§9-4 连续梁的整体刚度矩阵

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单元刚度矩阵

单元刚度矩阵

Fx1

EA l

u1
u2

Fx 2


EA l

u1


u2


M1

4EI l
1

2EI l
2
6EI
l2
v1 v2

M2

2EI l
1

4EI l
2

6EI l2
v1

v2


6EI
Fy1 l 2
1 2

12EI l3
v1
A
B
C


D
E


A①
B ②C ⑤ F
D③

E
局部坐标系 下单元刚度
杆端位移向量
1 1
u1
v1 杆端力向量
1
EAI
2
e
l
2 2
u2
v2
Δe 1 2 3 4 5
eT
u1 v1 1 u2 v2 2
eT
6
1 M1
2 M2
Fx1
Fx 2
Fy1
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
u1 1 v1 1 1 1 u2 1 v2 1 2 1
(1) (2) (3)
k = (4) (5) (6)
EA l
0
0
0
12EI 6EI l3 l2
0
6EI 4EI l2 l
-EA l
0
0
0
-12EI -6EI l3 l2
以连续梁

单元刚度矩阵(整体坐标系)[详细]

单元刚度矩阵(整体坐标系)[详细]

1 y
①2

解:编号建立坐标如图所示。
6m
8m
6m
(0,0,0)
3
单元①:
25.0
0.0
① 0.0 k 25.0
0.0 0.0
0.0 0.69 2.08 0.0 0.69 2.08
0.0 2.08 8.33 0.0 2.08 4.17
25.0 0.0 0.0 25.0 0.0 0.0
2.杆端力的坐标变换(将整体量转换为局部量)
(1)杆件始端(1端)
X
Fx1 FX1 cos FY1 sin
α
Fy1 FX1 sin FY1 cos
M1 M1
局部坐标系
Y 中的杆端力
(2)杆件末端(2端) FX1
Fx2 FX 2 cos FY 2 sin Fy2 FX 2 sin FY 2 cos
0
1
2
k ②
10

30 12
0 0
100 30 30 12
0 0
50
30
3 0
0 300 0 0 300 0 2 0
30 0
50 30
0
100
0
)
[例2] 求整体坐标下的 单元刚度矩阵,
(0,0,0) (1,2,3) x
A=0.5m2,I=1/24 m4, E=3×107Mpa。
12 30
0
12
30

k
0 300
30 0
100 0
0 300
30 0
50
0

k
0 12 30 0 12 30
0 30 50 0 30 100

连续梁的整体刚度矩阵

连续梁的整体刚度矩阵
1
▲杆件单元归纳
自由梁单元: (用于刚架) 1
3
e
2
e
k
(6×6)
6
忽略轴向变形 2 e
4
4
的梁单元:
5
1
3

12
EI l3
k e (4×4)

EI 6 l2
12
EI l3
EI

6 l2
6
EI l2
4 EI l
6
EI l2
2 EI l
12
EI l3
6
EI l2
EI 12 l3
2 2i1
4i1

单刚②
对号入座 原理相同
(
(2
2 4i2 3 2i2
对号入座
3)
2i2
4i2

整体刚度矩阵
结点 位移码
(1 2 3)
4i1
2i1
0 1

2i1
4i14i2
2i2

2 3
0
2i2
4i2
结点荷载向量的集成原理相同 5
)
▲“对号入座”形成整体刚度矩阵(总刚)步骤
6
EI l2
6
EI l2

2 EI l

6
EI l2

4 EI

l
桁架单元:
1
e
EA
k 2
e
l
(2×2)

EA l

EA l

EA
l
连续梁单元:
1
e
k 2
e

4

《结构力学》课程规范

《结构力学》课程规范
备注

第3章静定结构受力分析
教学目的
和要求
能运用截面法求任意界面的内力,并用叠加法及荷载与内力的关系作各种结构的内力图
重点和难点
重点:截面法求任意界面的内力,用叠加法及荷载与内力的关系作各种结构的内力图
难点:熟练的运用截面法、叠加法作各种结构的内力图
“三基”分析
基本知识:截面法、叠加法
基本理论:截面法求任意界面的内力,用叠加法及荷载与内力的关系作各种结构的内力图
二、课程知识、能力体系
《结构力学》课程知识(能力)体系
序号
知识单元描述
知识点
对应能力
学时
要求
1
第一章
绪论
结构力学的学科内容和教学要求、结构体系的简化、杆件的分类、荷载的分类、学习方法
掌握学习结构力学的方法
2
掌握
2
第二章
结构的几何构造分析
几何构造分析的几个概念.平面几何不变体系的组成规律.平面杆件体系计算的自由度.
本章思考题
3-1,3-2,3-3(b),3-5,3-8(a),3-9(d)
主要
参考资料
结构力学参考书或网络资源;
教材:龙驭球,包世华.结构力学教程(第三版).高等教育出版2006
备注

第4章影响线
教学目的
和要求
移动荷载概念,影响线概念,用静力法作简支梁影响线,机动法作影响线,影响线的应用,简支梁包络图和绝对最大弯矩。
4
掌握
9
第九章
矩阵位移法
矩阵位移法的基本步骤.单元刚度矩阵.整体刚度矩阵.等效节点荷载杆端力.
掌握矩阵位移法的解题思路和步骤.理解单元刚度矩阵、总刚度矩阵中元素的物理意义。重点掌握利用单元定位向量将单元刚度矩阵 和单元等效节点荷载向量集成刚度矩阵和结构荷载向量的方法.

第九章_矩阵法(结构力学)

第九章_矩阵法(结构力学)

因此它的逆矩阵不存在
从力学上的理解是,根据单元刚度方程 F

F e F e e
e
k
e
e
e
有一组力的解答(唯一的),即正问题。 如果 F

e
不是一组平衡力系则无解;若是一
18
组平衡力系,则解答不是唯一的,即反问题。
3、特殊单元
以连续 梁为例:
(e) (e)
M2 Fx 2 Fy 2
(1) u1 v ( 2) 1 1 (e) ( 3) ( 4) u2 ( 5) v2 2 ( 6)
e
(1) (2)

e (3) k = (4)
(5) (6)
0
EA l 0 0
2EI l
0 -6EI l2
只与杆件本身性质有 关而与外荷载无关
0 0
-12EI -6EI l3 l2 6EI l2 2EI l
4EI l
17
2、单元刚度矩阵的性质
(1)单元刚度系数的意义
k ij —代表单元杆端第j个位移分量等于1时所引起的第i个杆端力分量。
第九章
1
位移法的特点: 基本未知量——独立结点位移;
基本体系——一组单跨超静定梁;
基本方程——平衡条件。
位移法思路:先化整为零,再集零为整
结构 杆件 结构
两种方法:平衡方程法和典型方程法
2
矩阵代数复习
1、矩阵定义 一组元素按行、列次序排列成的矩形阵列称为矩阵。若矩阵 的元素排列为m 行和n列,称为mn 阶矩阵。
凡是符号上面带了一横杠的就表示是基于局部座标系而言的。

第九节矩阵位移法

第九节矩阵位移法

(2 =1)
0
6EI l2 2EI l
0
6EI
l2 4EI
l
e
…(9-4)
F e k ee
…(9-5)
即为一般单元的刚度方程。其中 k e 称为局部坐标系中的单
元刚度矩阵。
2、一般单元刚度矩阵的性质
(1)单元刚度系数的意义
单元刚度矩阵中的每个元素称为单元刚度系数 kij ,其物理
意义表示由于单位杆端位移引起的杆端力。
( v1e
v2e
)
Fye1
6EI l2
(1e
2e )
12EI l3
( v1e
v2e )
Fye2
6EI l2
(1e
e 2
)
12 l
EI
3
( v1e
v2e
)
Fx1 M1
1
v1
Fy1
u1
…(9-2)
e
1
M2
Fx2
2 Fy2
v2
u2
2
式(9-1) 、(9-2)即为局部坐标系下平面刚架一般单元的单元刚度方
ke T Tk eT
F e kee
即为单元e在整体坐标中的单元刚度方程 其中 k e为整体坐标系的单元刚度矩阵,和 k e 同阶,且具有类似的性质。
§9-4 结构的整体刚度矩阵
作用在结构上的荷载与结构的结点位移, 也存在一一对应的关系,即为结构的整体刚 度方程。结构的整体刚度方程反映了结点荷 载和结构位移之间的关系,其实质就是位移 法的基本方程。求解方法一种是传统位移法, 另一种是直接刚度法。
l
Fxe1
EA l
u1e
EA l
u2e

矩阵位移法

矩阵位移法
(a)
TT T T T T I
Fx1 F y1 M1 单元坐标 转换矩阵 F x2 Fy 2 M 2
e
Hale Waihona Puke eF e TF e
T 1 T T
单元坐标转换矩阵T是一正交矩阵。
EI 25 104 kN m l
0 300 0
5m
0 为了简洁,下面将矩阵 中各元素的单位略去。 12 30 0 12 30 30 100 0 30 50 4 EA 10 0 0 l 0 0 300 0 0 12 30 0 12 30 12 EI 6 EI [k11 ] 0 3 2 30 50 0 30 100 l l 6 EI 4 EI 第一列元素变符号即第四列,第二列元素变符号即第五列 0 ①: 2 ②求整体坐标系中的单刚, k l l 第一行元素变符号即第四行,第二行元素变符号即第五行
3、有限单元法的三个基本环节: ①单元划分:一根等截面直杆作为一个单元,单元间由结点相联。 ②单元分析:建立单元刚度方程,形成单元刚度矩阵(物理关系)。 ③整体分析:由单元刚度矩阵形成整体刚度矩阵,建立结构的 位移法基本方程(几何关系、平衡条件)。
§9-2 单元刚度矩阵(element stiffnessmatrix)(局部坐标系)
T11 T12 T T T 21 22
因此,(a)式的逆转换式为: 同理
F e T TF e
e T e
(b)
e T T e
整体坐标系中的单元刚度矩阵
F e TF e
(a)
e T e
(b)
单元刚度矩阵的性质 设局部坐标系中、整体坐标系中的单元刚度方程分别为: ①单元刚度矩阵是杆端力用杆端位移来表达的联系矩阵。 e e e F k Δ (c) ②其中每个元素称为单元刚度系数,表示由于单位杆端位移引起的杆端力。 ③单元刚度矩阵是对称矩阵。 F e k eΔe (d ) ④第k列元素分别表示当第k个杆端位移=1时引起的六个杆端力分量。 e e e e ⑤一般单元刚度矩阵是奇异矩阵。不存在逆矩阵。因此, 将式(a)、(b)代入式(c) k eT IF T T TTF ke T T 可由单元刚度方程,由杆端位移唯一确定杆端力;但由杆端力反推杆端位移时, 可能无解、可能解不唯一。 k e T T k eT

刚架的整体刚度矩阵[详细]

刚架的整体刚度矩阵[详细]
第9章 矩阵位移法
§9-1 概述 §9-2 单元刚度矩阵(局部坐标系) §9-3 单元刚度矩阵(整体坐标系) §9-4 连续梁的整体刚度矩阵 §9-5 刚架的整体刚度矩阵 §9-6 结构整体结点荷载 §9-7 计算步骤和算例
▲ 竖向杆件坐标变换的简化技巧 §9-8 忽略轴向变形时刚架的整体分析 §9-9 桁架及组合结构的整体分析
0 30 100 0 30 50 3

