常用单元的刚度矩阵

.2(ru)2ru2rr由于各点在圆周方向上无位移，因而剪应变vr和vr均为urru零。将应变写成向量的形式，则rzwrzuzwzr根据上式，可推导出几何方程B(e)zjk0zkj0zij0Ni(r,z)0Nj(r,z)Nk(r,z)rr0r01其中几何矩阵0rkj0rik0rjiB2rkjzjkrikzkirjizij3.弹性方程和弹性矩阵[D]依据广义虎克定律，同样能够写出在轴对称中应力和应变之间的弹性方程，其形式为r1ru(z)E1u(rz)Ez1zu(r)Errz2(1)Erz所以弹性方程为式中应力矩阵

DTrzrz..10弹性矩阵E10D10(1)(12)1200024.单元刚度矩阵k(e)与平面问题相同，仍用虚功原理来成立单元刚度矩阵，其积分式为k(e)BTDBdVV在柱面坐标系中，dV2drdz将dV2drdz代入k(e)BTDBdV，则k(e)2BTDBrdrdzV即为轴对称问题求单元刚度矩阵的积分式。与弹性力学平面问题的三角形单元不同，在轴对称问题中，几何矩阵[B]内有的元素（如Ni(r,z)等）是坐标r、z的函r数，不是常量。因此，乘积BTDB不能简单地从式k(e)2BTDBrdrdz的积分号中提出。如果对该乘积逐项求积分，将是一个沉重的工作。一般采用近似的方法：用三角形形心的坐标值代替几何矩阵[B]内的r和z的值。用B表示在形心(r,z)处计算出的矩阵[B]。其中r(rirjrk),z(zizjzk)33只需单元尺寸不太大，经过这样办理惹起的误差也不大。被积函数又成为常数，能够提出到积分号外面：..k(e)Trdrdz2TBr式中——三角形的面积。2BDBBD由式k(e)TDBrdrdz2T能够看出，两轴对2BBDBr称的三角形单元，当形状、大小及方位完全相同而地点不同时，其刚度矩阵也不相同。距离主轴线越远的单元，其刚度越大。这与平面问题不同样。二、等参数的刚度矩阵对一些由曲线轮廓的复杂构造，如果采用直角边单元进行离散，由于用直线代替了曲线，除非网格区分得很细，否则不能获得较高的精度；对另一些应力随坐标急巨变化的构造，采用简单的常应力单元离散时，也必须区分红大量的微小单元，以保证足够的精度。为此引入一种高精度的单元——等参数单元。它既能简化复杂单元区分的工作，又能在知足同样精度的要求时，大大减少使用的单元数。当前流行的大程序中较常用，它成功地解决了很多二维和三维的弹性力学识题。为导出等参数单元的刚度矩阵，首先要成立根据每个单元的形状确定的自然坐标系，然后将位移模式和形状函数都写成自然坐标的函数。一个单元在自然坐标系内的点余元整体坐标系内的点成一一对应的关系。经过映射，能够将整体坐标系中的图形转变为自然坐标系中的相应徒刑。比如能够将整体坐标系中的一个随意四边形（实际单元）映射到自然坐标系中成为一..个正方形（基本单元）。同样也能够将随意四面体、六面体（包括直边和曲边的）分别映射成正四面体和正六面体。这里只介绍较简单的一种平面问题的情况，将整体坐标系中的一个随意四边形映射成自然坐标系中的一个正方体，并导出单元刚度矩阵。其余种单元的映射，可依次原理进行。不再表达。位移模式和形状函数图4-2中的随意四边形单元上，作连结对边中点的直线，取其交点为原点，这两条直线分别为和轴，并令四条边上的和值分别为1，成立一个新的坐标系，称之为该单元的自然坐标系。原坐标系XOY称为整体坐标系。在整体坐标系中，自然坐标系非正交，它由随意四边形的形状所确定。图4-19如果将自然坐标系改画成直角坐标系，那么图4-19（a）中的随意四边形单元就成为图4-19（b）所示的正方形。上述两个四边形的点（包括极点）一一对应，即它们之间相互映射。因此，需要写出整体坐标X、Y和自然坐标、之间的坐标变换式，即XY

