理论教育 杆系结构有限元:单元刚度矩阵

杆系结构有限元:单元刚度矩阵

时间:2023-08-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:由式(5.9),按逆步变换原理,有:若单元弹性部分的单刚为,即:由式(5.9)和式,有以下变换成立:则可表达出带刚域杆元的单刚矩阵:刚域长度刚域长度随着单元材料、截面特征、结点构造、梁柱刚柱比等的变化,皆会有所不同,需要依据结点区域的变形和受力特征进行判断。

杆系结构有限元:单元刚度矩阵

由式(5.9),按逆步变换原理,有:

单元弹性部分的单刚为,即:

由式(5.9)和式(5.11),有以下变换成立:

则可表达出带刚域杆元的单刚矩阵

【说明】

(1)刚域长度

刚域长度随着单元材料、截面特征、结点构造、梁柱刚柱比等的变化,皆会有所不同,需要依据结点区域的变形和受力特征进行判断。本书未过多地涉及材料和截面构造,故不对刚域长度确定方式作进一步讨论。读者在练习时,可将刚域长度简化设置为结点区域的长度,或依据相关规范的建议选取。

(2)等效荷载

根据带刚域单元的变形特征,截面的位移插值函数应分3段分别描述,即两端刚性段和中间弹性段。等效结点荷载的计算原则上应由弹性段分布荷载等效至弹性段杆端,再等效变换至结点。考虑到刚域长度通常不大,故在荷载等效变换时亦可不计刚域的影响;若刚域尺度影响较大,需要进一步精确计算时,则可根据广义坐标变换进行。

(3)输出杆端力(www.daowen.com)

杆件截面设计时,弹性端的杆端力才有实际的意义,而上述分析中,结点未知量选择在刚性端,故还应对整体分析取得的位移向量进行进行广义坐标变换,以取得弹性端的位移向量,并据弹性端的刚度矩阵计算杆端力。

【程序实现】

(1)根据刚域长度,修正弹性部分杆元长度:l0=l-a-b,并据此计算出弹性部分单刚

(2)确定几何变换矩阵Ta

(3)根据式(5.12):,计算带刚域杆元的单刚矩阵。

除输入语句外,单刚子程序中相应的修改如下:

(4)输出杆端力的程序实现(D_NOD为结点位移向量,S为单元传送矩阵)

以上两语句分别为刚性端杆端力和弹性端杆端力计算的程序实现,读者可比较二者的差异。

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