Построение трехмерного КЭ для расчета НДС тонкостенных

реклама
УДК 539.3
ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНОГО КЭ ДЛЯ РАСЧЕТА
НДС ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А. И. Голованов, М. К. Сагдатуллин
Казанский государственный университет, Казань, Россия
В работе с целью создания нового конечного элемента (КЭ) оболочки проводится
модификация трехмерного изопараметрического восьмиузлового элемента путем введения
гипотезы о линейности перемещений по толщине, малости напряжений обжатия и
использования техники двойной аппроксимации по точкам суперсходимости. Примеры
подобных КЭ и их использование описаны в работах [1–6]. Отметим, что «идейно близкие»
построения предложены в работах [3–5]. На числовых примерах показана эффективность
данного подхода.
Введем в рассмотрение радиус-вектор и вектор перемещений произвольной
материальной точки в виде R  X i ( 1 , 2 , 3 ) ei , U  U m  1 , 2 , 3  em . Используем
изопараметрические аппроксимации восьмиузлового конечного элемента. Соотношение
X i
Rk  k ei  Rki ei определяет ковариантный базис

N
1
Rki   X (it ) (kt )   X (it )(kt ) 1  (lt ) l 1  (mt ) m  .

8 t
t
Сопряженный базис R k вычисляется по соотношению
 k
1
Rk 
e 
kmn Rm  Rn  R k ,i ei ,
i i
X
2 G
kmn
где  – символы Леви–Чевита. Значение G  R1   R2  R3  дает величину элементарного
объема dV . Компоненты метрического тензора в различных базисах вычисляются по
формулам
X m X m
 i  j
m m
ij
i j
Gij  Ri R j   i

R
R
,
G

R
R

  Ri ,m R j ,m .


i
j
j
m
m

X
m 
m
m X
m
Ковариантные компоненты тензора деформации Коши–Грина определяются
следующим образом:
8
3
N ( r ) N ( t )
1
1 3 8
U i  R j  Ri  U j    U (mr ) X (mt )  U (mt ) X (mr ) 

U (mr ) Eij( r ,m ) . (1)

i
j
2
2 m 1 r ,t 1
 
r 1 m 1
Используем представление закона Гука
 ij 


 ij   2 G imG jn  G ij G mn   mn .
(2)
Введем в рассмотрение процедуру учета малости напряжений обжатия. Формально
запишем эту гипотезу в виде уравнения
 33  2 33  G33  G ij ij  2G i 3 i 3  G 33 33   0.
Подставим сюда напряжения (2) и выразим из этого уравнения деформацию обжатия
 33  
G33
 Gij ij  2Gi3 i3  .
2  G33G 33
(3)
Теперь преобразуем соотношения упругости для ковариантных компонент напряжений
отдельно для напряжений  ij  i, j  1, 2 , характеризующих мембранное и изгибное
напряженное состояние, и  i 3 , описывающих напряжения поперечного сдвига.
Из
*  1
(2)
с
учетом
(3)
следует
 ij  2 ij  Gij   *G mn mn  2 *G m3 m 3  ,
где
G33G 33
, i  1, 2, j  1, 3 , m, n  1, 2.
2  G33G 33
Так как в качестве степеней свободы фигурируют узловые степени свободы на лицевых
поверхностях, то фактически учитывается обжатие оболочки. Следовательно, в расчетную
схему необходимо ввести «упрощенный» закон упругости, связывающий напряжение
обжатия  33 с деформацией обжатия  33 . Для этого введем соотношение  33  E3 33 , где E3 –
модуль жесткости обжатия. Если записать в общем виде соотношения упругости
 ij 
3
D
m, n 1

