使用MATLAB和ANSYS对四杆桁架结构进行有限元分析
问题的描述
如图所示的结构,各杆的弹性模量和横截面积都为 E=2.96x105 N/mm2 ,A=100mm2 ,试求解该结构的结点位移、单元应力及支座反力。
问题的分析
有限元分析过程:
(1)对结构进行离散化并编号;
(2)计算各单元的刚度矩阵;
(3)建立整体刚度方程;
(4)处理边界条件及求解刚度方程;
(5)计算支座反力;
(6)计算各单元应力。
利用MATLAB进行求解
1、结构离散化处理并编号,如下图:
2、计算各单元的刚度矩阵
clear
clc
% 参数初始化设置
E =2.95e11; A = 0.0001;
x1 = 0; y1 = 0;
x2 = 0.4; y2 = 0;
x3 = 0.4; y3 = 0.3;
x4 = 0; y4 = 0.3;
alpha1 = 0; alpha2 = 90;
alpha3 = atan(0.75*180/pi);
% 计算单元刚度矩阵(SI单位)
k1 = Bar2D2Node_Stiffness(E, A, x1, y1, x2, y2, alpha1);
k2 = Bar2D2Node_Stiffness(E, A, x2, y2, x3, y3, alpha2);
k3 = Bar2D2Node_Stiffness(E, A, x1, y1, x3, y3, alpha3);
k4 = Bar2D2Node_Stiffness(E, A, x4, y4, x3, y3, alpha1);
3、建立整体刚度矩阵
% 建立整体刚度矩阵
KK = zeros(8,8);
KK = Bar2D2Node_Assembly(KK, k1, 1, 2);
KK = Bar2D2Node_Assembly(KK, k2, 2, 3);
KK = Bar2D2Node_Assembly(KK, k3, 1, 3);
KK = Bar2D2Node_Assembly(KK, k4, 4, 3);
4、处理边界条件与求解刚度方程
- 该结构的节点位移为:
- q = ( u1 , v1 , u2 , v2 , u3 , v3 , u4 , v4) T
- 节点力为:
- F = ( Fx1 , Fy1 , 2 x 104 , Fy2 , 0 -2.5 x 104 , Fx4 , Fy4 ) T
在边界条件和节点力的处理上,还需要人为地找出。由上图,我们可以看出,节点1的位移 u1 = 0,v1 = 0 ,节点2的位移v2 = 0 ,节点4的位移 u4 = 0,v4 = 0 。施加的节点荷载 Fx2 = 2 x 104 N ,Fx3 = -2.5 x 104 N 。
% 计算结点位移
k = KK([3, 5, 6], [3, 5, 6]);
p = [20000; 0; -25000];
u = k\p;
- 所有节点位移为:
- q = ( u1 , v1 , u2 , v2 , u3 , v3 , u4 , v4) T =( 0 , 0 , 0.2712 , 0, 0.0565 , -0.2225 , 0, 0) T
5、计算支座反力
将整体位移列阵 q (采用SI单位)带入到整体刚度方程,即可计算出所有节点力P:
% 计算支座反力
q = [0 0 0.0002712 0 0.0000565 -0.0002225 0 0]';
P = KK*q;
- 支座反力为:
- P = ( Px1 , Py1 , Py2 , Px4 , Py4 ) T =(-15833 , 3126 , 21879 , -4167 , 0)T
6、计算各单元应力
从整体位移列阵中提取各单元的位移列阵,然后计算单元应力。
% 计算单元应力
u1 = [q(1);q(2);q(3);q(4)];
stress1 = Bar2D2Node_Stress(E, x1, y1, x2, y2, alpha1, u1);u2 = [q(3);q(4);q(5);q(6)];
stress2 = Bar2D2Node_Stress(E, x2, y2, x3, y3, alpha2, u2);u3 = [q(1);q(2);q(5);q(6)];
stress3 = Bar2D2Node_Stress(E, x1, y1, x3, y3, alpha3, u3);u4 = [q(7);q(8);q(5);q(6)];
stress4 = Bar2D2Node_Stress(E, x4, y4, x3, y3, alpha1, u4);
因此,单元1的应力为2.0001 x 108 Pa,单元2的应力为-2.1879 x 108 Pa,单元3的应力为-5.2097 x 107 Pa,单元4的应力为4.167 x 107 Pa 。
调用的函数
