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:
由对称性,取1/4模型如下:

此问题的控制方程为:
其中,

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:
Materials->Blank Material添加空材料
在Material
Properties中选择添加泊松比和杨氏模量属性,输入参数如下:

在
Solid Mechanics (solid)设置中,选择如下:
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:

划分网格,计算。
计算结果:
COMSOL的PDE方式求解
建模:
2D->Mathematics-> PDEInterfaces->General Form PDE
(g)

两个变量
u1和
u2分别表示
x及
y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:

定义材料属性,
Global
Definitions->Parameters

General Form PDE 1中定义方程:

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:

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:

选择几何下边界,设置如下:

画网格,计算。
计算结果:

作图设置:

其中,表面作图的物理量von Mises stress表达式为:

Deformation 1的表达式为:
COMSOL的弱形式求解
控制方程可写为
:

其中,

三个应力变量写成竖矩阵,与应变的关系:

应变:

弹性张量矩阵:

写成积分式,加入试函数:

由于

对积分式分步积分得:
又由Gauss公式得:
