大学精品课件:杆系静力分析2.4.ppt
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- 大学 精品 课件 静力 分析 2.4
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1、Subroutine Elem_Stiff( ) 说明说明 Stiff=0.0 ! 单元刚度清零单元刚度清零 Select Case (Type) Case (1) 平面杆系结构单元平面杆系结构单元 Case (2) 空间杆系结构单元空间杆系结构单元 Case Default 出错信息出错信息 End Select End Subroutine Elem_Stiff 3.4 杆系结构单元分析子程序杆系结构单元分析子程序 3.4.1 单元刚度总体设计单元刚度总体设计 3.4.2 说明部分设计说明部分设计 Integer,Intent (in) : 入口整型参数入口整型参数 Real(8),Int
2、ent(in) : 入口实型参数入口实型参数 Real(8),Intent(out) : 出口实型参数出口实型参数 Real(8) : Work1, Integer : i,j,k, 实型和整型工作变量实型和整型工作变量 3.4 杆系结构单元分析子程序杆系结构单元分析子程序 3.4.3 平面杆系结构设计平面杆系结构设计 Select Case (Plane) Case (1) 平面桁架元素赋值平面桁架元素赋值 Case (2) 平面梁柱元素赋值平面梁柱元素赋值 Case (3) Case Default 出错信息出错信息 End Select 3.4.4 空间杆系结构设计空间杆系结构设计 Se
3、lect Case (Space) Case (1) 空间桁架元素赋值空间桁架元素赋值 Case (2) 空间梁柱元素赋值空间梁柱元素赋值 Case (3) 交叉梁元素赋值交叉梁元素赋值 Case Default 出错信息出错信息 End Select 3.4 杆系结构单元分析子程序杆系结构单元分析子程序 3.4.5 有关单元等效结点荷载设计和进一步的考虑有关单元等效结点荷载设计和进一步的考虑 1) 单元等效结点荷载设计同仿单元刚度。单元等效结点荷载设计同仿单元刚度。 2) 从各类单元刚度元素的计算,可看到要用到长度、从各类单元刚度元素的计算,可看到要用到长度、 单元弹性特性、单元截面特性等数
4、据。因此,要单元弹性特性、单元截面特性等数据。因此,要 确定存放它们的数据结构。要将它们作为出口。确定存放它们的数据结构。要将它们作为出口。 3) 为计算单元等效结点荷载元素,首先要建立各种为计算单元等效结点荷载元素,首先要建立各种 荷载情况等效荷载表达式,它们可由积分或载常荷载情况等效荷载表达式,它们可由积分或载常 数表得到。然后要解决荷载信息的存放结构,也数表得到。然后要解决荷载信息的存放结构,也 要将它们作为出口量。要将它们作为出口量。 4) 单元刚度矩阵、等效结点荷载矩阵都应先清零。单元刚度矩阵、等效结点荷载矩阵都应先清零。 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 首先就全刚结点平面
5、刚架进行讨论,然后推广。首先就全刚结点平面刚架进行讨论,然后推广。 4.1.1 总的思路总的思路 在单元特性搞清后,将单元拼装回去。在结点处在单元特性搞清后,将单元拼装回去。在结点处 位移自动协调基础上,如果全部结点平衡,则求得位移自动协调基础上,如果全部结点平衡,则求得 的结点位移将是实际结构的解。因此,整体分析就的结点位移将是实际结构的解。因此,整体分析就 是设法建立结点平衡方程。是设法建立结点平衡方程。 4.1.2 坐标转换坐标转换 x y y x xF yF x F y F y d x d yd xd 组成结构的杆件可以各个组成结构的杆件可以各个 方向,单元分析对局部坐标,方向,单元分
6、析对局部坐标, 因此,必须将物理量转为统因此,必须将物理量转为统 一坐标一坐标整体坐标。整体坐标。 1) 力的转换关系力的转换关系 y x y x cossin sincos F F F F 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 2) 位移转换关系位移转换关系 y x y x cossin- sincos d d d d 3) 转换矩阵转换矩阵 100 0 0 CS SC 0 0 sin cos T S C 转换矩阵是正交矩阵。转换矩阵是正交矩阵。 x y y x xF yF x F y F y d x d yd xd T1 TT 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 4) 杆端力转换
