Гибридные элементы в механике строятся на основе так
называемой дополнительной энергии [3]:
(1.3.1.6.1)
где: - энергия деформации
элемента, выраженная через внутренние силовые факторы, действующие в элементе;
- работа внутренних
силовых факторов на границе элемента.
Варьируемый потенциал имеет вид (сравните с
п. 1.1.1):
(1.3.1.6.2)
где: - работа заданных
внешних сил.
При этом в вариационном принципе для гибридных элементов варьируется как степени свободы (в общем случае - перемещения и углы поворота), так и внутренние силовые факторы.
Рассмотрим произвольную мембрану, расположенную в плоскости глобальной декартовой
системы координат
.
Пусть: - поле перемещений
мембраны;
- поле деформаций
мембраны;
- поле напряжений
мембраны.
Напряжения являются внутренними
силовыми факторами мембраны и связаны с деформациями
формулой:
(1.3.1.6.3)
где: - матрица упругости
для плоского напряженного состояния (см. п. 1.3.1.1).
Энергия деформации мембраны определяется формулой
(1.3.1.1.6):
(1.3.1.6.4)
где интегрирование ведется по поверхности мембраны (кроме
боковой поверхности); - толщина мембраны.
Воспользовавшись формулой (1.3.1.6.3), выразим энергию
деформации через внутренние
силовые факторы мембраны
:
(1.3.1.6.5)
Здесь мы воспользовались симметричностью матрицы упругости:
Рассмотрим элемент боковой поверхности с вектором внешней по
отношению к элементу нормали
(рис. 1.3.1.8).
Рис. 1.3.1.8
Единичный вектор направлен вдоль
элемента
в соответствии с обходом элемента против
часовой стрелки.
Элемент , где:
- длина элемента.
Тогда работа внутренних силовых факторов равна:
(1.3.1.6.6)
где интегрирование ведется по границе элемента ;
и
- компоненты
, действующие на элементе
вдоль нормали
и касательного вектора
соответственно.
Поэтому дополнительная энергия мембраны равна:
(1.3.1.6.7)
Полученные выражения для дополнительной энергии мембраны используются при построении различных типов гибридных элементов мембраны. Рассмотрим здесь простейший треугольный гибридный элемент мембраны, представляющий собой произвольный треугольник с тремя узлами в его вершинах (рис. 1.3.1.9).
Рис. 1.3.1.9
В каждом узле по две степени свободы - перемещения
вдоль осей
и
соответственно:
Вектор степеней свободы узла имеет две компоненты:
Вектор степеней свободы элемента имеет 3x3=9 компонент:
Для треугольного
элемента мембраны поле перемещений аппроксимируется по
узловым значениям
линейными по
полиномами (см. п. 1.3.1.2).
Поэтому поле деформаций , а с ним и поле напряжений
являются константными.
Поэтому потребуем, чтобы напряжения для треугольного
гибридного элемента мембраны также были постоянными.
Тогда энергия деформации (1.3.1.6.5) принимает вид:
(1.3.1.6.8)
где: - площадь
треугольника.
Рассмотрим теперь интеграл работы :
Представим его в виде суммы интегралов по трем ребрам элемента:
(1.3.1.6.9)
где: - длина ребра
(см. рис. 1.3.1.9):
Пусть: - угол между осью
и нормалью
.
- компоненты
симметричного тензора второго ранга в системе координат
, а
- компоненты того же
тензора в системе координат
, повернутой относительно
на угол
.
Закон преобразования компонент симметричного тензора второго ранга следующий:
(1.3.1.6.10)
Представим столбец для ребра
в виде:
(1.3.1.6.11)
С помощью (1.3.1.6.10) получим следующий вид матрицы
:
(1.3.1.6.12)
Представим столбец для ребра
в виде:
, где
(1.3.1.6.13)
Так как - компоненты вектора
, то закон преобразования при повороте на угол
следующий:
(1.3.1.6.14)
Кроме того, мы будем предполагать линейный закон изменения
перемещений вдоль каждого ребра :
(1.3.1.6.15)
где: - параметр, непрерывно
меняющийся вдоль ребра (в узле
, а в узле
).
С помощью формул (1.3.1.6.14) и (1.3.1.6.15) можно
получить следующий вид матрицы :
(1.3.1.6.16)
Тогда работа будет равна:
(1.3.1.6.17)
Здесь введена матрица:
(1.3.1.6.18)
так как:
Если - вектор степеней
свободы элемента, то сумму
можно представить в
виде:
Учитывая значения интегралов и тождество
, можно получить следующее выражение для матрицы
:
(1.3.1.6.19)
Учитывая формулы:
Найдем с помощью (1.3.1.6.19) матрицу :
(1.3.1.6.20)
Работа будет равна:
Поэтому окончательное выражение для дополнительной энергии следующее:
(1.3.1.6.21)
В соответствии с вариационным принципом для гибридных
элементов, зафиксируем вектор степеней свободы элемента и будем варьировать
, ища истинное значение вектора напряжений
:
или
(1.3.1.6.22)
Заметим, что из (1.3.1.6.22) следует:
(1.3.1.6.23)
где введена матрица жесткости гибридного элемента :
(1.3.1.6.24)
Из формулы (1.3.1.6.20) легко заметить, что матрица связана с матрицей
деформирования
(1.3.1.2.11) для
элемента мембраны из п. 1.3.1.2 формулой:
(1.3.1.6.25)
Поэтому окончательно матрица жесткости построенного
гибридного элемента равна:
(1.3.1.6.26)
т.е. полностью совпадает с матрицей жесткости элемента мембраны (1.3.1.2.13) из п. 1.3.1.2.
Полученное совпадение матрицы жесткости изопараметрического и гибридного треугольных элементов уже не имеет места при переходе к четырехугольному элементу. Этому вопросу посвящен следующий пункт 1.3.1.7.