矩阵位移法哈工大结构力学课件.ppt
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1、关于矩阵位移法哈工大结构力学现在学习的是第1页,共64页结点:结点:结点:结点:杆件交汇点、刚度变化点、支承点。有时也杆件交汇点、刚度变化点、支承点。有时也杆件交汇点、刚度变化点、支承点。有时也杆件交汇点、刚度变化点、支承点。有时也 取荷载作用点。图中取荷载作用点。图中取荷载作用点。图中取荷载作用点。图中1、2、3、4 4点均为点均为结点结点。单元:单元:两结点间的等直杆段。图中两结点间的等直杆段。图中1-3、2-4、3-4为为为为 单元单元。编码:编码:黑的结点编号称黑的结点编号称整体码整体码整体码整体码。红的红的红的红的1、2局限于单元,称局限于单元,称局限于单元,称局限于单元,称 局部码
2、局部码局部码局部码。坐标:坐标:兰的坐标称兰的坐标称兰的坐标称兰的坐标称 整体坐标整体坐标整体坐标整体坐标。红的。红的。红的。红的x x、y局限于单元,称局限于单元,称局限于单元,称局限于单元,称局部坐标局部坐标1342xy121122yx右手系右手系右手系右手系 将结构分解为杆件集合,为进行分析,事先需做将结构分解为杆件集合,为进行分析,事先需做下面称为下面称为离散化离散化离散化离散化的工作的工作的工作的工作现在学习的是第2页,共64页 对于如下所示的结构,对于如下所示的结构,离散化离散化时需先做时需先做以下的工作以下的工作现在学习的是第3页,共64页基本原理:基本原理:在弹性小变形条件下,
3、叠加在弹性小变形条件下,叠加原理成立。原理成立。已有知识:已有知识:转角位移方程、单跨梁形常转角位移方程、单跨梁形常数和载常数。数和载常数。目的:目的:像位移法一样,通过像位移法一样,通过“一拆、一拆、一合一合”来解决结构分析。为此,必须来解决结构分析。为此,必须首先掌握单元的特性。首先掌握单元的特性。现在学习的是第4页,共64页利用叠加原理利用叠加原理利用叠加原理利用叠加原理单元刚度方程单元刚度方程平面拉压平面拉压-(-(桁架桁架)单元单元现在学习的是第5页,共64页E EE E连续梁单元连续梁单元利用叠加原理利用叠加原理单元刚度方程单元刚度方程刚度矩阵刚度矩阵等效结点荷载矩阵等效结点荷载矩
4、阵现在学习的是第6页,共64页不考虑轴向变形的平面梁柱单元不考虑轴向变形的平面梁柱单元q(x)根据形、载常数,利用叠加原理可得梁柱根据形、载常数,利用叠加原理可得梁柱单元的单元刚度方程为单元的单元刚度方程为现在学习的是第7页,共64页单元刚度矩阵单元刚度矩阵(应熟记应熟记)是转角位移方程的矩阵表示是转角位移方程的矩阵表示单元杆端位移矩阵单元杆端位移矩阵现在学习的是第8页,共64页单元等效结点荷载矩阵单元等效结点荷载矩阵向上满跨均布荷载向上满跨均布荷载 q 作用作用逆时针满跨均布力偶逆时针满跨均布力偶 m 作用作用根据单跨梁的载常数,可得根据单跨梁的载常数,可得现在学习的是第9页,共64页计轴向
5、变形的平面自由式梁柱单元计轴向变形的平面自由式梁柱单元单元刚度矩阵可根据叠加原理得到单元刚度矩阵可根据叠加原理得到拉压梁柱补补充充现在学习的是第10页,共64页单元刚度矩阵的性质单元刚度矩阵的性质 根据反力互等定理,单元刚度矩阵一根据反力互等定理,单元刚度矩阵一定是对称矩阵。定是对称矩阵。除连续梁单元刚度矩阵外,其它三种除连续梁单元刚度矩阵外,其它三种单元刚度矩阵是奇异的。单元刚度矩阵是奇异的。解释一:从数学上看,因为存在相关的解释一:从数学上看,因为存在相关的行、列,所以对应的行列式为零,矩阵不行、列,所以对应的行列式为零,矩阵不可逆。可逆。解释二:从物理概念上看,因为杆端相当解释二:从物理
