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二维弹性形变问题的几种解法(PDE)

2016-09-07 11:08阅读:
考虑二维静力平衡问题,一块平板中间带圆形孔,左右两边受力的作用:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
​​由对称性,取1/4模型如下:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
此问题的控制方程为:

二维弹性形变问题的几种解法(PDE)

其中,
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
其中的u_1和u_2分别是水平及垂直位移(设为自变量),σ_x和σ_y是正应力,τ_xy是剪切应力,E和µ分别是杨氏模量及泊松比。计算中,取E=2e11,µ=0.3。
COMSOL的Solid Mechanics模块求解
建模:2D->Structural Mechanics->SolidMechanics (solid)
Study->Stationary
建立几何模型:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
Materials->Blank Material添加空材料
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
Material Properties中选择添加泊松比和杨氏模量属性,输入参数如下:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
Solid Mechanics (solid)设置中,选择如下:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)

表明厚度方向没有应力。
Solid Mechanics->More constraints->Symmetry添加对称边界条件,选中左侧边及底边。
Solid Mechanics->Boundary Load添加边界载荷,选中右侧边,设置向右的力:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
划分网格,计算。
计算结果:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
COMSOLPDE方式求解
建模:2D->Mathematics-> PDEInterfaces->General Form PDE (g)

二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
两个变量u1u2分别表示xy方向位移,Dependentvariable quantity->Displacement field (m)表示变量对应的物理量是位移,Source term quantity->Force density (N/m^3)表示外部载荷是力密度。
Study->Stationary
建立几何模型:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
定义材料属性,Global Definitions->Parameters

二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
General Form PDE 1中定义方程:

二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
添加外部力载荷:General Form PDE(g)->Flux/Source 1
选择几何右边界,定义向右的力:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
左边界及下边界为对称边界,即n·u=0
添加边界条件:General Form PDE (g)->DirichletBoundary Condition,添加两条
选择几何左边界,设置如下:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
选择几何下边界,设置如下:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
画网格,计算。
计算结果:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
作图设置:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
其中,表面作图的物理量von Mises stress表达式为:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
Deformation 1的表达式为:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
COMSOL的弱形式求解
控制方程可写为​:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
其中,
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
三个应力变量写成竖矩阵,与应变的关系:

二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
应变:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
​弹性张量矩阵:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
写成积分式,加入试函数:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
由于
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
​对积分式分步积分得:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)
​又由Gauss公式得:
二维弹性形变问题的几种解法(PDE)

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