0205 整体分析.docVIP

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§2-5 整体分析 前面对从离散后单元组合体中取出的一个典型单元进行了单元分析,并得出了单元刚度矩阵,实际上是建立了表示单元节点力和节点位移之间关系的方程组(2-29)。假设弹性体离散后共有NE个单元、NP个节点,经过对每个单元进行如上分析,共可建立NE个这样的方程组,共有6×NE个方程,其中含有6×NE个节点力分量及2×NP个节点位移分量是未知的,不可解。但同时我们注意到:作用于每个单元上的节点力,对单个单元来说是外力,但对整个单元组合体来讲则是内力,不是关心的焦点;而真正引起变形的外载荷却未引入。 图2-12节点平衡 整体分析就是要通过分析单元组合体上外载的作用点节点的平衡条件,最终建立起整体节点位移和整体节点外载之间的关系。 一、节点平衡方程 单元组合体在外力的作用下处于平衡状态,则每个节点在节点载荷(如果有的话,由外力离散而得)和单元给节点的节点力(和上节研究的节点给单元的节点力互为反作用力,其正向和坐标正向相反)共同作用下,也处于平衡状态。对任意节点I来讲,如果其上受有等效节点载荷,并被Z个单元共有(如图2-12所示),则其平衡方程为 (2-40) 其中,、分别表示单元e对节点I的水平节点力和垂直节点力,其大小和节点I给单元e的节点力相同。据(3-39)式,有 (2-41) 将(2-41)式代入(2-40)式,得 (2-42) 对于NP个节点,共可建立起NP个如上之方程组。在这总计2×NP个方程中,左端为每个节点所受等效节点载荷,右端是各节点位移分量和相应单元刚度矩阵元素的乘积。将上述2×NP个方程按节点序号排列,并将每个方程右端扩展为所有节点位移分量和相应系数的乘积(原来没有的系数取零)。则有 (I=1,2,…,NP) (2-43) 即 {R}=[K]{δ} (2-44) 其中 (2-45) 是按节点序号排列的节点等效载荷分量列阵。  (2-46) 是以节点序号排列的总节点位移分量列阵。〔K〕为总体刚度矩阵,是一个2NP阶方阵,用符号表示,有 (2-47) 写成分块形式,为 (2-48) 其中,子矩阵为 (I,J=1,2,… ,NP) (2-49) 总体刚度矩阵〔K〕的物理意义是明显的,它表示了节点位移和节点载荷之间的关系。其子矩阵则表示了仅在J点发生单位移时,在I点处应作用的节点载荷,其中二行二列元素则对应着水平和垂直二个方向的节点载荷和节点位移。 图2-13单元组合体表2-1单元节点信息 节点 单元 i j m ① 3 1 2 ② 5 2 4 ③ 2 5 3 ④ 6 3 5 由推导过程可以看出,总体刚度矩阵子矩阵是单元刚度矩阵相关子矩阵的叠加,这里I、J是节点的总体编号,r、s是单元内节点编号。为进一步明确和的关系,下面举例说明。 设有一单元组合体,有六个节点四个单元,节点及单元编号、总体载荷、约束等如图2-13所示。各单元信息列于表2-1。 由图2-13看出节点1、2、4、5、6受有约束。在建立节点平衡方程时要解除其约束代之以约束反力,而这种处于节点上的约束反力与节点载荷具有同样性质,也可广义地称为节点载荷。于是各节点的受力情况如图2-14所示。其中,,,,,为约束反力。根据节点的受力分析,各节点的平衡方程为: 节点1:节点2: 节点3:节点4: 节点5:节点6: 图2-14 节点受力分析把各节点平衡方程按节点及单元顺序写成矩阵形式,即为 (a) 其中节点力列矩阵中的零,是为了将其升阶到与总体节点载荷列矩阵(12×1阶)同阶而补充的。这个方程组可用分块矩阵表示如下: (b) 将上面方程组中各单元的节点力列阵用单元刚度矩阵与节点位移列阵乘积来表示,用补零的办法相应升阶并按节点编号顺序重新排列。单元节点位移列矩阵改为按节点序号排列的总体节点位移列矩阵,即 于是得 (d) (e) (f) 上面各单元升阶后的扩大刚度矩阵也称为单元的贡献矩阵,它们表示每个单元单独变形时对总体刚度矩阵提供的贡献。将各单元的贡献矩阵仍记为~,总体载荷列矩阵记为{R},把(c)~(f)式代入(b)式则得 最后有

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