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、第九章 矩阵位移法 9-1 单元分析 9-2 连续梁整体分析 9-3 平面刚架整体分析9-1 单元分析一、概述 矩阵位移法的特点:本质是位移法,数学推导采用矩阵方法,实际计算采用电子计算机。三者有机结合,使力学学科发生了革命性的变化。可轻松分析大型结构问题。杆系结构的矩阵位移法是以杆件为单元,以结构的结点位移作为基本未知量,导入矩阵运算,用计算机求解的方法。qABCllEIEIBAC与位移法区别:单元标准化,远端固端。二、结构离散化 用矩阵位移法求解,首先要将结构离散成单元和结点的组合体系。具体做法就是对结构进行结点编号和单元编号。离散化的关键确定结构的全部结点。因为单元两端是结点,单元与单元
2、、单元与支座均通过结点相连。确定了结构的全部结点,即确定了单元的划分。在杆系结构中,杆件的连结点、支座结点、截面突变点(以及荷载作用点)等均可取作结点。1234 结点编号:1,2,3,n曲杆可用多段直杆近似代替(以直代曲)。进行结点编号时,要尽量使单元两端结点编号的差值最小。1234 5123467 1234567 单元编号:,m12xyxye三、单元杆端力和杆端位移的坐标变换1坐标系 结构整体分析 整体坐标系xy1234 xyyx坐标轴遵循右手法则,即从x()轴正方向顺时针转 90得到y()轴正方向。x y单元分析局部坐标系单元始端指向末端的方向就是 轴的正方向x 12eeeMFM 12ee
3、e连续梁单元的杆端没有线位移。2.单元杆端力和杆端位移1)连续梁单元121eM2eM1e2eeqABCllEIEIBAC2)平面刚架单元2xyxy11eu1ev1eu1ev121e1e单元杆端位移1eyF1exF2xyxy1单元杆端力1eyF1exF1eM1eMee1234 xy单元局部坐标系结构整体坐标系 111222eeeeeeeuvuv 111222exeyeeexeyeFFMFFFM 111222eeeeeeeuvuv 111222exeyeeexeyeFFMFFFM 以上杆端力和杆端位移中,下标1表示单元的始端,下标2表示单元的末端。单元局部坐标系结构整体坐标系在单元局部坐标系中,;
4、位移对单元杆端力无贡献。120,0eeyyFF12eevv和3)桁架单元 1122exeeyexeyFFFFF 1122eeeeeuvuv 1122eeeeeuvuv 1122exeyeexeyFFFFF1111222,eeeeeeexyxyFFuvFFuve212122,eeeeeMMMMeee121,以上杆端力和杆端线位移与相应的坐标轴正方向一致为正,相反为负。以上杆端力矩和杆端转角均以顺时针方向为正,逆时针方向为负。4)单元杆端力和杆端位移的正负号11122222,eeeeeeeexyxyFFuvFFuv3.单元坐标转换矩阵12xyxye 角:由整体坐标系的x轴顺时针转到单元局部坐标系
5、轴的正方向所形成的夹角,如下图示。x1111111122222222cossinsincoscossinsincoseeexxyeeeyxyeeeeexxyeeeyxyeeFFFFFFMMFFFFFFMM 对于平面刚架单元,用整体坐标系中的杆端力来表示单元局部坐标系中的杆端力,得到:1exF1cosexF1sinexF1eyF1sineyF1coseyF12xyxy1eyF1exFe1eyF1exF1eM1eM写成矩阵形式即 eeFTF111111222222cossin0000sincos0000001000000cossin0000sincos0000001eexxeeyyeeeexxee
6、yyeeFFFFMMFFFFMMcossin0000sincos0000001000 000cossin0000sincos0000001T同理有 。T 称为单元坐标转换矩阵。eeTT eeFTFT eeT 对于平面桁架单元,其单元坐标转换矩阵为:cossin00sincos00 00cossin00sincosT 坐标转换矩阵T是正交矩阵,即矩阵任意两行或两列元素对应乘积之和等于零。如果用局部坐标系中的单元杆端力来表示整体坐标系中的杆端力,就可以得出:同理T1TT四、单元刚度矩阵由单元杆端位移求单元杆端力时所建立的关系式称为单元刚度方程。eeeFk 单元局部坐标系中,。eeeFk 结构整体坐
7、标系中,。eekk和 在上面两式中,分别称为局部坐标系及整体坐标系中的单元刚度矩阵。ek ek ek 通常总是先求出局部坐标系中的单元刚度矩阵 ,然后利用 推得整体坐标系中的单元刚度矩阵 。eekk下面讨论 和 之间的转换关系。T eeFTF将代入 得到:eeT 因为 ,于是得到:比较式、,有:T eeeFTkT eeeFTkTT eekTkT 下面讨论如何求局部坐标系中的单元刚度矩阵。1平面刚架单元ek ek 为了推导 中各元素,采用单位位移法:即在单元的六个杆端位移中,每次只令一个杆端位移为1,其余杆端位移为0。为此,在单元两端就必须施加一组杆端力,这一组杆端力就构成了 的一列元素。12E