6、概念上看,因为杆端相当于没有约束(均可位移),自由体系在平衡于没有约束(均可位移),自由体系在平衡外力作用下,可以产生惯性运动,所以无法外力作用下,可以产生惯性运动,所以无法由平衡的外荷唯一地确定位移。由平衡的外荷唯一地确定位移。刚度矩阵元素刚度矩阵元素kij的物理意义为:单元仅的物理意义为:单元仅发生第个发生第个j杆端单位位移时,在第个杆端单位位移时,在第个i杆杆端位移对应的约束上所需施加的杆端力端位移对应的约束上所需施加的杆端力。现在学习的是第11页,共64页 在搞清单元特性后,像位移法一样,需将单元在搞清单元特性后,像位移法一样,需将单元拼装回去。在结点处位移自动满足协调条件的基拼装回去
7、。在结点处位移自动满足协调条件的基础上,令全部结点平衡,即可建立求解位移的方础上,令全部结点平衡,即可建立求解位移的方程,这是下一节将讨论的内容。程,这是下一节将讨论的内容。除连续梁外,一般结构单元不全同方位,为除连续梁外,一般结构单元不全同方位,为保证协调和平衡,应将杆端位移和杆端力都转换保证协调和平衡,应将杆端位移和杆端力都转换成统一的,对整体坐标的量,因此要先解决坐标成统一的,对整体坐标的量,因此要先解决坐标转换问题。下面先讨论自由式梁单元的转换问题。转换问题。下面先讨论自由式梁单元的转换问题。现在学习的是第12页,共64页力的转换力的转换位移的转换位移的转换将局部量向将局部量向整体量方
8、向整体量方向投影,可得投影,可得将整体量向将整体量向局部量方向局部量方向投影,可得投影,可得第三、六两个量不存在转换问题。第三、六两个量不存在转换问题。现在学习的是第13页,共64页如果记结点位移坐标转换矩阵为如果记结点位移坐标转换矩阵为单元杆端位移坐标转换矩阵为单元杆端位移坐标转换矩阵为因此因此位移位移力力现在学习的是第14页,共64页刚度方程的转换刚度方程的转换力转换刚度方程位移转换如果记整体坐标单元刚度矩阵为如果记整体坐标单元刚度矩阵为则整体坐标单元刚度方程为则整体坐标单元刚度方程为局部坐标局部坐标现在学习的是第15页,共64页连续梁单元需要连续梁单元需要进行坐标转换吗?进行坐标转换吗?
9、连续梁的局部坐标与整体连续梁的局部坐标与整体坐标一致,所以不需要转坐标一致,所以不需要转换。换。现在学习的是第16页,共64页桁架单元如何桁架单元如何进行坐标转换?进行坐标转换?力的转换力的转换位移的转换位移的转换第一种做法第一种做法现在学习的是第17页,共64页第二种做法第二种做法位移扩展为位移扩展为刚度矩阵改为刚度矩阵改为转换矩阵转换矩阵现在学习的是第18页,共64页局部坐标与整体局部坐标与整体坐标成坐标成900时,局部单时,局部单刚和整体单刚间刚和整体单刚间有何关系?有何关系?局部坐标单元刚度矩阵局部坐标单元刚度矩阵整体坐标单元刚度矩阵整体坐标单元刚度矩阵ToTo4747现在学习的是第1
10、9页,共64页以图示简例来说明以图示简例来说明 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。4-1)结点示意结点示意1 12 21 12 22 21 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),红红色的色的表示杆端力(未知的),表示杆端力(未知的),、分别分别、单单元杆端力子矩阵。对元杆端力子矩阵。对1、4结点结点“荷载荷载”含有未含有未知反力。知反力。2现在学习的是第20页,共64页4-2)结点平衡结点平衡 由示意图可见,结由示意图可见,结构结点的平衡方程为构结点的平衡方程为1 12 21 12 22
11、 21 121 134 4现在学习的是第21页,共64页若记若记21 134 4则平衡方程为则平衡方程为式中式中(I)、0 分别为单位和零矩阵。分别为单位和零矩阵。现在学习的是第22页,共64页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。问题在于不同结显然对一切结构都是成立的。问题在于不同结构构,(A)矩阵是不同的。矩阵是不同的。现在学习的是第23页,共64页4-3)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 12 21 12 22 21 1仍以上述简单例子来
