有限元法(杆系)2014版
第六章杆系结构
第六章杆件系统结构有限元法杆件系统是由几何特征为长度比横梁面的两个尺寸大很多的杆件连接而成的结构体系。
起重机械和运输机械的动臂、汽车的车架、钢结构等，都是由金属的杆件组成的。
杆件系统的有限元法在机械、建筑、航空、造船等各个工程领域得到了广泛的应用。
若杆件之间由铰相连，并且外载荷都作用在铰节点上，则该体系称为桁架。
有限元中将桁架的单元称为杆单元，即桁架是由仅承受轴向拉压的杆单元的集合。
如果杆件之间是由刚性连接，则该体系是刚架，刚架的单元称为梁单元。
梁单元可以承受轴力、弯矩、剪力及扭矩的作用。
第一节等截面梁单元平面刚架结构——所有杆件的轴线以及所有外力作用线都位于同一平面内，并且各杆件都能在此平面内产生平面弯曲，从而结构的各个节点位移都将发生在这个平面内。
一、结构离散化原则：杆件的交叉点、边界点、集中力作用点、位移约束点、分布力突变的位置都要布置成节点，而不同横截面的分界面和不同材料的分界面都要成为单元的分界面。
平面桁架对于桁架结构，因每个杆件都是一个二力杆，故每个杆件可设置成一个单元。
平面桁架结构每个节点有2个自由度，分别是u 和v ，每个单元有4个自由度。
最大半带宽B=(2+1)×2=6。
一维单元和二维单元的混合应用：左边部分是平面问题的二维板件结构（黑线部分），右面框架部分是一维杆件结构（红线部分）。
xy采用平面4节点四边形单元模拟二维板件，用平面杆单元单元模拟一维杆件结构。
离散化后，共有37个节点，32个单元，其中4节点四边形单元16个，杆单元单元16个。
因为平面4节点四边形单元和平面杆单元单元每个节点都有2个自由度，4节点四边形单元的刚度矩阵是8×8，平面杆单元的刚度矩阵是4×4。
整体刚度矩阵刚[]k 的维数是227474n n ⨯=⨯。
其中部分总刚子块为[](1)(2)(3)(4)777777777722k k k k k ⨯⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+++⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦(4)(6)(19)11,1111,1111,1111,1122k k k k ⨯⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=++⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦最大半带宽B=［(8-2) +1］×2=14。
空间杆系有限元法也称空间桁架位移法.
3.4.6 杆件内力
引入边界条件后，求解公式，得出各节点的位
移值，由公式和公式可得出ij杆端内力为
{ F}e = [T] [K]e e
T
将公式展开并代入公式整理可得杆件内力表达 式为
EA N [cos(u j ui ) cos (v j vi ) cos (w j wi ) lij
当网架支承在独立柱上时，由于它的弯曲刚度 不是很大，在采用无侧移铰支座时除竖向仍然 看作无位移外，两个水平方向应看成弹性支承， 支承的弹簧刚度由悬臂柱的挠度公式得出：
K cx
3Ec I cy H
3
K cy
Ec——支承柱的材料弹性模量； Icy、Icx——分别为支承柱绕截面y、x轴的截面惯 性矩； H——支承悬臂柱长度。
以图26所示的空间桁 架节点 3 为例，说 明总刚矩阵及总刚方 程的建立。该桁架共 有9个单元，5个节点， 单元及节点编号如图 示。相交于节点3的 杆件有⑥⑦⑧⑨。
图3.26 单元及节点编号
变形协调条件为连于同一节点上的杆端位移相 等 ，即： 内外力平衡条件为汇交于同一节点的杆端内力 之和等于该节点上的外荷载，即： 连于节点3的杆端力与各节点位移关系为：
无侧移铰接支座，支承节点在竖向，边界线切线 和法向都无位移。 单向可侧移支座，竖向和边界切线方向位移为零， 而边界法向为自由。 双向可侧移的铰接支座，只有竖向位移为零，两 个水平方向都为自由。 在网架的四角处，至少一个角上的支座必须是无 侧移的，相邻的两角可以是单向可侧移的，相对 的角可以是双向可侧移的。 这种做法既防止网架的刚体移动，又提供了不少 于6根的约束链杆数。在工程实践中，如果温度 应力不大，也可考虑四角都用无侧移铰支座。
杆件结构的有限元法
第一篇 有限元法
第二章 杆件结构的有限元法
