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Lecture Notes:  Introduction to Finite Element Method                                                 Chapter 6.  Solid Elements

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144

III Typical 3-D Solid Elements

Tetrahedron:

Hexahedron (brick):

Penta:

    Avoid using the linear (4-node) tetrahedron element in 3-D
stress analysis (Inaccurate!  But it is OK for dynamic analysis).

  

     linear (4 nodes)            quadratic (10 nodes)

                                                                                     

  

      linear (8 nodes)          quadratic (20 nodes)

         linear (6 nodes)            quadratic  (15 nodes)

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145

Element Formulation:

 

Linear Hexahedron Element

Displacement field in the element:

)

11

(

,

,

8

1

8

1

1

8

1

=

=

=

=

=

=

i

i

i

i

i

i

i

i

i

w

N

w

v

N

v

u

N

u

        

6

    

                                            5          

   y  8

 

    7

   2

                                                  1
                                        4     

        3

mapping (x

↔ξ

)

                       

               x                      (-1

 

ξ

,

η

,

ζ

 

 1)

                            z

      

η

 

           (-1,1,-1) 4                            3 (1,1,-1)

       

(-1,1,1) 8

    

 7  (1,1,1)

                  o                          

ξ

       

(-1,-1,-1)   1

          2 (1,-1,-1)

              (-1,-1,1) 5

       6 (1,-1,1)

                        

ζ

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146

Shape functions:

.

)

1

(

)

1

(

)

1

(

8

1

)

,

,

(

)

12

(

,

)

1

(

)

1

(

)

1

(

8

1

)

,

,

(

,

)

1

(

)

1

(

)

1

(

8

1

)

,

,

(

,

)

1

(

)

1

(

)

1

(

8

1

)

,

,

(

8

3

2

1

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

ζ

η

ξ

+

+

=

+

+

=

+

=

=

N

N

N

N

M

M

Note that we have the following relations for the shape
functions:

.

1

)

,

,

(

.

8

,

,

2

,

1

,

,

)

,

,

(

8

1

=

=

=

=

i

i

ij

j

j

j

i

N

j

i

N

ζ

η

ξ

δ

ζ

η

ξ

L

 Coordinate Transformation (Mapping):

)

13

(

.

,

,

8

1

8

1

8

1

=

=

=

=

=

=

i

i

i

i

i

i

i

i

i

z

N

z

y

N

y

x

N

x

The same shape functions are used as for the displacement

field.

 

Isoparametric element.

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147

Jacobian Matrix:

matrix

Jacobian

z

u

y

u

x

u

z

y

x

z

y

x

z

y

x

u

u

u

J





=





)

14

(

ζ

ζ

ζ

η

η

η

ξ

ξ

ξ

ζ

η

ξ

=





=





=

.

,

,

8

1

1

etc

u

N

u

u

u

u

z

u

y

u

x

u

i

i

i

ξ

ξ

ζ

η

ξ

J

and

)

15

(

,

1





=





ζ

η

ξ

v

v

v

z

v

y

v

x

v

J

also for w.

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148

where d is the nodal displacement vector,

i.e.,

)

16

(

d

B

å

=

                                       (6

×

1)   (6

×

24)

×

(24

×

1)

d

B

å

=

=

+

+

+

=

=

)

15

(

use

zx

yz

xy

z

y

x

x

w

z

u

z

v

y

w

y

u

x

x

z

w

y

v

x

u

L

γ

γ

γ

ε

ε

ε

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149

Strain energy,

)

17

(

2

1

2

1

)

(

2

1

2

1

d

B

E

B

d

å

E

å

å

E

å

å

ó





=

=

=

=

V

T

T

V

T

V

T

V

T

dV

dV

dV

dV

U

Element stiffness matrix,

)

18

(

=

V

T

dV

B

E

B

k

    (24

×

24)    (24

×

6)

×

(6

×

6)

×

(6

×

24)

In 

ξηζ

 coordinates:

)

19

(

)

det

(

ζ

η

ξ

d

d

d

dV

J

=

)

20

(

)

(det

1

1

1

1

1

1

∫ ∫ ∫

− − −

=

ζ

η

ξ

d

d

d

T

J

B

E

B

k

                 ( Numerical integration)

 

3-D elements usually do not use rotational DOFs.

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150

Loads:

    Distributed loads 

 Nodal forces

                   Area =A                          Nodal forces for 20-node

                                                                 Hexahedron

Stresses:

d

B

E

å

E

ó

=

=

Principal stresses:

.

,

,

3

2

1

σ

σ

σ

von Mises stress:

2

1

3

2

3

2

2

2

1

)

(

)

(

)

(

2

1

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

+

+

=

=

VM

e

.

Stresses are evaluated at selected points (including nodes)

on each element.  Averaging (around a node, for example) may
be employed to smooth the field.

Examples:  …

    

pA/3       pA/12

p