7、杆端力转换 )( T eeee PFTPF 5) 杆端位移转换杆端位移转换 e e dTd 6) 刚度方程的转换刚度方程的转换 x y y x xF yF x F y F y d x d yd xd e eee eeee dTkTdkT PFTPF T )( eeee dkPF 如果记如果记 称为整体单元刚度矩阵称为整体单元刚度矩阵 TkTk ee T 则则 eeee dkPF 这就是整体坐标下的单元刚度方程。这就是整体坐标下的单元刚度方程。 本节以后的讨论认为本节以后的讨论认为 都是对整体坐标的都是对整体坐标的 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 4.1.3 结点平衡方程的建立结点平衡
8、方程的建立 1) 一简单例子(如图)一简单例子(如图) 图中有两套编号,图中有两套编号,红红的的 是单元杆端编号,是单元杆端编号,黑黑的是的是 结构整体编号。结构整体编号。 1-1) 结点示意结点示意 1 23 4 1 2 1 2 2 1 图中蓝色的表示结点荷载(已知),图中蓝色的表示结点荷载(已知),红红色的表示色的表示 杆端力(未知的),杆端力(未知的), 、 分别分别1、2单元杆端力单元杆端力 子矩阵。对子矩阵。对1、4结点“荷载”含有未知反力。结点“荷载”含有未知反力。 2 F 1 F 2 2 d P 12 F 21 F 1-2) 结点平衡结点平衡 21orj 由示意图可见,结构由示意
9、图可见,结构 结点的平衡方程为结点的平衡方程为 各杆各杆交交i j i FP 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 从例图可见,其全部结点从例图可见,其全部结点 平衡方程为平衡方程为 1 23 4 1 2 1 2 2 1 若记若记 31 4 d 3222 3 d 2112 2 d 11 1 d FP FFP FFP FP T T 4 d T 3 d T 2 d T 1 dd PPPPP T T 32 T 31 T 22 T 21 T 12 T 11 FFFFFFF 2 2 d P 12 F 21 F F I II II I P 00000 0000 0000 00000 d 4.1 杆系结
10、构整体分析杆系结构整体分析 式中式中I、0分别为单位和零矩阵。分别为单位和零矩阵。 FAP d 1 2 3 若引入矩阵记号若引入矩阵记号 ,则结点平衡方程可改写作,则结点平衡方程可改写作 这一结论虽然是由一个例子得到的,但是显然这一结论虽然是由一个例子得到的,但是显然 对一切结构都是成立的。问题在于不同结构对一切结构都是成立的。问题在于不同结构,A 矩阵是不同的。矩阵是不同的。 00000 0000 0000 00000 I II II I A 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 4.1.4 杆端位移用结点位移来表示杆端位移用结点位移来表示 1 23 4 1 2 1 2 2 1 仍以简单
11、例子来说明仍以简单例子来说明 若记若记 T T 4 T 1 T T 32 T 31 T 22 T 21 T 12 T 11 dddddd 由结点、杆端位移的协调条件,可得由结点、杆端位移的协调条件,可得 、 的对应关系为的对应关系为 T A 式中式中 AT是前面力关系是前面力关系A的转置,因此的转置,因此AT称称 为为位移转换矩阵位移转换矩阵。 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 4.1.5 整体刚度方程整体刚度方程结点平衡结点平衡 1 23 4 1 2 1 2 2 1 若记若记 31 kkdiagK eq d PKF;FAP T T 3 T 2 T 1 eqPPPP 引入位移转换关系,
12、则引入位移转换关系,则 )( eq d PKAP eq eq PAP 记记 T eqd AKAPP 这就是整体刚度方程,它的物理实质是结点平这就是整体刚度方程,它的物理实质是结点平 衡。衡。K称作结构刚度矩阵(或整体刚度矩阵),称作结构刚度矩阵(或整体刚度矩阵), R称作综合等效结点荷载矩阵,它由两部分组成。称作综合等效结点荷载矩阵,它由两部分组成。 KAKA;RPP T eqd 记记 KR 则则 单元个数单元个数 3 1 TT i iii AkAAKA 321 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 4.1.6 整体刚度矩阵的建立整体刚度矩阵的建立 1 23 4 1 2 1 2 2 1 若