当结构长度尺寸比两个截面方向的尺 寸大得多时，这类结构称为杆件。工程中 常见得轴、支柱、螺栓、加强肋以及各类 型钢等都属于杆件。
杆件结构可分为珩杆和梁两种。
和其他结构采用铰连接的杆称为珩杆。珩杆的连接处可以自由转动， 因此这类结构只承受拉压作用，内部应力为拉压应力。影响应力的 几何因素主要是截面面积，与截面形状无关。 和其他结构采用固定连接的杆称为梁。链的连接处不能自由转动， 因此梁不仅能够承受拉压，而且能承受弯曲和扭转作用。这类杆件 的内部应力状态比较复杂，应力大小和分布不仅与截面大小有关， 而且与截面形状和方位有很大关系。 建立有限元模型时，这两类杆件结构可用相应的杆单元和梁单元离散。
Ke 1 kkaa
ka
ka
中的元素在总刚度矩阵中应在位置第1行、第2行的第1列，第2列
k k
1 11
1 21
k
1 12
k
1 22
0
0
0 0 0
第2个单元的节点号为2和3，则单元刚度矩阵叠加到总刚度矩阵 的第2行、第3行的第2列、第3列元素上
0 0 0
0
k
2 22
k
2 23
0
k
2－3 杆件系统的有限元法
一、铰支杆系统的有限元计算格式 上面求解弹簧系统的有限元方法可以直接用力求解受轴向力的杆件系统。 均质等截面铰支杆，刚度值可由材料力学中力与变形的关系中获得
AE F1 L u1
k AE L
均质等截面铰支杆的力－位移方程可写为
F F12ALE11 11uu12
坐标变换
由杆件组成的机构体系称为杆系，如起重机、桥梁等。 由珩杆组成的杆系称为珩架，由梁组成的杆系称为刚架。
第五章杆系结构的有限元法
第五章 杆系结构的有限元法 5.1 引言杆系结构是工程中应用较为广泛的结构体系，包括平面或空间形式的梁、桁架、刚架、拱等。
其组成形式虽然复杂多样，但用计算机进行分析时却较为简单。
杆系结构中的每个杆件都是一个明显的单元。
杆件的两个端点自然形成有限元法的节点，杆件与杆件之间则用节点相连接。
显然，只要建立起杆件两端位移与杆端力之间的关系，则整体平衡方程的建立与前几章完全相同。
杆端位移与杆端力之间的关系，可用多种方法建立，包括前面几章一直采用的虚功原理，但是采用材料力学、结构力学的某些结论，不仅物理概念清晰、直观，而且推导过程简单明了。
因此，本章将采用这种方法进行单元分析。
至于整体平衡方程的建立，则和前面几章所讲的方法一样，即借助于单位定位向量，利用单元集成法进行。
5.2 平面桁架的有限元分析平面桁架在计算上有以下几个特点： 1． 杆件的每个节点仅有两个线位移； 2． 杆件之间的连接为理想铰，即在节点处各杆件可相对自由转动，且杆件轴线交于一点。
3． 外载荷均为作用于节点的集中力。
由于以上特点，所以在理论上各杆件只产生轴向拉、压力，截面应力分布均匀，材料可得到充分利用，因此桁架结构往往用于大跨结构。
5.2.1 局部坐标系下的单元刚度矩阵从平面桁架中任取一根杆件作为单元，称作桁架单元，单元长为L ，横截面面积为A ，图5.1。
两端节点分别用i 和j 表示，规定从i 到j 的连线方向为局部坐标x 轴，垂直于x 的方向为y 轴。
图5.1由于桁架中各杆只产生轴向力和轴向变形，所以节点i 和j 只发生沿x 方向的位移，用i u 和j u 表示，相应的杆端轴力分别用xi F 和xj F 表示。
由虎克定律可推得)()()(j i i j xj j i xi u u L EA u u L EA F u u LEAF --=-=-=将这两个式子写成矩阵形式，就是e j i exj xi u u L EA LEA L EA L EA F F ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧ (5.1)显然，在局部坐标系下，i 、j 两节点沿y 轴方向的位移0==j i v v ，在y 轴方向的节点力0==yj yi F F 。
有限元法(杆系)
Fjy
FFji Fj
s in cos s in
s in
0 0
0 0 0
0
cos s in
或 F(e) T F (e) （1）
Fiy
i
Fi i
Fix
拉压杆单元
0 Fi e
0 0 0
0 Fj 0
F jy
j
j
uiy ui
uix
u jy
y
Fj
F jx uj
u jx
2)
叠加形成总刚度矩阵,求位移
2sin2
0
sin2 EA sin cos
l
0
0
sin2
sin cos
0 2 cos2 1 sin cos
cos2 0 1
