u4 )يعيبط تبصتخم( x يطخ يعبرم نبملا x3 y3 2h y, v يعيبط
TRANSCRIPT
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 1
x, u
y, v
1 (x1, y1)
(u1, v1)
2 (x2, y2)
(u2, v2)
3 (x3, y3)
(u3, v3)
2b
4 (x4, y4)
(u4, v4)
2h
1 (1, 1)
(u1, v1)
2 (1, 1)
(u2, v2)
3 (1, +1)
(u3, v3) 4 (1, +1)
(u4, v4)
( , ) ( , )x y x yu N d 31 2 4
31 2 4
Node 2 Node 3Node 1 Node 4
00 0 0
00 0 0
NN N N
NN N N
Nwhere
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
توابع شكل المبن مربعي در دستگبه مختصبت طبيعي
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 2
)1)(1(
)1)(1(
)1)(1(
)1)(1(
41
4
41
3
41
2
41
1
N
N
N
N
113 4at node 11
113 4at node 2
1
113 4at node 31
113 4at node 4
1
(1 )(1 ) 0
(1 )(1 ) 0
(1 )(1 ) 1
(1 )(1 ) 0
N
N
N
N
Delta function
property
4
1 2 3 4
1
14
14
[(1 )(1 ) (1 )(1 ) (1 )(1 ) (1 )(1 )]
[2(1 ) 2(1 )] 1
i
i
N N N N N
Partition of unity
1 (1, 1)
(u1, v1)
2 (1, 1)
(u2, v2)
3 (1, +1)
(u3, v3) 4 (1, +1)
(u4, v4)
( )( )1j j j4
N 1 1
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
توابع شكل المبن مربعي در دستگبه مختصبت طبيعي
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 3
Rectangular elements have limited application
Quadrilateral elements with unparallel edges are more useful
Irregular shape requires coordinate mapping before using
Gauss integration
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
به دستگبه مختصبت طبيعي (x,y)انتقبل از دستگبه مختصبت
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 4
Coordinate mapping
2 (x2, y2)
y
x 1 (1, 1) 2 (1, 1)
3 (1, +1) 4 (1, +1)
3 (x3, y3) 4 (x4, y4)
1 (x1, y1)
Physical coordinates Natural coordinates
( , ) ( , ) u N d (Interpolation of displacements)
( , ) ( , ) e X N x (Interpolation of coordinates)
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
به دستگبه مختصبت طبيعي (x,y)انتقبل از دستگبه مختصبت
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 5
( , ) ( , ) e X N x
where x
y
X ,
1
1
2
2
3
3
4
4
coordinate at node 1
coordinate at node 2
coordinate at node 3
coordinate at node 4
e
x
y
x
y
x
y
x
y
x
)1)(1(
)1)(1(
)1)(1(
)1)(1(
41
4
41
3
41
2
41
1
N
N
N
N
ii
i
xNx ),(4
1
ii
i
yNy ),(4
1
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
به دستگبه مختصبت طبيعي (x,y)انتقبل از دستگبه مختصبت
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 6
Substitute x = 1 into ii
i
xNx ),(4
1
2 (x2, y2)
y
x 1 (1, 1) 2 (1, 1)
3 (1, +1) 4 (1, +1)
3 (x3, y3) 4 (x4, y4)
1 (x1, y1)
1 12 32 2
1 12 32 2
(1 ) (1 )
(1 ) (1 )
x x x
y y y
or
)()(
)()(
2321
3221
2321
3221
yyyyy
xxxxx
Eliminating , 3 2 1 12 3 2 32 2
3 2
( ){ ( )} ( )
( )
y yy x x x y y
x x
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
به دستگبه مختصبت طبيعي (x,y)انتقبل از دستگبه مختصبت
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 7
Remarks
Shape functions used for interpolating the coordinates are
the same as the shape functions used for interpolation of
the displacement field. Therefore, the element is called an
isoparametric element.
Note that the shape functions for coordinate interpolation
and displacement interpolation do not have to be the same.
Using the different shape functions for coordinate
interpolation and displacement interpolation, respectively,
will lead to the development of so-called subparametric or
superparametric elements.