8、I lyex1312eyEIFl2312eyEIFl 126eEIMl226eEIMl11ev 12EI lyex11e126eyEIFl226eyEIFl 14eEIMl22eEIMl12EA leyx1/exFEA l2/exFEA l 11eu12EI leyx1312eyEIFl 2312eyEIFl126eEIMl226eEIMl21ev 12EI leyx1/exFEA l 2/exFEA l21eu 12EI lyex126eyEIFl226eyEIFl 12eEIMl24eEIMl21e20 由上面六个图中的杆端力就可以写出局部坐标系中单元杆端力和杆端位移之间的刚度方程:113
9、232112212223232222000012612600646200000012612600626400eexeyeexyeEAEAllEIEIEIEIFullllFvEIEIEIEIMllllEAEAFllFEIEIEIEIMllllEIEIEIEIllll1222eeeeeuv323222323222000012612600646200 000012612600626400eEAEAllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllllkEAEAllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllll 上式就是平面刚架单元在局部坐标系中的单元刚度矩阵。单元刚度矩阵中元素的物理意义:ek1ey
10、F 中第2行各元素是单元的六个杆端位移分别等于1时杆端力 的值。ek 中第2 列各元素是 而其余杆端位移等于零时单元的六个杆端力的值。11ev 2平面桁架单元111122221010000010100000eexeeyeexeeyFuFvEAlFuvF10100000 10100000eEAkl3 连续梁单元11224224eeeeEIEIMllEIEIMll 42 24eiikii12EI l14/eMEI l22/eMEI l11e20ee12EI l12/eMEI l24/eMEI l10e21eeEIil令 ,则 e 对于平面刚架单元和桁架单元,因为单元两端无约束,在平面内可以产生刚体
11、位移,故 不能求逆,即如果给定 ,则根据单元刚度方程可以确定 。但如果定 ,却不能唯一确定 。ek eF eF e 需要指出的是,连续梁单元的 是非奇异矩阵,因为单元杆端线位移已经受到约束,不能产生刚体位移。ek ek4 的性质eeijjikk1)对称性,即 。0ek2)奇异性,即 。3)分块性2224216412024iiiiiii11122122eeeeeKKKKK12 eeeFFF12 eee 9-2 连续梁整体分析一、位移编码与单元定位向量 结构离散后,为明确并区分待求解的结点位移,需对结构的结点位移进行统一编号。若位移约束为零,位移编号也为零。由单元两端位移未知量编号组成的向量称为单
12、元定位向量,用 表示。e 12341T 1,22T 2,33T 3,0(1)(2)(3)(0)1(1)2(2)3(3)4(4)1(0)2(1)3(2)4(3)1(1)2(2)3(3)4(0)1(0)2(1)3(2)4(0)1T 1,22T 2,33T 3,41T 0,12T 1,23T 2,31T 1,22T 2,33T 3,01T 0,12T 1,23T 2,0二、连续梁整体分析TT12341234 FF F F FM M M M结点力矩向量TT12341234 结点位移向量 整体分析的目的是建立F 和之间的整体刚度方程,即 。FK式中,K 为连续梁的整体刚度矩阵。1整体刚度方程M3 123
13、4(1)(2)(3)(4)i2i1i3M1M2M4结点平衡方程:1111221223213324MMMMMMMMMM 为了建立整体刚度方程,需要利用结点平衡条件和位移协调条件。123411M12M21M22M31M32M1111221223213324M1M2M3M4i1i2i3 上述杆端力矩和杆端转角中,下标1、2分别表示单元的始端和末端,上标为单元编号。对于任意单元e,有:1122124224eeeeeeeeeeMiiMii 将上页所示结点平衡方程中的单元杆端力矩用单元杆端转角来表示:111 112111221 112212222233212231323333132442(24)(42)(