13、将若将A按单元分成图示按单元分成图示 三个子矩阵三个子矩阵 00000 0000 0000 00000 I II II I A 则则 由此可见,整体刚度矩阵可由各单元整体刚度由此可见,整体刚度矩阵可由各单元整体刚度 矩阵矩阵装配累加装配累加得到。为说明如何装配,先将单元得到。为说明如何装配,先将单元 刚度矩阵进行分割刚度矩阵进行分割 i i kk kk k 2221 1211 r s sr 整体结点码整体结点码 则由矩阵乘法可证明,则由矩阵乘法可证明,AikiAiT的结果是,将的结果是,将 刚度矩阵子矩阵按整体结点码刚度矩阵子矩阵按整体结点码 r 、s 送整体刚度矩阵送整体刚度矩阵 相应位置。
14、这一装配规则称为“对号入座”。相应位置。这一装配规则称为“对号入座”。 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 1) 任意结构情况任意结构情况 上面结论是通过具体例子(全刚结点平面刚架)上面结论是通过具体例子(全刚结点平面刚架) 得到的,由虚位移原理或势能原理进行整体分析得到的,由虚位移原理或势能原理进行整体分析 (见讲义),可得任意结构其结论同此例。(见讲义),可得任意结构其结论同此例。 2) 结点位移编号结点位移编号 如果按结点顺序,对结点如果按结点顺序,对结点 非零位移进行依次编号,这一非零位移进行依次编号,这一 序号称作结点位移码。为便于序号称作结点位移码。为便于 计算机处理并减少结
15、构刚度矩计算机处理并减少结构刚度矩 阵的阶次,将零位移的号码变阵的阶次,将零位移的号码变 为零。为零。 对图示三铰刚架,当仅对图示三铰刚架,当仅 用一种单元(梁柱自由是用一种单元(梁柱自由是 单元)时结点位移编号如单元)时结点位移编号如 图所示。图所示。 3) 单元定位向量单元定位向量 按单元局部结点码顺序,按单元局部结点码顺序, 将结点位移码排成的向量,称作单元的将结点位移码排成的向量,称作单元的定位向量定位向量。 (0,0,1)(0,0,2) (3,4,5) (6,7,8)(6,7,9) (10,11,12) 1 2 345 6 (0,0,1)(0,0,2) (3,4,5) (6,7,8)
16、(6,7,9) (10,11,12) 1 2 345 6 4.1 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 对图示刚架各单元的定位对图示刚架各单元的定位 向量为向量为 (0,0,1,3,4,5) (0,0,2,10,11,12) (3,4,5,6,7,8) (6,7,9,10,11,12) (0,0,1,2,3) (0,0,6,7,8) (1,2,3,4,5) (4,5,6,7,8) 4) 按单元定位向量集装刚度矩阵和综合荷载按单元定位向量集装刚度矩阵和综合荷载 前面说明的是分块子矩阵集装前面说明的是分块子矩阵集装,下面说明如何按定下面说明如何按定 为向量来集装为向量来集装. 如果如图所是采用各种不同
17、的单元如果如图所是采用各种不同的单元(一端有铰(一端有铰 ),),则定位向量为则定位向量为 (0,0,1)(0,0,2) (3,4,5) (6,7,8)(6,7,9) (10,11,12) 1 2 345 6 (0,0)(0,0) (1,2,3)(4,5)(6,7,8) 1 2 34 5 如何获得如何获得 带铰的单元刚带铰的单元刚 度矩阵和等度矩阵和等 效荷载矩阵效荷载矩阵 定位向量定位向量 (0,0,1)(0,0,2) (3,4,5) (6,7,8)(6,7,9) (10,11,12) 1 2 345 6 (0,0)(0,0) (1,2,3)(4,5)(6,7,8) 1 2 34 5 4.1
18、 杆系结构整体分析杆系结构整体分析 4-1) 刚度集装刚度集装 以以 3 单元为例来说明单元为例来说明 5554535251 4544434241 3534333231 2524232221 1514131211 3 k 87654 定位向量定位向量 单元局部位移码单元局部位移码 54321 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 根据单元根据单元 局部位移码局部位移码 和定位向量和定位向量 的对应关系的对应关系 用定位向量用定位向量 位移码送元位移码送元 素。素。 根据单元局部位移码和定位向量的对应关系用定根据单元局部位移码和定位向量的对应关系用定 位向量位移码送元素,定位向量元素为零时不送
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