(مختصبت طبيعي) المبن مربعي خطي
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود
,
, centroid
c
c
c c
x x b ξ
y y h η
Nodes are at 1 1 in ξ - η space
x y
8
1 2
3 4
x
h
x = +1 x = -1
h = +1
h= -1
Parent Element
Natural Coordinates x-h
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 9
( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )
( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )
1 2 3 4
5 6 7 8
1 2 3 4
1 2 3 4
x = a +a ξ +a η+a ξη
y = a +a ξ +a η+a ξη
1x = 1- ξ 1- η x + 1+ξ 1- η x + 1+ξ 1+η x + 1- ξ 1+η x
4
1y = 1- ξ 1- η y + 1+ξ 1- η y + 1+ξ 1+η y + 1- ξ 1+η y
4
1
1
2
1 2 3 4 2
1 2 3 4 3
3
4
4
x
y
x
N 0 N 0 N 0 N 0 yx
0 N 0 N 0 N 0 N xy
y
x
y
( )( )
( )( )
( )( )
( )( )
1
2
3
4
1- ξ 1- ηN
4
1+ξ 1- ηN
4
1+ξ 1+ηN
4
1- ξ 1+ηN
4
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 10
1
1
2
1 2 3 4 2
1 2 3 4 3
3
4
4
u
v
u
N 0 N 0 N 0 N 0 vu
0 N 0 N 0 N 0 N uv
v
u
v
x
y
xy
u
x
v
y
u v
y x
Bd
x
y
xy
0x
u0
vy
y x
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 11
Coordinate transformation is unique and invertible.
( , ) ( , )
( , ) ( , )
x x ξ η ξ ξ x y
y y ξ η η η x y
Chain Rule:
f f x f y
ξ x ξ y ξ
f f x f y
η x η y η
Jacobian matrix: x y
ξ ξ
x y
J
y
f
x
f
yx
yx
f
f
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 12
y
f
x
f
Jf
f
f
f
J
y
f
x
f
1
2221
1211][
JJ
JJ
yx
yx
J
1 y y
x J
1 x x
y J
x
y
xy
y y0
u1 x x0
vJ
x x y y
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 13
y y0
1 x x0
J
x x y y
DNd
D
ε
3 8 3 2 2 8
B D N
( )( ) ( )( )
+( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
1 2
3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1- ξ 1- η x + 1+ξ 1- η x1x =
1+ξ 1+η x + 1- ξ 1+η x4
x 11- η x 1- η x 1+η x 1+η x
ξ 4
x 11- ξ x 1+ξ x 1+ξ x 1- ξ x
η 4
( )( ) ( )( )
( )( ) ( )( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
1 2
3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1- ξ 1- η y + 1+ξ 1- η y1y =
+ 1+ξ 1+η y + 1- ξ 1+η y4
y 11- η y 1- η y 1+η y 1+η y
ξ 4
y 11- ξ y 1+ξ y 1+ξ y 1- ξ y
η 4
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 14
,T
c c
0 1 η η 1
η 1 0 1 t1X Y
η 1 0 η 18
1 η η 1 0
J
1 1
2 2
c c
3 3
4 4
x y
x yX Y
x y
x y
, ,
, ,
, , , ,
( , ) 1 2 3 4
i i η
i i η i
i η i i i η
1B η B B B B
a N b N 0
B 0 c N d N
c N d N a N b N
J
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 15
, ,
, ,
, ,
, ,
1 11 1 η
2 22 2 η
3 33 3 η
4 44 4 η
1 1 η η 1 1 1 1N NN N
4 4 η 4 4
1 1 η 1 η 1 1 1N NN N
4 4 η 4 4
1 1 η 1 η 1 1 1N NN N
4 4 η 4 4
1 1 η 1 η 1 1 1N NN N
4 4 η 4 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
a 1 4 y 1 y 1 y 1 y 1
b 1 4 y η 1 y 1 η y η 1 y 1 η
c 1 4 x η 1 x 1 η x η 1 x 1 η
d 1 4 x 1 x 1 x 1 x 1
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 16
1 1
T
b b
-1 -1
T
sL
= t d dη
= T t dL
f
f
N X J
N J
T
A
A A
1 1
T
-1 -1
=
=
=
t dxdy
f(x, y)dxdy f(ξ,η) dξdη
t dξdη
k B EB
J
k B EB J
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 17
Gauss integration
For evaluation of integrals in k (in practice)
In 1 direction: )()d(1
1
1jj
m
j
fwfI
m gauss points gives exact solution of polynomial
integrand of n = 2m - 1
1 1
1 11 1
( , )d d ( , )yx
nn
i j i j
i j
I f w w f
In 2 directions:
استخراج مبتريس سختي المبن ايسوپبرامتريك
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 18
المبن مربعي درجه دو
Quadratic Quadrilateral Element (Q8)
This is the most widely used element for 2-D problems due
to its high accuracy in analysis and flexibility in modeling.
