桥梁结构有限元分析中,当单元划分较密,即单元长度较短时,剪切变形的影响是否会加大
题主的这个问题实际上问得有点纰漏,我想,应该先来澄清一些概念,之后,问题不言自明。以下示均布荷载作用的悬臂梁为例:
取
,并令
,直接给出位移分布结果:
中括号里两部分,第一部分是弯曲位移,第二部分是剪切位移。现在我们再抛出两种问题:(1)短粗梁比细长梁剪切效应明显:这实际上是指
越大,剪切位移部分就越明显,这从上面的位移表达中也可以明显看出。(2)如题主所说的“单元长度较短时,剪切变形的影响是否会加大”:假定我们把以上的悬臂梁等分成
个单元,作为一个典型,我们考察最左边的一个单元(靠近固定端)的右节点处的位移,即
处的位移;实际上,随着
的增大,该位移中弯曲与剪切部分之间进行比较,就是在阐述“单元长度较短时,剪切变形的影响是否会加大”。那么就可以直面问题了:(A)当我们认定该梁是细长梁时,会直接采用Euler-Bernouli模型,即直接粗暴令
,那就没啥好说的了;(B)如果我们就采用Timoshenko模型,即
取为有限值,随着
,易见弯曲位移部分是剪切位移部分的高阶无穷小。这点其实很好理解:本构层面上,弯矩线性地决定曲率,而曲率是与位移的二阶导数相关的;剪力决定剪应变,而剪应变是与位移的一阶导数相关的;此即
的弯曲部分为
的二阶及更高阶量,剪切部分为
的一阶及更高阶量的原因的定性解释。该问题实际上还涉及到一个另外的问题:针对低阶Timoshenko单元的剪切闭锁问题,我们想到:一方面梁变得越来越细长,即
不断减小;一方面单元划分越来越密;这分别都意味着什么?在单元层面,我们关注的单元高长比实际上是
;实际上,
是消除剪切剪切效应的罚因子。或者,用不甚严谨的说法:单元高长比越大,剪切效应越显著。但是我们必须意识到,
不仅与结构外形参数
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