sin cos cos2
sin2 sin cos
sin2 sin cos
0 0 0 0
sin cos cos2 sin cos cos2
• 用单元节点位移表示单元内部位移
第 i 个单元中的位移用所包含的结点位移来表示：
u(x)
ui
ui1 ui Li
(x
xi )
（1- 1）
其中 u i 为第 i 结点的位移， xi 为第 i 结点的坐标。
第 i 个单元的应变为 i ，应力为 i ，内力为 N i ：
i
du dx
ui1 ui Li
x
在局部坐标下，轴向力与轴向位移的关系：
(e)
Fi
1 0 1 0ui e
0
Fj
0
EA
0
0
l 1 0
0
0
0 1 0
0 0 0
桥梁结构分析理论与方法1
结构力学：结构力学所研究的对象仍然是杆系结构，并且是不包 含薄壁结构的杆系结构，其研究的对象是理想的杆和梁。结构力学研 究杆系结构的组成规律和合理形式，以及杆系结构在静力和动力作用 下它们的强度、刚度和稳定性。
结构力学涉及到了实际的结构，要计算结构的内力与位移等问题。 在结构力学中，需要对实际结构进行简化，即将一个实际结构理想化 为计算模型的问题。结构力学本身只介绍简化后的计算模型的计算方 法，而结构如何简化为模型，则是在各专业课去学习。
在结构力学中，一般研究线弹性结构，并且假定结构的变形是微 小的，因此结构力学讨论的问题基本是线性的问题，可以利用叠加原 理来进行分析。
2014年版
西南交通大学土木学院 沈锐利
桥梁的上部结构一般是为了跨越障碍物而设计建造的，在尺度 方面一般是长度方向大于宽度和高度方向，接近于杆系结构的处理 范围，因此三大经典力学在桥梁工程中得到了广泛的应用。
版社，2007年 4 张元海编著：桥梁结构理论分析，科学出版社，2005年 5 秦顺全著：桥梁施工控制-无应力状态法理论与实践，人民交通出
版社，2007年 6 李乔、卜一之、张清华著：大跨度斜拉桥施工全过程控制几何控
制概论与应用，西南交通大学出版社，2009年
2014年版
西南交通大学土木学院 沈锐利
2014年版
西南交通大学土木学院 沈锐利
材料力学和结构力学是桥梁工程计算（特别是强度计算）等的 理论基础，但是由于实际的桥梁结构不是理论的杆件，不能完全满 足基本假定，因此实际桥梁分析时要考虑荷载作用方式的影响、实 际结构尺寸、形状等的影响。
空心板梁桥
2014年版
T形截面梁桥
西南交通大学土木学院 沈锐利
8 林同炎等著：Structural Concepts and Systems for Architects and Engineers.
有限元分析法第3章 杆单元
提示： 1）本例中单元应力的计算采用了材料力学中的方法,与采 用有限元单元应力公式 E EBd 的结果相同。 2）对锥形杆，单元截面积可用平均值。 3）求应力之前需要求出节点位移——有限元位移法。
第三章
杆单元
§ 3 –1
习题2：
一维等截面杆单元
已知：
求：杆两端的支反力
解
第三章 杆单元
u2
v2 u3 v3
1 1 1 1 EA 1 1 1 1 2 L 1 1 1 1 1 1 1 1
第三章 杆单元
§ 3 –2
二维空间中的杆单元
将单元1，2的刚度方程扩张到系统规模（6阶）， 相加后引入节点平衡条件：
第三章
杆单元
§ 3 –2
0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0
u1 v1 u2
v2
1 1 1 1 EA 1 1 1 1 2 L 1 1 1 1 1 1 1 1
第三章 杆单元
§ 3 –2
单元2：2-3
135，l
按公式计算杆应力：
二维空间中的杆单元
得：
0 E 2 L 0 1 1 1 1 2 ( P1 P2 ) 1 L 2 EA P 2A 1 P2
P 1 E 2 L P2 1 1 1 1 2 ( P1 P2 ) 2 L 2 EA 0 2 A 0
第三章
杆单元
§ 3 –2
二维空间中的杆单元
节点位移向量的坐标变换：
~ d i Tdi
第三章
杆单元
§ 3 –2
二维空间中的杆单元
有限元法概述
（2）MSC/NASTRAN。 MSC/NASTRAN是在原NAST RAN基础上进行大量改进后的系统软件，主要包括MS C.Patran并行框架式有限元前后处理及分析系统、 MS C.GS-Mesher快速有限元网格、 MSC.MARC非线性有 限元软件等。其中MSC.MARC具有较强的结构分析能
.