12、说明仍以上述简单例子来说明若记若记 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 式中式中(A)T是前面力关系是前面力关系(A)的转置,因此的转置,因此(A)T称为称为位移转换矩阵位移转换矩阵。现在学习的是第24页,共64页4-4)整体刚度方程整体刚度方程结点平衡结点平衡1 12 21 12 22 21 1若记若记引入位移转换关系,则引入位移转换关系,则现在学习的是第25页,共64页 这就是整体刚度方程,它的物理实质是结这就是整体刚度方程,它的物理实质是结点平衡。点平衡。(K)称作结构刚度矩阵(或整体刚度称作结构刚度矩阵(或整体刚度矩阵),
13、矩阵),(P)称作综合等效结点荷载矩阵,它由称作综合等效结点荷载矩阵,它由两部分组成两部分组成:Pd 直接结点荷载矩阵直接结点荷载矩阵 由结点荷载组成由结点荷载组成 PE 等效结点荷载矩阵等效结点荷载矩阵 由单元荷载组成由单元荷载组成综合等效结点荷载矩阵综合等效结点荷载矩阵综合等效结点荷载矩阵综合等效结点荷载矩阵整体整体整体整体(总体总体总体总体)刚度矩阵刚度矩阵刚度矩阵刚度矩阵整体整体整体整体(总体总体总体总体)刚度方程刚度方程刚度方程刚度方程现在学习的是第26页,共64页单元个数单元个数4-5)整体刚度矩阵的建立整体刚度矩阵的建立1 12 21 12 22 21 1 若将若将(A)按单元分
14、成图按单元分成图示三个子矩阵示三个子矩阵 则则现在学习的是第27页,共64页1 12 21 12 22 21 1 由此可见,整体刚度矩阵可由此可见,整体刚度矩阵可由各单元整体刚度矩阵由各单元整体刚度矩阵装配累装配累加加得到。为说明如何装配,得到。为说明如何装配,先将单元刚度矩阵进行分割先将单元刚度矩阵进行分割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,(A)I(k)I(A)iT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。这一装配规则称为相应位置。这一装配规则称为“对号入座对号入座”。现在学习的是第
15、28页,共64页整体结点码整体结点码刚刚刚刚度度度度矩矩矩矩阵阵阵阵对对对对号号号号入入入入座座座座集集集集装装装装规规规规则则则则现在学习的是第29页,共64页4-6)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,由理论分析可证明,任意结构其得到的,由理论分析可证明,任意结构其结论同结论同此例此例。1)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,这非零位移进行依次编号,这一序号称作一序号称作结点位移码结点位移码。为。为便于计算机处理并减少结构便于计算机处理并减少结构刚度矩阵
16、的阶次,将刚度矩阵的阶次,将零位移零位移的号码变为零的号码变为零。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。2)单元定位向量单元定位向量 按单元局部结点码顺序,将结点位移码排成的向按单元局部结点码顺序,将结点位移码排成的向量,称作单元的量,称作单元的定位向量定位向量。现在学习的是第30页,共64页 对图示刚架各单元的定对图示刚架各单元的定位向量为位向量为 (0,0,1,3,4,5)(0,0,2,10,11,12)(3,4,5,6,7,8)(6,7,9,10,11,12)如果如图所示采用各如果如
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- 矩阵 位移 哈工大 结构 力学 课件
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