吉林大学学报(工学版) ›› 2010, Vol. 40 ›› Issue (03): 745-0751.

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计及纵横变形效应的几何非线性三次样条梁单元

陆念力,张宏生   

  1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院|哈尔滨 150001
  • 收稿日期:2008-06-01 出版日期:2010-05-01 发布日期:2010-05-01
  • 通讯作者: 陆念力(1955-),男,教授,博士生导师.研究方向:机械系统动力学,机械结构非线性与稳定分析. E-mail:N.Lu@hit.edu.cn E-mail:N.Lu@hit.edu.cn
  • 作者简介:陆念力(1955-),男,教授,博士生导师.研究方向:机械系统动力学|机械结构非线性与稳定分析. E-mail:N.Lu@hit.edu.cn
  • 基金资助:

    “十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAJ12B03-2)

Geometric nonlinear cubic spline beam element with lateral and axial deformation effects

LU Nian-li, ZHANG Hong-sheng   

  1. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
  • Received:2008-06-01 Online:2010-05-01 Published:2010-05-01

摘要:

为准确分析杆系结构大位移、大转动、小应变问题,提出了一种基于更新拉格朗日格式和随动坐标法的三次样条BernoulliEuler梁单元。利用三次样条函数构建变形场,并通过静力凝聚法消除其曲率自由度,得到计及二阶效应的梁单元切线刚度阵。考虑了弯曲变形引起轴向长度变化的非线性,推导了计入弓形效应的附加刚度,并修正了梁单元切线刚度阵。结合随动坐标法,在变形后位形上建立简支梁式的单元随动坐标系,得到了三次样条梁单元的大位移全量平衡方程。通过对几个典型算例的分析验证了本文方法的正确性和有效性。

关键词: 工程力学, 有限单元法, 随动坐标法, 几何非线性, 弓形效应, 三次样条梁单元

Abstract:

A cubic spline BernoulliEuler beam element was proposed to accurately analyze the large displace ment, large rotation and small strain problems based on the updated Lagrangian formula and the moving coordinate method. The deformation field was built using the cubic spline function, its curvature DoF was eliminated by static condensation method, the geometric nonlinear tangent stiffness matrix of the beam element was derived with consideration of the secondorder effects. The nonlinearity of the axial length change caused by bending deformation was considered, the additional stiffness caused by the bowing effects was derived, and the tangent stiffness matrix of the beam element was amended. The moving coordinate system of the hingedhinged beam element was built on the updated configuration after deformation, and the large displacement total equilibrium equations of the cubic spline beam element were derived. The correctness and efficiency of the proposed element were shown by several typical numerical examples.

Key words: engineering mechanics, finite element method, moving coordinate method, geometric nonlinearity, bowing effects, cubic spline beam

中图分类号: 

  • O242.21
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