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3.7 单元应力的计算及处理

3.7.1 单元应力的计算

引入位移约束条件,修正了结构总刚度矩阵及载荷列阵,再求解式(3.44),便得到了结构的节点位移矢量。至此,有限元模型中所有的节点位移矢量均为已知,此前由单元节点位移矢量表示的所有量均可得到确定的值。为了加深理解,将计算一个单元应力的过程,再简述如下:

(1)提取单元节点位移矢量 δ e 对于任一单元,根据单元节点 i j m 的实际编号,从总位移矢量 δ 中提取单元节点位移矢量 δ e

(2)计算单元应变分量 根据式(3.17),形成应变矩阵,根据式(3.16),求出单元的应变分量;

(3)计算单元应力分量 根据式(3.19),求出单元的应力分量;

(4)计算主应力 通过每个单元得到一组应力分量,可进一步计算主应力或等效应力:

式中,取“+”号为最大应力,取“-”号为最小应力。

最大应力与 x 轴的夹角

(5)计算等效应力 求Mises应力

采用常应变三角形单元,由计算结果可知单元内应变是常量,应力也是常量,但并不是单元的平均应力,即使单元划分得很小,单元内各点的实际应力也会有偏差,只是收敛于实际应力,因此计算的应力分量或主应力均被假定为三角形单元形心处的值。

不同单元内应力不同,处于单元交界处点的应力存在突变现象,需要进一步处理。

3.7.2 内部点应力的处理

弹性体内部任意一点,可能处于单元交界处,或为节点或处于两单元的公共边上,常用的方法有绕节点平均法和二单元平均法。

1.绕节点平均法

结构内节点周围有多个单元,将环绕该节点所有单元的应力加以平均,用来表达节点处的应力,这种方法称为绕节点平均法。

(1)简单平均法 如果环绕节点的各个单元面积相差不大,可进行简单算术平均,即

式中, m 为环绕节点单元的个数; σ i 可以是各个单元的应力分量,也可以是主应力或Mises应力。

(2)加权平均法 如果环绕节点的单元面积相差较大,为了更准确地反映应力作用效果,应考虑各单元面积,进行加权平均,即

式中, A i 为各环绕的单元面积。

2.二单元平均法

二单元平均法就是将相邻两单元常量的应力加以平均,用来表示该二单元公共边中点处的应力。

在应力梯度较小区域,用绕节点平均法和二单元平均法求出的结果精度相当高,具有较好的应力表征性。但在应力剧烈变化部位,如应力集中处、截面变化处,单元间应力变化大甚至会出现不连续跳跃现象,采用上述处理反而不符合实际应力状态。

3.7.3 边界上应力的处理

边界上点的应力处理不宜直接采用平均法,而应由内部节点应力外插的方法确定,外插法采用拉格朗日插值公式。如图3.7所示,要求边界节点0处的应力,先将0、1、2、3等节点之间的距离表示在横坐标轴上,再以应力为纵坐标,求出节点1、2、3处的应力 σ 1 σ 2 σ 3 ,然后用曲线连接 σ 1 σ 2 σ 3 三点可得到一条近似抛物线,抛物线上任意一点的应力函数值可表示为

式中, x 1 x 2 x 3 为节点1、2、3的坐标; σ x )是二次抛物线,称为拉格朗日插值公式。

图3.7 边界区域单元及应力分布示意图

x =0处,插值函数为

利用式(3.56)可直接由 x 1 x 2 x 3 σ 1 σ 2 σ 3 求得边界应力 σ 0

经验证明,一般情况下用3点插值公式精度已足够了。在推算边界点的应力时,可以先推算应力分量再求主应力,也可以先求主应力再进行推算。一般前者精度略高一些,差异不显著,但计算量要大些。对于应力高度集中处,可取4个插值点,三次插值公式。 mO1ggvpkjtqu+g0x0F54CSVwO5rk+G1UBdFIpDDqEeeMe0gNxiltH2IbvlGtB5YG

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