结构力学-矩阵位移法课件.ppt
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- 结构 力学 矩阵 位移 课件
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1、结构力学学习内容学习内容有限单元法的基本概念,结构离散化。有限单元法的基本概念,结构离散化。 平面杆系结构的单元分析:局部坐标系下的单元刚平面杆系结构的单元分析:局部坐标系下的单元刚度矩阵和整体坐标系下的单元刚度矩阵。度矩阵和整体坐标系下的单元刚度矩阵。 平面杆系结构的整体分析:结构整体刚度矩阵和结平面杆系结构的整体分析:结构整体刚度矩阵和结构整体刚度方程。构整体刚度方程。 边界条件的处理,单元内力计算。边界条件的处理,单元内力计算。 利用对称性简化位移法计算。利用对称性简化位移法计算。 矩阵位移法的计算步骤和应用举例。矩阵位移法的计算步骤和应用举例。2学习目的和要求学习目的和要求 目的目的:
2、矩阵位移法是以计算机为计算工具的现代化结:矩阵位移法是以计算机为计算工具的现代化结构分析方法。基于该法的结构分析程序在结构设计中得到构分析方法。基于该法的结构分析程序在结构设计中得到了广泛的应用。因此,以计算机进行结构分析是本章的学了广泛的应用。因此,以计算机进行结构分析是本章的学习目的。习目的。 矩阵位移法是以位移法为理论基础,以矩阵为表现形矩阵位移法是以位移法为理论基础,以矩阵为表现形式,以计算机为运算工具的综合分析方法。引入矩阵运算式,以计算机为运算工具的综合分析方法。引入矩阵运算的目的是使计算过程程序化,便于计算机自动化处理。尽的目的是使计算过程程序化,便于计算机自动化处理。尽管矩阵位
3、移法运算模式呆板,过程繁杂,但这些正是计算管矩阵位移法运算模式呆板,过程繁杂,但这些正是计算机所需要的和十分容易解决的。矩阵位移法的特点是用机所需要的和十分容易解决的。矩阵位移法的特点是用“机算机算”代替代替“手算手算”。因此,学习本章是既要了解它与。因此,学习本章是既要了解它与位移法的共同点,更要了解它的一些新手法和新思想。位移法的共同点,更要了解它的一些新手法和新思想。3学习目的和要求学习目的和要求 要求要求:矩阵位移法包含两个基本环节:单元分析和整矩阵位移法包含两个基本环节:单元分析和整体分析。体分析。 在单元分析中,熟练掌握单元刚度矩阵和单元等效荷在单元分析中,熟练掌握单元刚度矩阵和单
4、元等效荷载的概念和形成。熟练掌握已知结点位移求单元杆端力的载的概念和形成。熟练掌握已知结点位移求单元杆端力的计算方法。计算方法。 在整体分析中,熟练掌握结构整体刚度矩阵元素的物在整体分析中,熟练掌握结构整体刚度矩阵元素的物理意义和集成过程,熟练掌握结构综合结点荷载的集成过理意义和集成过程,熟练掌握结构综合结点荷载的集成过程。掌握单元定位向量的建立,支撑条件的处理。程。掌握单元定位向量的建立,支撑条件的处理。 自由式单元的单元刚度矩阵不要求背记,但要领会其自由式单元的单元刚度矩阵不要求背记,但要领会其物理意义,并会有它推出特殊单元的单元刚度矩阵。物理意义,并会有它推出特殊单元的单元刚度矩阵。4矩
5、阵位移法矩阵位移法以传统的结构力学作为理论基础以传统的结构力学作为理论基础; ; 以矩阵作为数学表达形式以矩阵作为数学表达形式; ; 以电子计算机作为计算手段以电子计算机作为计算手段三位一体的解决各种杆系结构受力、变形等计算的方三位一体的解决各种杆系结构受力、变形等计算的方法。法。第一节第一节 矩阵位移法概述矩阵位移法概述 采用矩阵进行运算,不仅公式紧凑,而且形式统一,采用矩阵进行运算,不仅公式紧凑,而且形式统一,便于使计算过程规格化和程序化。这些正是适应了电便于使计算过程规格化和程序化。这些正是适应了电子计算机进行自动化计算的要求。子计算机进行自动化计算的要求。5第一节第一节 矩阵位移法概述
