Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
FEM_Lecture_Notes.pdf
Скачиваний:
171
Добавлен:
16.05.2015
Размер:
2.58 Mб
Скачать

Lecture Notes: Introduction to Finite Element Method

Chapter 6. Solid Elements for 3-D Problems

Chapter 6. Solid Elements for 3-D Problems

I. 3-D Elasticity Theory

Stress State:

y

z

y , v

σy

τ yx

τ yz

τzy

τzx

σz

z, w

F

x

τxy

σ x

τxz

x, u

 

© 1997-2002 Yijun Liu, University of Cincinnati

138

Lecture Notes: Introduction to Finite Element Method

Chapter 6. Solid Elements for 3-D Problems

 

 

 

 

 

 

 

 

σ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

 

y

 

 

 

 

 

 

σ={σ }=

 

 

z

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ

yz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ zx

 

 

Strains:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

ε= {ε }=

γ

 

z

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ yz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ zx

 

 

 

 

Stress-strain relation:

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 v

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

σz

 

=

 

E

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1

 

 

 

 

 

 

 

 

τxy

 

+ v)(1 2v)

0

 

τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τzx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

or [σij ]

or [εij ]

v

v

 

0

1 v

v

 

0

v

1 v

1

0

0

0

2v

 

2

 

 

 

0

0

 

0

0

0

 

0

0

0

0

0

1 2v

2

0

(1)

(2)

0

 

ε

 

0

 

 

 

 

εx

0

 

 

 

y

0

 

 

ε

 

 

 

 

z

0

 

γxy

 

γ

 

 

 

 

 

yz

1 2v

γzx

2

 

 

 

 

or

σ =

(3)

© 1997-2002 Yijun Liu, University of Cincinnati

139

Lecture Notes: Introduction to Finite Element Method

Chapter 6. Solid Elements for 3-D Problems

Displacement:

 

 

 

 

u(x,

y, z)

u

 

 

 

 

1

 

(4)

u = v(x, y, z)

= u2

 

 

 

 

 

 

w(x, y, z)

u3

 

 

Strain-Displacement Relation:

ε

 

 

=

u ,

 

ε

 

=

 

v

 

, ε

 

=

 

w

,

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

y

z

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

=

v

+

u

,

γ

 

 

 

=

w

+

v

, γ

 

=

u +

w

(5)

xy

x

y

yz

y

z

xz

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

ui

 

 

u j

 

 

 

 

 

(i, j =1,2,3)

 

 

εij

 

=

 

2

 

 

 

+

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x j

 

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

or simply,

εij

=

1

(ui, j +u j,i )

(tensor notation)

 

 

2

 

 

© 1997-2002 Yijun Liu, University of Cincinnati

140

Lecture Notes: Introduction to Finite Element Method

Chapter 6. Solid Elements for 3-D Problems

Equilibrium Equations:

 

 

 

 

σx

+

 

 

τxy

 

+

 

 

τxz

 

+ f x = 0 ,

 

 

x

 

 

y

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ yx

 

+

 

σ y

+

 

τ yz

 

+ f y = 0 ,

 

 

x

 

 

y

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τzx

 

+

τzy

 

+

σz

 

 

+ fz = 0 ,

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σij, j + fi

= 0

Boundary Conditions (BC’s):

ui = ui ,

 

 

 

on

 

 

Γu ( specified displacement )

 

 

 

 

 

on

 

Γσ

( specified traction )

ti = ti ,

 

 

 

(traction ti =σij

 

n j

)

 

 

 

p

n

Γσ

Γ( u σ )

Γu

Stress Analysis:

(6)

(7)

Solving equations in (3), (5) and (6) under the BC’s in (7) provides the stress, strain and displacement fields (15 equations for 15 unknowns for 3-D problems). Analytical solutions are difficult to find!

© 1997-2002 Yijun Liu, University of Cincinnati

141

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]