104 ×300 0
0 300 0
0
0
3 0 12 30 0 12 30 0
0
30 50
0
30
100
4
1
3
单元② 900
k② T T k ② T
0 1 0
1 0 0
0
T
0
01
0
1 0
0
1 0 0
0 0 1
1 2 300 0
0
12 30
0
12
30
2
104
×
0 300
30 0
100 0
0 300
30 0
50 3
0
0
0 12 30 0 12 30 0
0
30 50
0
30
100
4
1230 00
12 0 30 12 0 30 1
0
300
0
0
300
0
2
104
×
30 12
0 0
100 30 30 12
0 0
解:1)编号、建立坐标如图所示。 2)写出各单元局部坐标下的 刚度矩阵
1(1,2,3) ①

2 y (0,0,0)
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即 2i11 (4i1+4i2 )2 2i23 M 2
结点3:
统一用矩阵表示:
2i1 4i1 2i 4i 4i 1 2 1 0 2i2
0 1 M 1 1 2i2 2 M 2 2 4i2 3 M 3 3
2 定位向量 2i2 1 4i2 2 4 ⑤ 4i5 [k ] 2i5 5 2i5 4 4i5 5
1 0 1 定位向量 ① 4i1 2i1 0 ② 4i2 [k ] [k ] 1 2i1 4i1 2i2 2 3 3 4 ③ 4i3 2i3 2 ④ 4i4 2i4 3 [k ] 3 [k ] 2i 4i 4 2i3 4i3 4 4
结点1:
M2

M3
i1
1 2
i2
3
M12 M1 结点2:M 21+M 23 M 2 M 32 M 3
整体刚度方程: 观察单元与整体刚度方程 的结点位移码对应关系, 可理解“单元集成法”。
即 即
( 1 2
4i11 2i12 M1 2i22 4i23 M3
3 )
结点位移码
12
EI l3 EI 6 2 l EI 12 3 l EI 6 2 l
EI l2 EI 2 l EI 6 2 l EI 4 l 6
桁架单元:
e
1
EA EA e l l 2 k EA EA (2×2) l l
2i2 2 4i2 3
3 )
二、单元集成法(直接刚度法)
1.定位向量 —— 由单元的结点位移码 (整体码)组成的向量。 1
1 2

M1

M2 2

M3 3
i1
i2
2 3

2.整体刚度矩阵集成
定位向量
( 1
整体刚度矩阵
3)整体刚度矩阵
2 2i2 1 4i2 2
4 ⑤ 4i5 [k ] 2i5
5 0 0
结点 位移码
5 2i5 4 4i5 5
1 4i1 +4i2 2i2
2 2i2 4i2+4i3 2i3
3 0 2i3
4 0 0 2i4
1 2
[K ]
0 0
0
4i3+4i4
0
3
矩阵表示
M12 4i1 2i1 1 M 21 2i1 4i1 2 M 23 4i2 M 32 2i2 2i2 2 4i2 3
单元②
矩阵表示
M1

5.由结点平衡 建立位移法方程

M2
2

M3
i1
T
i2
3
2.已知原始结点荷载 4.写出单元的杆端弯矩
(转角位移方程)
单元①
M1 M 2 M3
— 即三个结点力偶荷载
T
3.基本未知量(结点位移) 1 2 3
— 即三个转角位移
(单元刚度方程)
M12 4i11 2i12 M 21 2i11 4i12 M 23 4i2 2 2i2 3 M 32 2i2 2 4i2 3
▲杆件单元归纳
自由梁单元: (用于刚架)
3
1
2
e
6 4 5
忽略轴向变形 的梁单元:
EI 12 l 3 6 EI e l2 EI (4×4) 12 l3 EI 6 2 l
2
4
e
3
1
(6×6)
k
e
k
EI l2 EI 4 l EI 6 2 l EI 2 l 6
2 )
结点 位移码
单刚①
1 2 )
4i1 2i 1
2i1 4i1
( 1
2
3 )
(
(
单刚②
对号入座 原理相同
( 2
2 3 )
4i2 2i 2
2i2 4i2
3 )
对号入座
4i1 2i 1 0
2i1 4i14i2
2i2
0
2i2 4i2