6、矩阵位移法概述 结构力学传统方法与结构矩阵分析方法,二者同源而有别结构力学传统方法与结构矩阵分析方法,二者同源而有别: 在原理上同源,在作法上有别在原理上同源,在作法上有别前者在前者在“手算手算”的年代形成,后者则着眼于的年代形成,后者则着眼于“电算电算”,计算,计算手段的不同,引起计算方法的差异。手段的不同,引起计算方法的差异。 与传统的力法、位移法相对应,在结构矩阵分析中也有矩阵力与传统的力法、位移法相对应,在结构矩阵分析中也有矩阵力法和矩阵位移法,或称柔度法与刚度法。矩阵位移法由于具有法和矩阵位移法,或称柔度法与刚度法。矩阵位移法由于具有易于实现计算过程程序化的优点而广为流传。易于实现计
7、算过程程序化的优点而广为流传。 矩阵位移法是有限元法的雏形,因此结构矩阵分析有时也称矩阵位移法是有限元法的雏形,因此结构矩阵分析有时也称为杆件结构的有限元法。在本章中将使用有限元法中的一些为杆件结构的有限元法。在本章中将使用有限元法中的一些术语和提法。术语和提法。61 1、矩阵位移法的基本思路、矩阵位移法的基本思路第一节第一节 矩阵位移法概述矩阵位移法概述 力力 法法 需要选择基本体系和多余约束。所以较多地依赖于结构的具需要选择基本体系和多余约束。所以较多地依赖于结构的具体情况,不宜实现计算机计算的自动化,但其优点是计算出体情况,不宜实现计算机计算的自动化,但其优点是计算出的结果就是力。的结果
8、就是力。位移法位移法 是先求结点位移,再换算成力,该法的计算自动化和通用性强,是先求结点位移,再换算成力,该法的计算自动化和通用性强,目前广为采用。目前广为采用。结构结点力结构结点力杆件杆端力杆件杆端力杆件端点位移杆件端点位移结构结点位移结构结点位移位移法位移法力力 法法位移法位移法与与力法力法之由于选取的基本未知量不同,因此计算次序不同之由于选取的基本未知量不同,因此计算次序不同a、方法的选择、方法的选择71 1、矩阵位移法的基本思路、矩阵位移法的基本思路第一节第一节 矩阵位移法概述矩阵位移法概述 b、基本假设和基本原理、基本假设和基本原理线弹性、小变形。满足叠加原理、功能原理线弹性、小变形
9、。满足叠加原理、功能原理c、正负号规定(采用右手法则)、正负号规定(采用右手法则)杆端内力杆端内力规定当与坐标轴正方向一致时为正;规定当与坐标轴正方向一致时为正;杆端位移和结点位移杆端位移和结点位移规定当与坐标轴正方向一致时为正。规定当与坐标轴正方向一致时为正。结点外力结点外力规定当与坐标轴正方向一致时为正;规定当与坐标轴正方向一致时为正;81 1、矩阵位移法的基本思路、矩阵位移法的基本思路第一节第一节 矩阵位移法概述矩阵位移法概述 化整为零化整为零(离散化、单元分析)(离散化、单元分析)集零为整集零为整(结点力平衡、位移协调)(结点力平衡、位移协调) 先把结构拆开,分解成若干个单元(在杆件结
10、构中,先把结构拆开,分解成若干个单元(在杆件结构中,一般把每个杆件取作一个单元),这个过程称作一般把每个杆件取作一个单元),这个过程称作离散化离散化。然后按单元力学性质对每个然后按单元力学性质对每个单元分析单元分析建立单元刚度方程,建立单元刚度方程,在满足变形条件和平衡条件的前提下,将这些单元集合成在满足变形条件和平衡条件的前提下,将这些单元集合成整体求解整体求解。在一分一合,先拆后搭的过程中,把复杂结构。在一分一合,先拆后搭的过程中,把复杂结构的计算问题转化为简单单元分析和集合问题。的计算问题转化为简单单元分析和集合问题。 矩阵位移法的要点矩阵位移法的要点 :92 2、单元划分、单元划分第一
11、节第一节 矩阵位移法概述矩阵位移法概述 化整为零化整为零在杆件结构矩阵分析中,一般在杆件结构矩阵分析中,一般是把杆件的转折点、汇交点、是把杆件的转折点、汇交点、边界点、突变点或集中荷载作边界点、突变点或集中荷载作用点等列为结点,结点之间的用点等列为结点,结点之间的杆件部分作为单元。杆件部分作为单元。102 2、单元划分、单元划分第一节第一节 矩阵位移法概述矩阵位移法概述 化整为零化整为零为了减少基本未知量的数目,跨为了减少基本未知量的数目,跨间集中荷载作用点可不作为结点,间集中荷载作用点可不作为结点,但要计算跨间荷载的等效结点荷但要计算跨间荷载的等效结点荷载;跨间结点也可不作为结点,载;跨间结
