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有限元法与程序-杆系结构单元2
* 第5章 杆系结构的有限元法 3、空间梁单元(BEAM4) 空间梁单元,每个节点有6个自由度,单元自由度为12。下图给出了空间梁单元节点位移分量的正方向及其编号。单元力的正向及其编号与单元位移相同。 i j l x y z ui ?xi vi ?yi wi ?zi vj ?yj wj ?zj uj ?xj 位移模式与形函数 i j l x y z ui ?xi vi ?yi wi ?zi vj ?yj wj ?zj uj ?xj i j l x y z 1 4 2 5 3 6 8 11 9 12 7 10 i j l x y z 1 4 2 5 3 6 8 11 9 12 7 10 位移模式与形函数 i j l x y z 1 4 2 5 3 6 8 11 9 12 7 10 刚度矩阵 §5.4 坐标变换 在5.2、5.3节中,单元位移和单元力都是按单元坐标系的坐标轴分量定义的,由此建立的单元刚度矩阵属于单元坐标单元刚度矩阵。 进行系统分析时,需要把单元力按统一的整体坐标轴的分量表示出来,以便建立结点平衡方程。因此,在进行系统分析之前,必须把单元坐标系中的单元力以及单元刚度矩阵都转换到整体坐标系中去。此外,还需要把整体坐标系中的节点位移转换到单元坐标系中去,以计算结构内力。这一转换过程称为坐标变换。 整体坐标符号约定: ???——整体坐标单元位移 ?F?——整体坐标单元力 [k]——整体坐标单元刚度矩阵 1、坐标变换矩阵定义 把单元位移从整体坐标系转换到单元坐标系的变换矩阵定义为坐标变换矩阵,用符号[T]表示。有 单元坐标中的符号约定: ???e——单元坐标单元位移 ?F?e——单元坐标单元力 [k]e——单元坐标单元刚度矩阵 上式给出了整体坐标单元位移转换为单元坐标单元位移的转换式,同时是坐标变换矩阵[T]的定义式。 2、整体坐标单元力 单元力在单元位移上作的功,不因其坐标系的改变而变。则有 对上式两端进行转置,注意到 消去???,得 即得 上式表明:整体坐标单元力等于单元坐标单元力前乘坐标变换矩阵的转置。 在单元坐标系中,有 3、整体坐标单元刚度矩阵 上式两端左乘[T]T, 注意到 [k]——整体坐标单元刚度矩阵。 得 上式给出了把单元坐标单元刚度矩阵转换为整体坐标单元刚度矩阵的转换式。 引入 §5.5 坐标变换矩阵 坐标变换矩阵因单元类型不同而异。 1、平面杆单元(桁架元) 设OXY为整体坐标,oxy为单元坐标。?为从单元 i 端出发的任一矢量。它在整体坐标系中的分量为?X、?Y, 在单元坐标系中的分量为?x、?y。 写成矩阵形式, x y i ? X Y ?X ?Y ?x ?y ? b a c d 取 ——i节点在单元坐标系中的位移向量 ——i节点在整体坐标系中的位移向量 同理可得单元j节点在单元坐标系和整体坐标系中的位移向量: 有 组合上述结果,得平面杆单元的单元坐标单元位移和整体坐标单元位移之间关系: i、j两节点间的位移变换关系互不耦合。 上式可写成 坐标变换矩阵[T]的计算式: i j x y ?2 ?3 ?5 ?6 l ?1 ?4 于是得到: X Y 由于?1 、 ?2 、?4、 ?5的性质和平面杆相同,因而有相同的[T]矩阵。又因单元坐标系xy平面和整体坐标系XY平面在同一平面上, 因而单元坐标系z轴和整体坐标系的Z轴总有相同指向,所以恒有: 2、轴剪弯平面梁单元(刚架) x y z i j ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6 5、空间杆单元 空间杆单元的每个节点有3个相互垂直的线位移分量(u、v、w)。单元自由度为6,如下图。 ?x、 ?y、 ?z、——向量 ? 在单元坐标轴上的分量 ?X、 ?Y、 ?Z、——向量 ? 在整体坐标轴上的分量 X Y Z x y z ? 设向量?在单元坐标系和整体坐标系两个坐标系中的分量被表示 为: 有 [?]是坐标系的旋转矩阵,是单元坐标轴x、y、z在整体坐标系XYZ中的方向余弦: ?11、?12、?13——x轴在整体坐标系XYZ中的方向余弦 ?21、?22、?23——y轴在整体坐标系XYZ中的方向余弦 ?31、?32、?33——z轴在整体坐标系XYZ中的方向余弦 容易理解,上式可代表空间铰接杆中一个节点的节点位移坐标变换。空间杆单元有2个节点,所以坐标变换矩阵一般可表示为: 下面讨论[?]矩阵中元素?ij(i=1、2、3,j=1、2、3)。
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