14、24)(42)(24)iiMiiiiMiiiiMiiM1111221223213324MMMMMMMMMM在上式中引入变形协调条件:111 11 2111221 11 22 12 2222332 12 23 13 23333 13 2442(24)(42)(24)(42)(24)iiMiiiiMiiiiMiiM11112212232133241 11211 11222322223334333344422(44)22(44)224iiMiiiiMiiiiMiiM就得到:3311112211222233333344420024420024420024MiiMiiiiiiiiMiiM 将上式写成矩阵
15、形式,得到连续梁的整体刚度方程为:111122223333420024420024420024iiiiiiKiiiiii则整体刚度矩阵为:2利用单元定位向量装配整体刚度矩阵 利用单元定位向量可以方便地由单元刚度矩阵集成整体刚度矩阵。现以下页图示连续梁为例利用单元定位向量集成整体刚度矩阵K。将单元定位向量写在单刚的上方和左侧,则左侧的数字就是单刚 的元素在整体刚度矩阵 K 中的行码,而单刚上方的数字就是单刚元素在 K 中的列码。ek1111142 24iikii12122222242 24iikii23233333342 24iikii3434 1234(1)(2)(3)(4)i2i1i3M1M
16、2M41T 1,22T 2,33T 3,4123123111122223333420024420024420024iiiiiiKiiiiii441T 0,12T 1,23T 2,3i2i1i31(0)2(1)3(2)4(3)1111142 24iikii01012222242 24iikii12123333342 24iikii23231222233334()20 24()2024iiiKiiiiii1231233.两端铰支的n跨连续梁 123n-1nn+1n-1ni2i1in-1in111122223333442211114224()224()224()2 24()224()224nnnnn
17、nnnnniiiiiiiiiiiiiiKiiiiiiiiii004整体刚度矩阵的性质1)K 是对称矩阵,且是非奇异矩阵。2)K 是三对角线矩阵。3)元素kij表示当j=1(其余结点转角等于零)时结点力偶Mi 的值。上式中:11111,11,114 =4+4 (2,3,)=4 =2 (2,3,1)j jjjnnnjjj jjkikiijnkikkijn三、等效结点荷载 在结构整体刚度方程F=K中,F只能是结点外力偶组成的向量。如果单元上作用有非结点荷载,必须转换成等效结点荷载(结点力偶)才能求解。等效是指非结点荷载产生的结点转角与等效结点荷载产生的转角相同。-M02即为等效结点荷载。123FP2
18、123FPM0220 123-M0222()()图c)的结点力偶就是图a)所示非结点荷载的等效结点荷载。c)1234-M02-M03-M04a)1(0)2(1)3(2)4(3)8kN4m4m2m2m12kN/m T10,1 T21,2 T32,3b)12348kNM02M03M0412kN/m110101021616MFM 2201020244MFM3301030200MFM 固端力矩以顺时针方向为正,逆时针方向为负。1.求单元固端力矩 2.求等效结点荷载 将单元固端力矩反号,然后利用单元定位向量集成等效结点荷载向量P。12020102230302013040216412404 0 0 MMM
19、PMMMMM 01 161610210110MMF12 4420220120MMF23 0030230130MMF 具体做法是,将单元定位向量写在 的右侧,则右侧的数字就是 的元素在等效结点荷载P 中的行码。0eF0eF43 022033044jMMFPPMMMM 结点力偶以顺时针方向为正,逆时针方向为负。如果结点上还作用有结点力偶,则总结点荷载向量为:结点力偶等效结点荷载011020242 24eeeeeeeeeeeeMiiFkFiiM四、求单元杆端弯矩T123 n 求得结点转角 后,各单元杆端弯矩按下式计算:12ee和 式中,要根据位移协调条件在中取值。1)单元编号、结点编号、结点位移未知
20、量编号及单元定位向量见上图。2)求各单元刚度矩阵ke。各单元线刚度为:236EIiii147.21.2EIiii例9-2-1 用矩阵位移法作连续梁的弯矩图,各杆EI相同。1(0)2(1)3(2)4(3)5(0)1T 0,12T 1,23T 2,34T 3,0 1kN/m7.2m6m6m7.2m1kN/m解:3)集成整体刚度矩阵K。利用单元定位向量将单元刚度矩阵的元素叠加到整体刚度矩阵中,得到14/1.22/1.23.33 1.67 2/1.24/1.21.673.33kii010144/1.22/1.23.33 1.67 2/1.24/1.21.673.33kii3030242 24ki121
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