ijmn mn
,
то
для
контравариантных
компонент
напряжений
получим
 kl  Gki Glj ij  Gki Glj Dijmn mn .
Далее используется метод двойной аппроксимации по точкам суперсходимости.
Приводится специальная процедура «усечения» аппроксимаций деформаций поперечного
сдвига.
Рассмотрим деформацию 13 . Для представления типа (1) изначально имеем
1
E13( r ,m ) 
X (mt)  (1r ) (3t ) 1   (2r ) 2 1   (3r ) 3  
128
1 1
2 2
 1  (t ) 1  (t )   (3r )(1t ) 1  (1r ) 1 1  (2r ) 2 1  (2t ) 2 1  (3t ) 3  .
Первая «редукция аппроксимации» состоит в исключении переменности этой
деформации по толщине.
1
E13( r ,m ) 
X (mt) (1r ) (3t ) 1  (2r ) 2 1  (1t ) 1  
128
2 2
 1  (t )  (3r )(1t ) 1  (1r ) 1 1  (2r ) 2 1  (2t ) 2  .
Вторая «редукция» направлена на исключение переменности этой деформации вдоль
координат  1 .
2
1
E13( r ,m ) 
X (mt) 1  (2r )  (2t )   2   (2r ) (2t )  2    (1r ) (3t )   (3r ) (1t )  .


128
Третья модификация предполагает определить эту деформацию в виде линейной
аппроксимации по  2 по двум точкам, соответствующим  2  1 . После несложных
преобразований получим
1
E13( r ,m ) 
X (mt) 1  (2r )(2t )   (2r )  (2t )   2  (1r )(3t )  (3r )(1t )  .
128
По аналогии можем записать
1
( r ,m )
E23

X (mt) 1  (1r ) (1t )    (1r )   (1t )   1   (2r ) (3t )   (3r ) (2t )  .
128
Расчет компонент напряжений ведется следующим образом: вводим тензор напряжений
в ковариантном базисе     ij Ri R j , также определяем этот тензор в декартовой системе


координат
P1 
R1
R1
с
 P1k ek , P3 
ортами
R1  R2
R1  R2
Pm ,
то
есть
   ˆ mn  Pm Pn  ,
где
принимаем
 P3k ek , P2  P3  P1  P2 k ek . Взаимосвязь компонент напряжений

имеет вид ˆ mn  Pm     Pn   ij Pm  Ri
 P  R  , где P  R  P
n
j
m
i
mk
Rik . Напряжение ˆ mn является
истинным напряжением, непосредственно характеризующим напряженное состояние
материала.
На числовых примерах демонстрируется эффективность предложенной методики. КЭ,
построенные таким образом, показывают хорошую точность расчета НДС тонкостенных
конструкций в широком диапазоне изменения геометрических параметров.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 08-01-00546.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голованов А.И., Песошин А.В., Тюленева О.Н. Современные конечно-элементные
модели и методы исследования тонкостенных конструкций. – Казань: КГУ, 2005. – 442 с.
2. Голованов А.И., Тюленева О.Н., Шигабутдинов А.Ф. Метод конечных элементов в
статике и динамике тонкостенных конструкций. – М.: Физматлит, 2006. – 392 с.
3. Yang H.T.Y., Saigal S., Masud A., Kapania R.K. A survey of recent shell finite elements //
Int. J. for numerical methods in engineering. – V. 47. – 2000. – p. 101–127.
4. Сахаров А.С., Кислоокий В.Н., Киричевский В.В., Альтенбах И., Габберт У., Данкерт
Ю., Кепплер Х., Кочык З. Метод конечных элементов в механике твердых тел. – Киев: Вища
школа, 1982. – 480 с.
5. Бережной Д.В. Искривленный конечный элемент пластин и оболочек средней
толщины с учетом обжатия // Труды XVII Междун. конф. по теории оболочек и пластин. Т. 2.
– Казань, Изд-во КГУ, 1996. – С. 94–99.
6. Гуриелидзе М. Г., Голованов А.И. Расчет толстостенных оболочек с учетом больших
деформаций // Труды XVII Междун. конф. по теории оболочек и пластин. Т. 2. – Казань, Издво КГУ, 1996. – С. 118–123.
Скачать