5.在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6. 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 7. 进行机械事故分析，查找事故原因。
轴承强度分析
.
汽车碰撞实验
.
刹车制动时地盘的应力分析
.
钢板精轧机热轧制分析
.
三维椭圆封头开孔补强
.
水轮机叶轮的受力分析模拟
.
人体股骨端受力分析
.
半导体芯片温度场的数值仿真
知量时称为混合法。 位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法
中位移法应用范围最广。
.
2、有限元法的发展
有限单元法基本思想的提出，可以追溯到Courantl在1 943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的 分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St·Venant 扭转问题。相继一些应用数学家、物理学家和工程师由于 各种原因都涉足过有限单元的概念。
.
4、有限元的特点
(1) 概念清楚,容易理解。可以在不同的专业背景和水平 上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲,每个人的 理论基础不同,理解的深度也可以不同,既可以通过直观的 物理意义来学习,也可以从严格的力学概念和数学概念推 导。
有限元法基础习题答案
有限元法基础习题答案有限元法是一种常用的工程分析方法，广泛应用于结构力学、热传导、流体力学等领域。
它通过将复杂的物理问题离散化为一系列简单的子问题，并利用数值方法求解这些子问题，从而得到整体问题的近似解。
在学习有限元法的过程中，习题是必不可少的一环。
本文将给出一些有限元法基础习题的答案，希望能够帮助读者更好地理解和掌握这一方法。
习题一：一维线性弹性力学问题考虑一根长度为L的弹性杆，杆的截面积为A，杨氏模量为E。
在杆的一端施加一个沿杆轴向的拉力F，另一端固定。
假设杆轴向变形u(x)满足以下方程：EAu''(x) = -F，0 < x < Lu(0) = 0, u(L) = 0其中，u''(x)表示u(x)对x的二阶导数。
解答：根据上述方程，我们可以得到杆的位移函数u(x)的表达式。
首先，对方程两边进行积分，得到：EAu'(x) = -Fx + C1其中，C1为积分常数。
再次对方程两边进行积分，得到：EAu(x) = -F/2*x^2 + C1*x + C2其中，C2为积分常数。
根据边界条件u(0) = 0，可得C2 = 0。
代入边界条件u(L) = 0，可得：EAu(L) = -F/2*L^2 + C1*L = 0由此可得C1 = F/2*L。
将C1代入上式，可得：EAu(x) = -F/2*x^2 + F/2*L*x最终得到杆的位移函数u(x)的表达式为：u(x) = (-F/2*E)*(x^2 - L*x)，0 < x < L习题二：二维平面弹性力学问题考虑一个正方形薄板，边长为L，板的厚度为h。
假设薄板的杨氏模量为E，泊松比为ν。
在薄板的一侧施加一个沿法向的均匀表面压力P，另一侧固定。
求薄板的位移和应力分布。
解答：根据平面弹性力学理论，我们可以得到薄板的位移和应力分布。
首先，根据杨氏模量E、泊松比ν和薄板的厚度h，可以计算出薄板的弹性模量D：D = E*h^3 / (12*(1-ν^2))接下来，根据薄板的边界条件和平衡方程，可以得到薄板的位移和应力分布。
集美大学_船舶结构力学(48学时)第一章_绪论(2014年)
4、船体梁：把船整体当作一 根梁（空心变截面梁）静置于 静水中或波浪上，以研究船体 总纵强度等。
5、船体总纵强度（总强度）：
将船视为船体梁来研究船 在纵向分布的重力与浮力作用 下的弯曲变形与应力等强度问 题。
思考：静水、波浪、中拱、中 垂。（参考图1-1、图片等）
中拱、中垂？
中拱、中垂？
以远洋干货船船体结构甲 板舱口部分（图1-7）为例介 绍板架模型的建立：
（参见图1-9）
（图1-4 a)
在计算舱口纵桁和舱口端横梁 在垂直于甲板载荷作用下的弯曲应 力和变形时，可将其取为图1-7a所 示的井字型平面杆系计算图形，即 板架。
以远洋干货船船体结构舱底部 分（图1-7）为例介绍船底板 架模型的建立：
