• ISSN 0258-2724
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解析型Timoshenko梁有限单元

许晶 李世尧 王斌泰 李静 蒋秀根

许晶, 李世尧, 王斌泰, 李静, 蒋秀根. 解析型Timoshenko梁有限单元[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 492-498. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180176
引用本文: 许晶, 李世尧, 王斌泰, 李静, 蒋秀根. 解析型Timoshenko梁有限单元[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 492-498. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180176
XU Jing, LI Shiyao, WANG Bintai, LI Jing, JIANG Xiugen. Analytical Finite Element for Timoshenko Beams[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 492-498. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180176
Citation: XU Jing, LI Shiyao, WANG Bintai, LI Jing, JIANG Xiugen. Analytical Finite Element for Timoshenko Beams[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 492-498. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180176

解析型Timoshenko梁有限单元

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180176
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(21026034);农业部农业设施结构工程重点实验室开放课题(201502)
详细信息
    作者简介:

    许晶(1985—),女,讲师,博士,研究方向为结构工程,E-mail:xujing@cau.edu.cn

    通讯作者:

    蒋秀根(1966—),男,教授,硕士,研究方向为结构工程,E-mail:jiangxg@cau.edu.cn

  • 中图分类号: TU348

Analytical Finite Element for Timoshenko Beams

  • 摘要: 为提高深梁结构内力及变形的计算精度和效率,以Timoshenko梁理论为基础,建立了深梁位移控制方程,进而构造了深梁挠度、截面弯曲转角和剪切角的解析位移形函数. 采用势能原理建立了深梁的势能泛函,利用势能变分原理得到了解析型单元列式,进而给出了解析型单元总刚度矩阵,将其与理论解、插值多项式深梁单元进行对比分析. 结果表明:构造的解析型单元只需划分为一个单元即可保证计算的深梁挠度和转角与理论解一致,采用插值多项式单元确定的挠度和转角与理论解的相对误差最大可达到19.785%. 同时,为验证剪切变形对深梁位移影响,将构造的单元与Euler梁单元的计算结果进行对比. 对比表明:对于承受均布荷载作用的悬臂梁,基于Euler梁计算的位移与基于Timoshenko梁理论构造的解析型单元计算的位移偏差可达到50%;对于承受端部集中弯矩作用的简支梁,基于Euler梁计算的位移与基于Timoshenko梁理论构造的解析型单元计算的位移偏差可达到10.769%. 本文构造的单元满足了高精度、高效率的要求;该解析型梁单元可适用于浅梁分析,且不存在剪切闭锁的问题.

     

  • 图 1  梁及局部坐标系

    Figure 1.  Beam and the local coordinate system

    图 2  梁微段变形图

    Figure 2.  Deformation of beam micro segment

    图 3  梁构件

    Figure 3.  Beam

    表  1  悬臂梁端部位移计算结果对比

    Table  1.   Comparisons of end displacement for cantilever beam

    类型项目均布荷载右端集中力右端集中弯矩
    νB/(× 10–4 mm)θB/(× 10–4 °)νB/(× 10–4 mm)θB/(× 10–4 °)νB/(× 10–4 mm)θB/(× 10–4 °)
    深梁理论解0.601 0710.102 8570.269 6430.042 9430.214 2860.047 619
    Timoshenko梁单元插值形函数法0.559 7340.102 8560.246 6780.042 8570.204 2750.047 600
    相对误差/%6.8770.0018.5170.2004.6720.040
    解析形函数法0.601 0710.102 8570.269 6430.042 9430.214 2860.047 619
    相对误差/%000000
    Euler梁单元理论解0.347 1400.051 4290.214 2900.047 6190.214 2900.046 190
    偏差值/%42.24650.00020.52810.8890.0023.001
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    表  2  简支梁端部转角计算结果对比

    Table  2.   Comparisons of end bending angle for simply supported beam

    类型项目均布荷载右端集中力右端集中弯矩
    θA/(× 10–4 °)θB/(× 10–4 °)θA/(× 10–4 °)θB/(× 10–4 °)θA/(× 10–4 °)θB/(× 10–4 °)
    深梁理论解0.128 571–0.128 571–0.071 6490.166 4460.166 446–0.071 649
    Timoshenko梁单元插值形函数法0.128 571–0.128 571–0.085 8250.152 2700.152 270–0.085 825
    相对误差/%0019.7858.5168.51619.785
    解析形函数法0.128 571–0.128 571–0.071 6490.166 4460.166 446–0.071 649
    相对误差/%00000
    Euler梁单元理论解0.128 570–0.128 570–0.079 3650.158 7300.158 730–0.079 365
    偏差值/%0.0010.00110.7694.6364.63610.769
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-13
  • 修回日期:  2018-07-19
  • 网络出版日期:  2018-12-21
  • 刊出日期:  2019-06-01

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