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 19
In the natural coordinate system (x,h), the eight shape functions are,
),(),( iii GFN
),( iF Give a value of zero along the sides of the element
That the given node does not contact
),( iGSelect such that when multiply by Fi, it will produce A value of
unity at node i and a value of zero at other neighboring nodes.
Example: Consider N3
)1)(1(),(3 F
3213 ),( cccG
1)1,1()1,1()1,1(; 0)1,0(; 0)0,1( 33333 GFNGG
المبن مربعي درجه دو
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 20
1)(41)1,1(
00)1,0(
00)0,1(
3213
313
213
cccN
ccG
ccG
4/1
4/1
4/1
3
2
1
c
c
c
)1)(1)(1(4
13 N
المبن مربعي درجه دو
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 21
In the natural coordinate system (x,h),
the eight shape functions are,
المبن مربعي درجه دو
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 22
at any point inside the element:
The displacement field is given by:
which are quadratic functions over the element. Strains and
stresses over a quadratic quadrilateral element are linear
functions, which are better representations.
المبن مربعي درجه دو
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 23
Q4 and T3 are usually used together in a mesh with linear
elements.
Notes:
Q8 and T6 are usually applied in a mesh composed of quadratic
elements.
Quadratic elements are preferred for stress analysis, because of
their high accuracy and the flexibility in modeling complex
geometry, such as curved boundaries.
المبن مربعي درجه دو
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 24
محبسبه تنش در المبن
The stress in an element is determined by the following relation,
where B is the strain-nodal displacement matrix and d is the nodal
displacement vector which is known for each element once the
global FE equation has been solved.
Stresses can be evaluated at any point inside the element (such as the
center) or at the nodes. Contour plots are usually used in FEA
software packages (during post-process) for users to visually inspect
the stress results.
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 25
The von Mises stress is the effective or equivalent stress for 2-D
and 3-D stress analysis. For a ductile material, the stress level is
considered to be safe, if
where is the von Mises stress and the yield stress of the
material. This is a generalization of the 1-D (experimental) result
to 2-D and 3-D situations.
The von Mises stress is defined by
in which and are the three principle stresses at the
considered point in a structure.
محبسبه تنش در المبن
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 26
The von Mises stress is the effective or equivalent stress for 2-D
and 3-D stress analysis. For a ductile material, the stress level is
considered to be safe, if
where is the von Mises stress and the yield stress of the
material. This is a generalization of the 1-D (experimental) result
to 2-D and 3-D situations.
The von Mises stress is defined by
in which and are the three principle stresses at the
considered point in a structure.
محبسبه تنش در المبن
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 27
For 2-D problems, the two principle stresses in the plane are
determined by
Thus, we can also express the von Mises stress in terms of the
stress components in the xy coordinate system. For plane stress
conditions, we have,
Averaged Stresses:
Stresses are usually averaged at nodes in FEA software packages to
provide more accurate stress values. This option should be turned
off at nodes between two materials or other geometry discontinuity
locations where stress discontinuity does exist.
محبسبه تنش در المبن
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 28
.يك صفحه مربعي بب سوراخ دايره اي كه تحت تنش فشبري قرار گرفته است: مثبل
The dimension of the plate is 10 in. x 10 in., thickness is 0.1 in. and radius of the hole is 1 in. Assume E = 10x106 psi, n= 0.3
and p = 100 psi. Find the maximum stress in the plate.
ايمحبسبه تنش در يك مسئله تنش صفحه
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 29
.يك صفحه مربعي بب سوراخ دايره اي كه تحت تنش فشبري قرار گرفته است: مثبلFrom the knowledge of stress concentrations, we should expect the
maximum stresses occur at points A and B on the edge of the hole.
Value of this stress should be around 3p (= 300 psi) which is the
exact solution for an infinitely large plate with a hole.
ايمحبسبه تنش در يك مسئله تنش صفحه
دانشكده مكانيك -دانشگاه صنعتي اصفهان روش اجزاي محدود 30
.يك صفحه مربعي بب سوراخ دايره اي كه تحت تنش فشبري قرار گرفته است: مثبل
FEA Mesh (Q8, 493 elements) FEA Stress Plot (Q8, 493 elements)
ايمحبسبه تنش در يك مسئله تنش صفحه