但应注意到这些计算图形具有一 定的近似性。
四、空间结构及板梁组合结构
随着计算机的应用和发展，可采用 更切合实际的计算模型，使结构计算更 加精确可靠。
1、空间结构计算模型举例：图19 大舱口货船悬臂梁结构的计算 模型。
该空间杆系计算模型放弃了以
往模型中舱口纵桁刚性支撑悬臂梁 的假定，更切合实际。可同时算出 甲板纵桁、舱口纵桁、舱口端横梁、 悬臂梁及肋骨的应力与变形。
图1-8a所示的为双甲板船在舱口处横剖面的肋 骨框架计算图形：
刚架的进一步简化：仅由横梁与肋骨 组成的刚架（图1-8b）
考虑到实际船体结构中肋板的 尺寸远较肋骨的大，所以计算时可 将肋骨下端作为刚性固定端。把肋 板放到船底板架中去研究，而得。
注：以上介绍的矩形板、连续梁、板 架和刚架是船体结构中比较典型而 且比较简单的计算图形，应用结构 力学中的经典理论和方法，由手算 就能得到结果。
船舶结构力学
Structural Mechanics of Ship
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sin cos 0 0
0 0 cos sin
F xi 0 F yi sin F xj cos F yj 0
F(e) T (e) F (e)
（2-5） （2-6）
(e )
T
(e )
T T e e F T K T T e
1
K
T K
e
T T
（2-7） （2-8）
F e K e e
结构坐标系下的单元刚度矩阵
结构坐标系下的单元刚度方程
步骤4：构造总体刚度矩阵
N(x)
L-x q(L-x) x
u
du q x ( L x) dx EA N ( x)dx q ( L x)dx du ( x) EA EA
2 N ( x ) dx q x x u ( x) 0 ( Lx ) EA EA 2
有限元法解答
• 离散化
– 将直杆划分成n个有限段 – 两段轴线之间的连接点称 为节点 – 每个有限段称为一个单元 – 第i个单元的长度为Li，包 含第i和第i+1两个节点
注意到节点位移的连续性有： 1 1 1
2 1 2 2 2 3 2 3
步骤4：构造总体刚度矩阵
因此，把全部节点力写成矩阵形式有
(1) F1 K 11 (1) F2 K 21 F 0 3 (1) K 12 (1) ( 2) ( K 22 K 22 ) ( 2) K 32
第2章 杆系结构有限元法
1. 有限元法应用的简例（直杆）
2. 平面桁架系统
1. 有限元法的简例（直杆）
例：自重作用下的等截面直杆
杆的长度为L，截面积为A， 弹性模量为E，单位长度的重量为q
分析杆中位移、应变和应力分布
①材料力学解答 ②有限元法解答
材料力学解答
x
N ( x) q ( L x)
（1- 1）
du ui 1 ui i dx Li
i E i
E (ui 1 ui ) Li
（1- 2）
（1- 3）
EA(ui 1 ui ) N i A i Li
（1- 4）
• 把外载荷集中到节点上
把第 i 单元和第 i+1 单元重量的一半 结点上。
1
2 3 4
• 3单元情况
① ② ③
ui (1 i )ui 1 i ui 2
q 1 2 (1 ) Li 2 EA i
u n u n 1
x a a a
5qa 2 2 EA 8qa 2 2 EA 9 qa 2 2 EA
平 衡 方 程
qa2 节点2： u1 2u2 u3 EA qa2 节点3： u2 2u3 u4 EA qa2 节点4： u3 u 4 2 EA 约束条件 u1 0
集中单元重量
q ( Li Li 1 ) ，集中到第 2
i+1
• 建立结点的力平衡方程
对于第 i+1 结点，由力的平衡方程可得：
N i N i 1
令 i
q( Li Li 1 ) 2
（1-5）
Li Li 1
，并将（1- 5）代入得：
ui (1 i )ui 1 i ui 2
步骤4：构造总体刚度矩阵
A.局部坐标系下的物理量： F Fxi Fyi Fxj Fyj B.结构坐标系下的物理量： F Fxi Fyi Fxj Fyj 杆端力的坐标变换
Fxi Fxi cos F yi sin F yi Fxi sin F yi cos
Fe K e e
或
Fi F j
K ii K ji
K ij i K jj j
e
e
步骤4：构造总体刚度矩阵
F1 对单元(1)有： F 2
F2 对单元(2)有： F3
步骤4：节点力平衡方程
