编写一个简单的有限元程序

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本章以一个简单的弹性力学问题——求解受均布载荷作用悬臂梁的应力分布为例，简单说明如何应用MATLAB编写有限元程序，完成力学计算分析。

10.1 用有限元求解问题的思路和步骤

10.1.1 总体思路

弹性力学的微分方程（组）是建立在一个连续的求解域上的，用有限元求解问题时，需要将求解域离散为有限个部分（图10-1）进行求解：离散后的每个小部分称为单元；每个单元由若干个节点连接而成；节点的位移构成单元的自由度；单元内的变形由节点位移通过一些假定的基函数来表达，这些基函数称为单元的形函数。

图 10-1 连续体离散过程示意图

根据有限元的理论，模型离散化后，以所有节点的位移为未知量，用能量最小原理最终可将离散模型问题转化为求解一个线性方程组：

Ke=F （10-1）

式中，K为有限元模型的总刚度矩阵；F为节点载荷向量；e为节点位移向量，是需要从方程中求解的。在求解出e后，可进一步得出应变和应力等。

10.1.2 求解步骤

以一个简单的弹性力学问题为例进行说明求解步骤。如图10-2所示平面悬臂梁模型，左端为固定端，上部受均布载荷q作用。求解x方向的正应力。

图 10-2 悬臂梁模型

有限元的具体实施过程如下。

（1）单元划分

将模型划分为若干个单元。本例中选用平面四节点矩形单元，将模型划分为四个单元，并给单元和节点编号，如图10-3所示。

图 10-3 有限元模型

（a）单元划分；（b）直角坐标系下单元示意；（c）正则坐标系下单元示意

平面四节点矩形单元的每个节点有两个自由度，因此该模型共有20个自由度。位移向量e和节点载荷向量F的维度为20×1，总刚度矩阵K的维度为20×20。

（2）确定位移向量和节点载荷向量

根据物理模型写出位移向量e和节点载荷向量F。对于本例，可知节点位移向量为

e=[e1 e2 … e20]T （10-2）

由于节点1和6固定，可确定e1、e2、e11、e12为0，其他自由度未知，需要求解。

节点载荷向量为

F=[p1 p2 … p20]T （10-3）

其中，p1、p2、p11、p12未知，剩余的分量中，p20=aq，p14=p16=p18=2aq，其他为0。

（3）求解单元刚度矩阵ke

平面四节点矩形单元有4个节点，8个自由度，因此ke的维度为8×8。根据有限元理论可知

其中

为单元的局部坐标；

为节点i在局部坐标系的坐标值。

对于平面应力问题

对于本例中的平面4节点单元，最终ke可表示为

其中kij是2×2的矩阵，具体形式为

（4）组装总体刚度矩阵K

根据有限元理论，刚度矩阵中的元素表示当节点发生单位位移时引起的节点力。在单刚ke中，kij表示j节点发生单位位移且其他节点位移为零时，单元在i节点引起的节点力。类似地，在总刚K中，Kij表示j节点发生单位位移且其他节点位移为零时，整体结构在i节点引起的节点力。由于结构已经被离散为若干个单元，该节点力为所有与i、j节点相关的单元在i节点引起的节点力之和。因此，总刚是由单刚按一定规则组装起来的。

根据有限元总刚组装规则，对前述问题的总刚进行计算。

已知总刚度矩阵K的维度是20×20，将其分成10×10的分块矩阵，每个分块矩阵为2×2，下面所有的操作均为对分块矩阵的操作。

首先组装单元1，此时的总刚度矩阵所有元素均为0。单元1的刚度矩阵为k1。单元1中四个节点依次对应整体模型的编号是1、2、7、6（按逆时针顺序）。将k1中分块矩阵的下标1、2、3、4依次用1、2、7、6代替，并叠加到K矩阵的对应标号的分块矩阵上。单元1组装完成后，再对单元2进行组装。前两个单元组装完成后的K如图10-4所示。

图 10-4 组装了两步的总刚

依次对所有单元完成组装，得到的K如图10-5所示。

图 10-5 总刚 K

（5）求解方程

组装完成后的K不是一个满秩矩阵，若不做处理，方程（10-1）没有唯一解。因此，在求解之前，需要将已知边界条件引入，以使K满秩。对于本问题，具体做法是：将K矩阵的第1、2、9、10行和列去掉，同时将e、F向量的第1、2、9、10行去掉，组成一个新的线性方程组

进行求解。线性方程组求解可用数值分析中的各种算法完成。

（6）后处理

后处理主要包括求应力、应变以及画图显示结果等。记任一单元8个自由度的位移向量为δe，则单元内任意一点的应变为

单元内任意一点的应力为

10.2 用 MATLAB 编写简单有限元程序

10.2.1 流程

根据上一节介绍的有限元的思路和步骤，可设计用Mablab编制有限程序的步骤如图10-6所示。具体实现过程为：首先输入模型参数，包括材料参数、外载荷，以及各单元的节点坐标及其在整体模型中的编号；然后依次计算各单元的单刚矩阵，并组合到总刚矩阵里；最后进行求解。

