krs]=[Ksr]T，又单元1和单元2的节点号按123对应341，则可得：按刚度集成法可得整体刚度矩阵为：目前一百四十页\总数一百六十一页\编于二十一点目前一百四十一页\总数一百六十一页\编于二十一点所以组集的整体刚度矩阵为：目