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安徽建筑工学院计算结构力学1
计算结构力学 授课人: 干 洪 陶明霞 韦 璐 1-1 概 述 本课程基本假设: 小变形假设; 材料线性行为假设(结构联接为理想联结)。 满足以上两个假设的结构称为线性结构。 1-4 基本未知量 1-5 轴力杆单元刚度方程 (桁式单元) 由结构力学位移法可知,杆单元的平衡方程可写成 [k]{δ}={F} 的形式,其中 [k]为2×2阶的单元刚度矩阵,现予详细介绍。 单元刚度系数kij的定义:仅当: 时在i处所需施加的力。 取单元两端轴向位移为未知量:u1、 u2 如右图所示。 当u1=1、 u2=0时,由刚度系数的定义可知: F11=k11u1=k11 F21=k21u1=k21 当u1=0、 u2=1时, F22=k22u2=k22 F12=k12u2=k12 这里 也可由刚度系数的定义直接得到 当局部坐标系和整体坐标系不重合时,如竖杆、斜杆等,其刚度方程(或刚度矩阵)如何推得?一般可通过坐标变换(后面再详细介绍),现再利用静力法推导杆单元在整体坐标系中的刚度方程。 此时,杆单元每端有两个未知量: 而u1、v1所引起的杆端力可由类似方法得到,令cosα=l,sinα=m,最后可将单元的刚度方程写成: 可将上面的单元刚度方程写成矩阵形式: 1-6 刚度法的基本概念 采用结构力学中位移法的基本方法,建立结构的刚度方程,现以下面的超静定桁架为例来说明。 例: 求图示结构各杆的轴力,A=2000mm2, E=200KN/mm2。 解: 为未知量,刚度法基本步骤: 1、列出结点的平衡方程(如有多个结点,均应依次列出) 2、变形条件(用位移来表示各单元变形) 如图,ei在表示 i 的伸长量 3、物理量 线刚度 (**) 最后结构刚度方程(**)是由平衡、变形、物理条件形成,若能由计算机直接形成(**),即这三步均可不列,过程得以简化,关键在于求[K]、{P}; 求[K]的主要过程在于第3步,相当于单元分析,如果能求得各类单元的统一公式,求[K]则只是程序设计而已。 上述二点为刚度法的主要点,由此可设想直接刚度法的具体过程。 讨 论 * 首页 上页 返回 下页 * 第一章 绪 论 结构矩阵分析 利用矩阵代数理论来分析结构力学问题,是随着计算机的迅速发展而兴起的结构分析方法。 计算结构力学 利用计算机来进行结构的力学分析。 计算结构力学的开课目的 本课程属于技术基础课,主要是强化计算机在结构分析方面的应用,是现代结构分析重要的不可缺少的手段,是专业技术能适应现代化需要的组成部分。 本课程主要研究杆系结构,可对六种杆系结构进行分析。 主要采用矩阵位移法或称杆系有限元法进行分析。 主要内容为建立结构刚度方程的矩阵形式及求解,程序设计和上机。 要求掌握杆系有限元进行结构分析的过程; 进行程序设计及计算机应用方面的训练; 要求在其它专业课中融汇贯通,借此达到专业技能与全面素质的提高。 本课程的主要内容和任务 1、矩阵位移法(刚度法):以结点位移为基本未知量,建立结构的刚度方程。 2、矩阵力法(柔度法):以结点力为基本未知量,建立结构的柔度方程。 3、矩阵混合法(杂交法):以部分结点位移、部分结点力为未知量,建立结构的混合法方程。 结构矩阵分析的主要方法 由结构力学内容可知: 刚度法只需满足平衡条件,在荷载形式一定的情况下自然满足,故普遍得到使用。 柔度法要确立多余约束建立基本结构,并满足位移协调条件,要具体分析,故很难规范化统一格式编程,不易实现计算自动化。 所以,工程计算一般采用矩阵位移法。 但在梁、板、壳等问题中,所假设的位移场在某些情况下不能满足一些单元的协调性(C连续性问题),故混合法或柔度法仍得到运用,并能进一步发展,现主要在板壳结构中使用。 本课程主要介绍矩阵位移法。 在矩阵位移法中 所有的方程组均采用矩阵的形式表示。 所有的推导和运算均借助于矩阵代数,形式紧凑明了,方便程序设计。 采用矩阵结构分析方法,并不改变结构力学的基本原理和基本假设。如平衡原理、叠加原理、变形协调原理、能量原理等。 1-2 有限单元法简介 结构理想化的概念: 结构理想化是一种简化手段,如同材料力学中的计算简图的概念。 在结构力学中,就是假设结构为连续体,理想连接、均匀各向同性的线性结构。经上述理想化以后,即可画出结构的计算简图,其主要特点有: 1、以杆件轴线代替实际杆线; 2、结构联结主要有刚结、铰结、链杆联接等; 3、支座可简化为活动支座、固定铰支座和固定支座等。 结构
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