12、点也可不作为结点,但要推导相应的单元刚度矩阵,但要推导相应的单元刚度矩阵,编程序麻烦。编程序麻烦。11第二节第二节 单元分析(单元分析() 1 1、坐标系的选择、坐标系的选择: : 在矩阵位移法中采用两种坐标系:在矩阵位移法中采用两种坐标系: 局部坐标系局部坐标系和和整体坐标系整体坐标系。单元分析的目的是以结点位移为基本未知量,分析每个单元单元分析的目的是以结点位移为基本未知量,分析每个单元的结点力和结点位移及荷载之间的关系,即建立单元刚度方的结点力和结点位移及荷载之间的关系,即建立单元刚度方程,并用矩阵形式表示。程,并用矩阵形式表示。FPxyxyxy12第二节第二节 单元分析(单元分析()
13、2 2、局部坐标系中的单元刚度矩阵、局部坐标系中的单元刚度矩阵 采用局部坐标系(以杆的轴线作为采用局部坐标系(以杆的轴线作为x轴)时,杆端力及轴)时,杆端力及杆端位移的正方向以坐标轴正方向为正。杆端位移的正方向以坐标轴正方向为正。xy杆端位移:杆端位移:杆端内力:杆端内力:21,uu21,FF杆件方向:杆件方向:21 121u2ueF1eF2eEAl13第二节第二节 单元分析(单元分析() 2 2、局部坐标系中的单元刚度矩阵、局部坐标系中的单元刚度矩阵eeeulEAulEAF211eeeulEAulEAF212eeuulEAFF21211111 1111lEAke eeekF 121u1ulE
14、AeEA1ulEA 122ueEA2ulEA 2ulEA局部坐标局部坐标系下的单系下的单刚方程刚方程14第二节第二节 单元分析(单元分析() 2 2、局部坐标系中的单元刚度矩阵、局部坐标系中的单元刚度矩阵刚度刚度系数的物理意义系数的物理意义:单元刚度矩阵是杆端力与杆端位移之物理关系;单元刚度矩阵是杆端力与杆端位移之物理关系;矩阵的阶数与矩阵的阶数与杆杆端端位移分量数相等;位移分量数相等; 表示表示 引起的杆端力引起的杆端力 的的大小。大小。ijk1juiF 22211211 1111kkkklEAke15第二节第二节 单元分析(单元分析() 3 3、局部坐标系中的单元刚度矩阵性质、局部坐标系中
15、的单元刚度矩阵性质 22211211 1111kkkklEAke单刚一般具有奇异性单刚一般具有奇异性:单刚具有对称性单刚具有对称性:jiijkk eeTkk 由反力互等定理可知由反力互等定理可知受力角度:受力角度:存在刚体位移,杆端位移无法唯一确定存在刚体位移,杆端位移无法唯一确定数学角度:数学角度:向量相关,矩阵不可逆,行列式为零。向量相关,矩阵不可逆,行列式为零。16第二节第二节 单元分析(单元分析() 3 3、局部坐标系中的单元刚度矩阵性质、局部坐标系中的单元刚度矩阵性质与单元刚度方程相应的正、反两类问题为不平衡力系时,为不平衡力系时, 无解;无解; 为平衡力系时,为平衡力系时, 有无穷
16、多组解。有无穷多组解。为任何值时,为任何值时, 都有对应的唯一解,且都有对应的唯一解,且总是平衡力系。总是平衡力系。将单元视为两端自由的将单元视为两端自由的杆件,杆件, 直接加在自由直接加在自由端作为指定的杆端力。端作为指定的杆端力。将单元视为两端有人为将单元视为两端有人为约束控制的杆件。约束控制的杆件。 控制附加约束加以控制附加约束加以指定。指定。解的性质力学模型反问题正问题 e eF e eF eF e e eF eF e eF e 17第三节第三节 单元分析(单元分析() 1 1、单元坐标转换矩阵、单元坐标转换矩阵 同类单元在局部坐标系中具有相同的简洁形式。但不同同类单元在局部坐标系中具
17、有相同的简洁形式。但不同单元在复杂结构中方位不尽相同,在整体分析中,为使分量单元在复杂结构中方位不尽相同,在整体分析中,为使分量叠加方便,需选择一个统一公共坐标系叠加方便,需选择一个统一公共坐标系整体坐标系整体坐标系。按。按整体坐标系来建立各单元的刚度矩阵。整体坐标系来建立各单元的刚度矩阵。 局部坐标系局部坐标系整体坐标系整体坐标系18第三节第三节 单元分析(单元分析() 1 1、单元坐标转换矩阵、单元坐标转换矩阵xy整体坐标系下的分量整体坐标系下的分量局部坐标系下的分量局部坐标系下的分量12exy2u1u1u1v2u2v eeTeevuvuuu 2211210000 sincossincos
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