图 10-6 有限元程序的编写流程

10.2.2 算例实现

已知有一受均布载荷的悬臂梁，给定参数：l=8 m，h=2 m，b=0.2 m，E=3 GPa，μ=0.3，q= -1KN/m。编写有限元程序对问题进行分析。

（1）程序

先针对简单问题进行编程。假设将模型划分为4个单元。程序为：

%==================================================================% 
%% 文件名:FEM4element.m 
%% 功能:实现四边形单元计算受均布载荷悬臂梁 
%% 用到子函数 cal_K_e()和 cal_K() 
%==================================================================% 
clc 
clear all 
%% material parameters 
E = 3E9; %弹性模量 
nu = 0.3; %泊松比 
b = 0.2; %梁厚 
q = 1000; %均布载荷的大小 
n_no = 10; %节点个数 
Ne = 4; %单元个数 
ele = [1 2 7 6; 2 3 8 7; 3 4 9 8; 4 5 10 9]; %每个单元的节点编号 
x = [0 2 4 6 8 0 2 4 6 8]'; %每个节点的 x 坐标 
y = [0 0 0 0 0 2 2 2 2 2]'; %每个节点的 y 坐标 
%% load
F0 = zeros(2*n_no,1); 
F0([14 16 18]) = 2000; 
F0(20) = 1000; 
F0([1 2 11 12]) = nan; 
index = find(~isnan(F0)); 
%% displacment 
e0 = zeros(2*n_no,1); 
e0(index) = nan; 
K = zeros(2*n_no,2*n_no); 
for i = 1:Ne 
    k = cal_K_e(b,x(ele(i,:)),y(ele(i,:)), E, nu);%% 单刚 
    K = K   cal_K(n_no, ele(i,:), k); %% 总刚 
end 
 
%% 求解 
e0(index) = K(index,index)\F0(index); 
F = K*e0;  
 
D1 = E/(1-nu*nu)*[1 nu 0; nu 1 0; 0 0 (1-nu)/2]; 
B = 1/4*[-1 0 1 0 1 0 -1 0; 0 -1 0 -1 0 1 0 1; -1 -1 -1 1 1 1 1 -1]; 
%% stress strain
strain = B*e0([ele(:,1)*2-1 ele(:,1)*2 ele(:,2)*2-1 ele(:,2)*2 ... 
    ele(:,3)*2-1 ele(:,3)*2 ele(:,4)*2-1 ele(:,4)*2])'; 
stress = D1*B*e0([ele(:,1)*2-1 ele(:,1)*2 ele(:,2)*2-1 ele(:,2)*2 ... 
ele(:,3)*2-1 ele(:,3)*2 ele(:,4)*2-1 ele(:,4)*2])';  
 
%==================================================================% 
%% 文件名:cal_K_e.m 
%% 功能: 计算单个单元的刚度矩阵 
%==================================================================% 
function k = cal_K_e(h,x,y, E, nu) 
k = zeros(8,8); 
a = (x(2)-x(1))/2; 
b = (y(3)-y(1))/2;
l_x = [-1 1 1 -1]; 
l_y = [-1 -1 1 1];
for i = 1:4 
    for j = 1:4 
        k(2*i-1:2*i,2*j-1:2*j) = [b/a*(1 1/3*l_y(i)*l_y(j))*l_x(i)* 
l_x(j)  ... 
            
a/b*(1-nu)/2*(1 l_x(i)*l_x(j)/3)*l_y(i)*l_y(j),nu*l_x(i)*l_y(j)... 
            
 (1-nu)/2*l_y(i)*l_x(j);nu*l_y(i)*l_x(j) (1-nu)/2*l_x(i)*l_y(j),... 
            a/b*(1 1/3*l_x(i)*l_x(j))*l_y(i)*l_y(j)  ... 
            b/a*(1-nu)/2*(1 l_y(i)*l_y(j)/3)*l_x(i)*l_x(j)]; 
    end 
end 
 
k = h*E/(4*(1-nu^2))*k; 
end 
 
%==================================================================% 
%% 文件名:cal_K.m 
%% 功能:实现各个单元刚度矩阵的组装 
%==================================================================% 
% 
function K = cal_K(n_no,ele,k) 
K = zeros(2*n_no,2*n_no);

DOF = [2*ele(1)-1:2*ele(1), 2*ele(2)-1:2*ele(2), 2*ele(3)-1:2*ele(3), 
2*ele(4)-1:2*ele(4)]; 
    for n1 = 1:8 
        for n2 = 1:8             
            K(DOF(n1),DOF(n2)) = K(DOF(n1),DOF(n2)) k(n1,n2); 
        end 
    end 
end 
%%

其中cal_K_e()为计算单刚的函数，计算结果如下。