须首先进行坐标转换 在杆系结构有限元法中，每个单元都有自己的局部坐标系， 但对整个结构而言需建立统一的整体坐标系。 把任意的一个单元取出来，放在整体坐标系下，考察一下该 单元在两种坐标系下的物理量的转换（变换）关系。 符号约定：局部坐标系下的物理量用加上画线来标记。 首先定义一下整体坐标系x-y与局部坐标系 x y 的夹角符号： x-y坐标系沿逆时针转动到与 x y 坐标系重合，则x-y坐 标系转过的角度 为正。
步骤4：构造总体刚度矩阵
构造结构刚度矩阵（节点力合成）
对于节点1有：
F1 F1 (1)
单元(1)中节点1的节点力（杆端力）
节点1的节点力 同理有：对节点2：
F2 F2 (1) F2 (2) 对节点3： F3 F3 ( 2)
e
任一单元(e)的单元刚度方程为：
0 1 ( 2) K 23 2 ( 2) K 33 3
（2-9）
或：
F K
0 0
（2-10）
1 0 所以，总刚为 1 EA [k ] 0 l 0 0
1 0 1
1
K 11 K 21
K 22 K 32
K 12 1 K 22 2
K 23 2 K 33 3
2
1
1
2
2
因此，由节点1，2，3节点力合成可得：
F1 F1 1 F1 K 11 1 1 1 K 12 1 2 1 1 2 1 1 1 1 2 2 2 2 F2 F2 F2 F2 K 21 1 K 22 2 K 22 2 K 23 3 2 2 2 2 2 F F F K K 3 3 32 2 33 3 3
目标：确定节点位移与节点力的关系
受轴力作用杆横截面上的应力为：
Fx A
应力与应变的关系是： E
步骤3：单元特性分析
du 1 (u j ui ) dx l
EA F EA ui u j l 杆端力为：
Fxi F yi F xj F yj EA ui u j l 0 EA u j ui l 0
K (1)
0 0 1 0
对单元2，α＝45
1 2 1 EA 2 2l 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
K ( 2)
(e )
步骤4：构造总体刚度矩阵
单元刚度矩阵的坐标变换:
在局部坐标系下，单元的刚度方程为：
F k
由式（2-5）可得： 由式（2-6）可得：
F k
使：
T
F T F T F
1 T
带入可得：
e
q 1 (1 ) L2 i 2 EA i
（1-6）
根据约束条件， u1 0 。对于第 n+1 个结点，
Nn
qLn 2
qL2 n 2 EA
（1-7）
u n u n 1
建立所有结点的力平衡方程，可以得到由 n+1 个方程构成的方程组， 可解出 n+1 个未知的接点位移。
a
a a
步骤4：构造总体刚度矩阵
单元刚度矩阵
[k ]：F [k ]
(e )
(e )
qL2 n 2 EA
有限元方法分析的一般步骤
a 离散，建立有限元模型：节点和单元 b 确定单元位移分布（由结点位移进行插值） c 单元特性分析； d 节点力（内、外力）平衡条件； e 引入位移边界条件后求解；
2 例：
1 （1）
平面桁架系统
F 2
（2） 3
已知 直杆长度为l，两杆夹角为 45度。两杆的横截面面积 为A，材料弹性模量为E。 求：图示桁架各杆端位移。
步骤2：选择单元位移函数
代入节点的位移,
x 0： u( x) ui
a ui b (u j ui ) / l
和 x l： u( x) u j
所以：
u ui (u j ui ) x / l v0
(2-2)
步骤3：单元特性分析
步骤3：单元特性分析（确定应变、应力、轴力）
0 0 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2
0 0 1 2 2 1 2 2 1
0 1 0 0 0
2 2 1
2 2 1 2 2 1 2 2
2 2 1 2 2
0 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 0
Fxj Fxj cos F yj sin F yj Fxj sin F yj cos
或 同理xi cos F yi sin F xj 0 F yj 0
矩阵形式表示
(2-3)
步骤3：单元特性分析
式（2-3）还可写成
F K
e e
e
（2-4）
式（2-3）或（2-4）称为单元刚度方程
单元刚度矩阵
F K
e e
局部坐标下的节点力列向量
e
局部坐标下的节点位移列向量
解： 步骤1：离散和选择单元类型