Рассмотрим для общности трехмерную модель тела. Пусть мы
провели дискретизацию тела на трехмерные конечные элементы. В пределах каждого
конечного элемента, в соответствии с п. 1.1.3., искомое поле перемещений :
аппроксимируется по своим значениям в узлах элемента с
помощью функций формы элемента
:
(1.1.4.1)
Тогда вектор деформации , определяемый через перемещения по формуле (1.1.1.4), будет
иметь следующую аппроксимацию (см. п.
1.1.1):
(1.1.4.2)
Здесь: - вектор степеней
свободы элемента (3xn компонент);
- матрица
деформирования элемента.
Итак, согласно (1.1.4.2), вектор деформации аппроксимируется
в пределах конечного элемента с помощью матрицы деформирования и вектора степеней
свободы элемента
.
Как мы знаем из п. 1.1.1, энергия деформации упругого тела определяется формулой
(1.1.1.10):
(1.1.4.3)
где: - 6-и компонентный
вектор деформации (1.1.1.4);
- матрица упругости
однородной изотропной среды.
Интегрирование ведется по объему тела.
Тогда в силу аддитивности интеграла энергия деформации тела равна сумме энергий
деформации элементов
, на которые разбито тело:
(1.1.4.4)
С помощью (1.1.4.2) получим :
(1.1.4.5)
где: - матрица жесткости
элемента.
Матрица жесткости элемента является важнейшим понятием в приложении МКЭ в механике.
Так как полученная здесь формула для матрицы жесткости является общей, выпишем ее еще раз:
(1.1.4.6)
Матрица жесткости имеет размерность
, где
- число степеней свободы
конечного элемента.
Матрица - есть матрица
деформирования элемента.
Собственно говоря, конечный элемент можно считать построенным, если построена его матрица жесткости.
Пусть: - силы, действующие в
узлах конечного элемента.
Тогда работа этих сил на узловых перемещениях, в соответствии с определением работы в механике, равна:
(1.1.4.7)
где:
Как следует из принципа Лагранжа, конечный элемент будет
характеризоваться потенциалом :
(1.1.4.8)
С помощью (1.1.4.5) и (1.1.4.7) получим:
(1.1.4.9)
Видим что - есть просто функция
от
, так что первая вариация
будет просто равна
дифференциалу
В соответствии с принципом Лагранжа первая вариация , а значит и дифференциал
равны нулю.
Но равенство нулю дифференциала функции возможно тогда, когда равны нулю все ее первые производные, т.е. уравнение Лагранжа для МКЭ в механике примет вид:
(1.1.4.10)
В результате мы получили уравнения равновесия конечного
элемента, представляющие собой систему неоднородных линейных алгебраических
уравнений относительно неизвестного вектора степеней свободы элемента :
(1.1.4.11)
Итак, мы нашли, что узловые силы и узловые перемещения
конечного элемента
связаны между собой с помощью матрицы жесткости элемента
.
Этим и определяется особое значение матрицы жесткости конечного элемента.
Заметим, что из формулы (1.1.4.6), определяющей матрицу жесткости элемента, следует ее симметричность:
(для любой пары
индексов
и
).
Кроме того, так как энергия деформации элемента всегда положительна и
равна нулю только при отсутствии деформаций, то из (1.1.4.5) следует, что
матрица жесткости элемента
положительно
определенная.
Этими двумя свойствами исчерпываются основные свойства матрицы жесткости элемента.