▲结点荷载向量的集成原理相同
[例1]
形成连续梁的整体刚度矩阵
(1)
(0) 1
2
(2)
3
(3)
4
(4)
5
(5)
i1
1 2
i2
3
i3
4
i4
5
i5
6
解:1)编号及建立坐标
2)单元刚度矩阵
(连续梁每个结点只一个位移)
1 0 1 定位向量 ① 4i1 2i1 0 ② 4i2 [k ] [k ] 1 2i1 4i1 2i2 2 ③ 4i3 [k ] 2i3 3 2i3 2 4i3 3 3 ④ 4i4 [k ] 2i4 4 2i4 3 4i4 4
4 5
0
0
2i4 4i4+4i5 2i5 4i5 2i5 0
[例2] 形成连续梁的整体刚度矩阵(E、L为常量)。 (0,0) 解:1)编号及建立坐标
(连续梁每个结点有二个位移)
1
I1
(0,1) 2
(2,0)
2 I2
1
3
2)单元刚度矩阵 0 0 0 1 定位向量 12EI1 6EI1 -12EI1 6EI1 0 L2 L3 L2 L3 6EI1 4EI1 -6EI1 2EI1 0 L L2 L2 L -12EI1 -6EI1 12EI1 -6EI1 0 L2 L2 L3 L3 2EI1 -6EI1 4EI1 6EI1 1 L L2 L L2
第9章 矩阵位移法
§9-1 §9-2 §9-3 §9-4 §9-5 §9-6 §9-7 ▲ §9-8 §9-9 概述 单元刚度矩阵(局部坐标系) 单元刚度矩阵(整体坐标系) 连续梁的整体刚度矩阵(先讲) 刚架的整体刚度矩阵 结构整体结点荷载 计算步骤和算例 竖向杆件坐标变换的简化技巧 忽略轴向变形时刚架的整体分析 桁架及组合结构的整体分析
k =

1
2
1
2
0
1
2
0
定位向量
k =

2
3
3)整体刚度矩阵
12EI2 6EI2 -12EI2 6EI2 L2 L3 L2 L3 6EI2 4EI2 -6EI2 2EI2 L L2 L2 L -12EI2 -6EI2 12EI2 -6EI2 L2 L2 L3 L3 2EI2 -6EI2 4EI2 6EI2 L L2 L L2
0 1 2 0

K =
4EI1 4EI2 L + L -6EI2 L2
-6EI2 L2 12EI2 L3
1 2
结 束
(第二版)作业: 9—1、3(形成总刚)
结 点 位 移 向 量 结 点 荷 载 向 量
( )
整体刚度矩阵
单 元 ①
M12 4i1 2i1 1 M 21 2i1 4i1 2
( 1
2 )
单 元 ②
M 23 4i2 M 32 2i2
( 2
连续梁单元:
1
e
EI 4 2 e l k EI (2×2) 2 l
EI l EI 4 l 2
§9-4 连续梁的整体刚度矩阵
一、传统位移法(结合矩阵表示)
(整体分析)
1.编号、建立坐标。
(连续梁每个结点只一个位移) (局部坐标与整体坐标一致) 1
M1
1
2
(
3
)
结点荷载向量的集成原理相同
▲“对号入座”形成整体刚度矩阵(总刚)步骤
1.将定位向量标在整体坐标下的单元刚度矩阵边上;
2.将单元刚度矩阵中已知支座位移为零的行和列(相
应于定位向量中0编号的行列)划去;—— 先处理法
3.整体刚度矩阵[K]为n×n 方阵,n 即结构未知量数; 4.将各单元刚度矩阵[k]e按照其定位向量“对号入座” 集合入整体刚度矩阵,形成[K](空白的位置以0填充)。
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