1234*5678四边形四个极点的坐标值在XOY坐标系中分别为X1,Y1,X2,Y2,X3,Y3,X4,Y4：在o坐标系中相应为1,1,1,1,1,1,1,1。将相关数据代入*中的第一式，则有..X11234,X21234X31234,X41234求解上述方程组得：1X1X2X3X4,2X1X2X3X4443X1X2X3X4,4X1X2X3X444坐标变换方程*成为1X11X21X31X4X14同理11Y11Y21Y31Y4Y4当引入函数Ni,后，坐标变换方程成为4XNi,Xii14YNi,Yii1式中Ni,111ii4变量、的正负号由相应节点的坐标值i、i决定。比如当i=4时，41,41，因此，N4,11。4下面再来研究函数Ni,的特性。对节点1X1,Y1，相应的自然坐标值为（-1，-1）。从式Ni1i1i中很容易看出，除N1=1外，,14N2=N3=N4=0。对其余各节点也同样。总而言之，对节点i(i=1,2,3,4)，除Ni=1外，其余三个N值均为零。同时，不难看出N1,N2,N3,N4,1，即四个节点的Ni函数..之和等于1。函数Ni,具备上章所介绍的形状函数应知足的条件，可作为本单元的形状函数。采用Ni,做形状函数，其位移模式为44uNi,ui,vNi,vii1i14XNi,Xi44对照i1和u,ui,vNiNi,vi能够看出：4i1i1YNi,Yii1在这种实际单元（随意四边形）中，坐标变换式和位移模式不单采用了相同的形状函数Ni,，而且拥有相同的数学模型。这种性质的实际单元称为等参数单元。对用节点位移值ui（或vi等）求单元内某一点位移量u(或v等)的插值公式u4,ui，只需将u(或v等)换成X(或YNii1等)，便成为利用节点值Xi(或Yi等)求相应点坐标X(或Y等)的插值公式。相反也是这样。2.几何矩阵[B]由于几何矩阵[B]经过对位移求偏导数而得出，所以首先必须利用复合函数求导的规则得出下述公式uuXuYuuXY或写成JXuuXuuuYXYy..XY式中JXY，此式称为雅可比矩阵。为了将几何矩阵[B]写成变量、的函数，必须将式uuuJX改写成uyuuXJ1，同理，uuy

vvX1vJvy从表示单元内各点位移与其应变关系的几何方程可知：X01000uvT0u00uvY01YXYv1100YXuuvv将式XJ1和XJ1归并，则uuvvyyuuvvT10TJuuvvXYXY0J1对单元（e），随意一点的位移u，v对自然坐标，的偏导数可利用上式求出，写成矩阵形式为：uuvvTeNp式中eu1v1u1v1u1v1u1v1TNpN1p0N2p0N3p0N4p00N1p0N2p0N3p0N4p..NiT关于i=1,2,3,4NipNiuuvvT10uuvvT将J和XYXY0J1uuvTvNpe代入X00001vvT0u00uu，则可得出表示01XYYv11Y00YX在整体坐标系中位移和应变关系的几何方程：eBee式中的几何矩阵[B]是自然坐标，的函数：100010B000JNp110110J04NiNiTXNi,Xi也可利用Nip求得的Nip以及i1和4YNi,Yii1XYTX1X2X3X4J求出J，JN1p。YN2pN3pN4pY2Y3Y4XY13.单元刚度矩阵ke设单元板厚为t，根据虚功方程有：eTkBDBtdA，A此式中几何矩阵[B]和弹性矩阵[D]都已求出。因为几何矩阵中的变量是自然坐标，，所以也要用自然坐标表示微分面积dA。在实际单元中任取一点p，其整体坐标位X、Y，其相应..的自然坐标为，。过p点做，的等值线，同时做d，d的等值线，围成一小块微分面积dA，如图4-20a）所示。为便于剖析，将四边形pqrs放大，如图4-20（b）所示。实际上，d，d取得很小，因此该四边形可视为平行四边形。若相邻的两边用向量a，b表示，则两者的乘积等于该平行四边形的面积dA。图4-20dAabsinab若aaxiayj,bbxibyj，则dAaxiayaxbxjbxibyjbyay为了求出ax，ay,bx，by的值，要先写出a和b两头节点p、q、s的坐标值。点p：点q：

XpX,,YpY,XqXd,,YqYd,点s：XsX,d,YsY,d利用泰勒技术展开并略去高阶项，可得Xd,X,XdX,dX,Xd对Yd,,Y,d，也可写出相应的展开式。利用式Xd,X,Xd可得：X,dX,Xd..Xd,ayYqYpYaxXqXpd，bxXsXpXd,byYsYpYd将此式代入式dAaxiayjbxibyjaxbx获得：aybyXYaxbxdd，简写为dAJdddAbyXayY单元刚度矩阵为：11keBTDBtJdd，这个积分能够采用“数值方法”，用11高斯求积分公式很方便的求出，在此不作介绍。例：求如下图四边形的雅可比矩阵。解：求雅可比矩阵可在整体坐标系中进行，也能够在实际单元的局部坐标系中进行。为便于计算，本例在局部坐标系中进行。对单元（1）：将四个节点的自然坐标值（-1，-1）、（1，-1）、（1，1）、（-1，1）代入下式：Ni,11i1i，再将所获得的Ni,值及四个节点4实际单元在局部坐标系的坐标值（-3，-2）、（3，-2）、（3，2）、（-3，2）代入下式计算：..4XNi,Xi3,Y2i1，则X4