[Matlab有限元分析] 2.杆单元有限元分析

1. 一维杆单元有限元分析程序

一维刚单元的局部坐标系(单元坐标系)与全局坐标系相同。

1.1 线性杆单元

如图所示是一个杆单元,由两个节点i和j,局部坐标系的X轴沿着杆的方向,由i节点指向j节点,每个节点有一个自由度,在使用时需要定义杆长L、截面积A和弹性模型E。

 单元刚度矩阵为:

                                                k=\begin{bmatrix} \frac{EA}{L} &-\frac{EA}{L} \\ -\frac{EA}{L}& \frac{EA}{L} \end{bmatrix}

线性杆单元有限元分析MATLAB程序主要包括单元刚度矩阵(Bar1D2Node_Stiffness)、单元组装(Bar1D2Node_Assembly)、单元应力(Bar1D2Node_Stress)和节点力(Bar1D2Node_Forces)四个函数,分别如下:

function k = Bar1D2Node_Stiffness(E,A,L)
% 该函数计算线性杆单元的刚度矩阵
% 输入:弹性模量E,杆的横截面积A和长度L
% 输出:单元刚度矩阵k(2*2)
k = [E*A/L -E*A/L ; -E*A/L E*A/L];
function y = Bar1D2Node_Assemble(K,k,i,j)
% 该函数进行单元刚度矩阵的组装
% 输入:单元刚度矩阵k和单元节点编号i,j
% 输出:整体刚度矩阵K
DOF(1) = i;
DOF(2) = j;
for n1 = 1:2
    for n2 = 1:2
        K(DOF(n1),DOF(n2)) = K(DOF(n1),DOF(n2))+k(n1,n2);
    end
end
y = K;
function forces = Bar1D2Node_Forces(k,u)
% 该函数计算线性杆单元的节点力
% 输入:单元刚度矩阵k,单元的位移列阵u(2*1)
% 输出:单元节点力forces
forces = k*u;
function stress = Bar1D2Node_Stress(k,u,A)
% 该函数计算线性杆单元的应力
% 输入:单元刚度矩阵k,单元的位移列阵u(2*1),单元横截面积A
% 输出:单元应力stress
stress = k * u/A;

1.2 二阶杆单元

二阶杆单元是带中间节点的杆单元,如下图所示,单元节点为i,j,m,杆单元界面为A,弹性模量为E,坐标系为i指向j的x方向。

单元刚度矩阵为:

                                             k=\frac{EA}{3L}\begin{bmatrix} 7 & 1&-8 \\ 1& 7& -8\\ -8 & -8 & 16 \end{bmatrix}

二阶杆单元有限元分析MATLAB程序主要包括单元刚度矩阵(Bar1D3Node_Stiffness)、单元组装(Bar1D3Node_Assembly)、单元应力(Bar1D3Node_Stress)和节点力(Bar1D3Node_Forces)四个函数,分别如下:

function k = Bar1D3Node_Stiffness(E,A,L)
% 该函数计算二阶杆单元的刚度矩阵
% 输入:弹性模量E,杆的横截面积A和长度L
% 输出:单元刚度矩阵k(3*3)
k = E*A/(3*L)*[7 1 -8;
               1 7 -8;
               -8 -8 16];
function y = Bar1D3Node_Assemble(K,k,i,j,m)
% 该函数进行二阶杆单元刚度矩阵的组装
% 输入:单元刚度矩阵k和单元节点编号i,j, m
% 输出:整体刚度矩阵K
DOF(1) = i;
DOF(2) = j;
DOF(3) = m;
for n1 = 1:3
    for n2 = 1:3
        K(DOF(n1),DOF(n2)) = K(DOF(n1),DOF(n2))+k(n1,n2);
    end
end
y = K;
function forces = Bar1D3Node_Forces(k,u)
% 该函数计算二阶杆单元的节点力
% 输入:单元刚度矩阵k,单元的位移列阵u(3*1)
% 输出:单元节点力forces
forces = k*u;
function stress = Bar1D3Node_Stress(k,u,A)
% 该函数计算二阶杆单元的应力
% 输入:单元刚度矩阵k,单元的位移列阵u(3*1),单元横截面积A
% 输出:单元应力stress
stress = k * u/A;

2. 二维杆单元有限元分析程序

未完待续....

3. 三维杆单元有限元分析程序

参考文献

曾攀《有限元基础教程》;

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