function k = Bar2D2Node_Stiffness(E, A, x1, y1, x2, y2, alpha)
% 该函数计算单元的刚度矩阵
% Input:
% E:弹性模量
% A:横截面积
% (x1, y1):第一个节点坐标
% (x2, y2):第二个节点坐标
% alpha:角度(单位是度)
%
% Output:
% k:单元刚度矩阵(4*4)
%
L = sqrt((x2-x1)*(x2-x1) + (y2-y1)*(y2-y1));
x = alpha*pi/180;
C = cos(x);
S = sin(x);
k = E*A/L * [C*C C*S -C*C -C*S;C*S S*S -C*S -S*S;-C*C -C*S C*C C*S;-C*S -S*S C*S S*S];
endfunction z = Bar2D2Node_Assembly(KK, k, i, j)
% 该函数进行单元刚度矩阵的组装
% Input:
% k:单元刚度矩阵
% i,j:节点编号
%
% Output:
% KK:整体刚度矩阵
%
DOF(1) = 2*i-1;
DOF(2) = 2*i;
DOF(3) = 2*j-1;
DOF(4) = 2*j;
for n1 = 1:4for n2 = 1:4KK(DOF(n1), DOF(n2)) = KK(DOF(n1), DOF(n2)) + k(n1, n2);end
end
z = KK;
endfunction force = Bar2D2Node_Force(E, A, x1, y1, x2, y2, alpha, u)
% 该函数计算单元的节点力向量
% Input:
% k:单元刚度矩阵
% u:单元位移列阵(2*1)
%
% Output:
% force:单元节点力向量(2*1)
%
L = sqrt((x2-x1)*(x2-x1) + (y2-y1)*(y2-y1));
x = alpha*pi/180;
C = cos(x);
S = sin(x);
force = E*A/L*[-C -S C S]*u;
endfunction stress = Bar2D2Node_Stress(E, x1, y1, x2, y2, alpha, u)
% 该函数计算单元的应力
% Input:
% E:弹性模量
% (x1, y1):第一个节点坐标
% (x2, y2):第二个节点坐标
% alpha:角度(单位是度)
% u:单位节点位移向量
%
% Output:
% stress:单元应力
%
L = sqrt((x2-x1)*(x2-x1) + (y2-y1)*(y2-y1));
x = alpha*pi/180;
C = cos(x);
S = sin(x);
stress = E/L*[-C -S C S]*u;
end
利用ANSYS进行求解
FINISH
/CLEAR
/PREP7 ! 进入前处理
/PLOPTS, DATE, 0 ! 设置不显示日期和时间! 设置单元、材料、生成节点及单元
ET, 1, LINK1 ! 选择单元类型
UIMP, 1, EX, , , 2.95e11, ! 给出材料的弹性模量
R, 1, 1e-4, ! 给出实常数(横截面积)
N, 1, 0, 0, 0, ! 生成1号节点(0,0,0)
N, 2, 0.4, 0, 0, ! 生成2号节点(0.4,0,0)
N, 3, 0.4, 0.3, 0, ! 生成3号节点(0.4,0。3,0)
N, 4, 0, 0.3, 0, ! 生成4号节点(0,0.3,0)
E, 1, 2 ! 生成1号单元
E, 2, 3 ! 生成2号单元
E, 1, 3 ! 生成3号单元
E, 4, 3 ! 生成4号单元
FINISH ! 结束前处理! 在求解模块中,施加位移约束、外力,进行求解
/SOLU ! 进入求解状态
D, 1, ALL ! 将1号节点的位移全部固定
D, 2, UY ! 将2号节点的Y方向位移固定
D, 4, ALL ! 将4号节点的位移全部固定
F, 2, FX, 20000, ! 在2号节点处施加X方向的力20000
F, 3, FY, -25000, ! 在3号节点处施加Y方向的力-25000
SOLVE ! 进行求解
FINISH ! 结束求解状态! 进入一般的后处理模块
/POST1 ! 进入后处理
PLDISP, 1 ! 显示变形状况
FINISH ! 结束后处理
位移云图:
各个结点的位移:
各个节点的反力:
与前面MATLAB求解计算的结果相同。
- 注:
- 参考曾攀老师著《有限元基础教程》以及P.I.Kattan著含来彬译《MATLAB有限元分析与应用》。
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