6.杆系有限元
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。
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。
杆梁结构的有限元分析原理[详细]
![杆梁结构的有限元分析原理[详细]](https://img.taocdn.com/s3/m/a4e2b56776eeaeaad1f330d6.png)
le
EAe
le
EAe
u1 u2
P1
le
P2
u1 u2
1 qeTK eqe PeTqe 2
刚度矩阵
节点力列阵
3）离散单元的装配
在得到各个单元的势能表达式后，需要进行离散单元的装配，以
求出整个系统的总势能，对于该系统，总势能包括两个单元部分
e 1 2
1 q1T K1q1 q2T K 2q2 P1Tq1 P2Tq2 2
第4章 杆系结构的有限元分析原理
杆梁单元概述
讨论杆梁单元和由它们组成的平面和空间杆梁结构系统. 从构造上来说其长度远大于其截面尺寸的一维构件 承受轴力或扭矩的杆件成为杆 杆梁问题都有精确解 承受横向力和弯矩的杆件称为梁 平面桁架 平面刚架 连续梁 空间刚架 空间桁架等 承受轴力或扭矩的杆件称为杆 将承受横向力和弯矩的杆件称为梁 变截面杆和弯曲杆件
单元节点条件：u(0)=u1， u(l)=u2
从而得
a0 ui ,
a1
uj
le
ui
i
1,
j
2
回代得
u(x) a0 a1x
ui
u j ui le
x
1
x le
ui
x le
u
j
Niui N ju j
其中Ni，Nj是形函数。
写成矩阵形式为
q Niu Nqe
N
ju
ui u j
1 2
u1
EA1
u2
l1 EA1
l1
EA1
l1
EA1
u1 u2
R1
l1
0
u1 u2
1 2
u2
EA2
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
有限元(第二章-杆单元部分)tg
−
1 2 1 2 1 2 1 − 2
−
1 2 1 2 1 2 1 − 2
1 2 1 − 2 1 − 2 1 2
按节点号叠加得6×6阶总刚度矩阵
−1 1 0 0 1 0 1 − 1 0 1 + 2 2 [K ] = 0 0 − 1 2 2 0 0 − 1 2 2 1 0 −1 2 2 0 0 1 − 2 2 1 2 2 1 2 2 1 − 2 2 0 0 0 −1 1 1 − 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 − 2 2 2 2 1 1 − 1+ 2 2 2 2
2-10 刚度矩阵元素的带状分布
【例】对图（a）中结构分别采用图（b）、图 （c）两种编号方式以观察其刚度矩阵的带宽。
对于图(b)、(c) 编号方式的结构，总刚度矩阵 的非零元素分布分别如下图(a)、(b) 所示。
[K ]
e
λ2 AE λµ = L − λ2 − λµ
λµ µ2 − λµ − µ2
Fx1 1 Fy1 AE 0 = L − 1 F x2 Fy 2 0
即：
0 − 1 0 u1 0 0 0 v1 0 1 0 u 2 0 0 0 v 2
{F }= [K e ]{δ }
求各杆单元的λ和μ的值。Φ角是按 逆时针从x轴正向转到单元ij方向的
三杆受力桁架
单元⑴ 单元⑵ 单元⑶
ϕ = 0 o , λ = 1, µ = 0 ϕ = 90 o , λ = 0 , µ = 1 ϕ = 135 o , λ = −
1 1 ,µ = 2 2
单元刚度矩阵分别为
集美大学 船舶结构力学(48学时)第一章 绪论(2014年)
8、船体扭转强度：当船舶在 斜浪上航行，整个船体将发生 扭转，船舶抵抗发生过大扭转 变形或受到破坏的能力。
9、应力集中：在船体结构不 连续的地方，发生应力汇集或 突然增大的现象，将引起构件 裂缝形成或蔓延。（参见图16及图片）
注： (1) 船舶强度（或船体强度） 是泛指研究船体结构强度的科 学，它包括外力、结构在外力 作用下的反应即内力研究和许 用应力的确定等一系列的问题。
3、工艺力学； 4、船体结构强度分析的一些特 殊力学问题。
（船舶进坞及下水强度、温度对船体结构的作 用及船舶抗冰强度）
教学目的：
1、通过本课程的学习，使学生掌 握船舶结构力学的基本理论与方 法； 2、 力求培养学生船舶结构分析 与计算等方面的能力；
3、 培养学生自学和独立思考 能力，以便在走上工作岗位后， 能通过自学不断地吸收新知识， 开拓新领域，研究新问题，探 求新的机理，充分发挥自己的 才能。
2、骨架的计算模型（连续梁、 板架、刚架）
就整个船体来说，船体的骨架 系统是一个复杂的空间杆系结构。 在实际计算时，尤其是采用经典方 法计算时，常常把杆系简化成一些 形状比较规则的简单的计算图形。
1) 杆件（杆）：细长的型钢 或组合型材如横梁、肋骨、肋 板、纵骨、纵桁等船体骨架。
2) 杆件系统（杆系）：相互 连接的船体骨架系统。船体的 杆系是一个复杂的空间系统。 简化后的典型杆系：连续梁； 板架；刚架。
3)连续梁（刚性支座上的连续 梁）：两端以一定的形式固定， 中间具有多个刚性支座，且在 横向荷重作用下的直杆。（注： 属多次静不定结构。）
以远洋干货船船体结构甲 板部分（图1-7）为例介绍连 续梁模型的建立： （参见图1-8）
甲板纵骨
当计算甲板纵骨在垂直于甲板 的载荷作用下的弯曲应力与变形时， 可将其取为图1-6 a所示的计算图 形——两端刚性固定、中间自由支 持在刚性支座上的连续梁。
弹性地基梁杆系有限元法在深大基坑工程支护设计中的应用
文章编号:1000-6869(2005)03-0114-04弹性地基梁杆系有限元法在深大基坑工程支护设计中的应用张强勇(山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061)摘要:由于弹性地基梁法能够反映支挡结构与土的相互作用,并可有效考虑基坑开挖、回填过程中各种基本因素和复杂情况对支护结构内力和变形的影响,本文根据Winkler 弹性地基梁的计算原理和方法,编制了弹性杆系有限元计算程序,对深圳市民广场深大基坑桩锚支护结构进行了设计计算,获得了支护桩桩身位移和弯矩随开挖过程的分布变化规律,计算结果有效指导和优化了基坑支护设计,保证了基坑和邻近基坑的地铁区间隧道结构的安全,支护设计取得了显著的经济效益。
关键词:弹性地基梁;杆系有限元;桩锚支护设计;内力和变形;显著的经济效益中图分类号:T U431 文献标识码:AApplication of bar system FE M for beam on elastic foundationin supporting design for a deep and large foundation pit engineeringZH ANG Qiangy ong(G eotechnical and Structural Engineering Research Centre ,Shandong University ,Jinan 250061,China )Abstract :The interaction between supporting structure of s oldier pile and s oil mass can be reflected by the principle of beam on elastic foundation ,and at the same time ,it can effectively take into consideration the influences of various factors and com plex situation during the course of excavation and backfill for foundation pit on internal force and deformation of s oldier pile.S o according to the com putation principle and method of Winkler beam on elastic foundation ,a com puting program of elastic bar system FE M has been programmed.The program has been applied to com pute the internal force and deformation of anchored s oldier piles in a deep and large foundation pit of Shenzhen People ′s Square.The variation law of displacement and bending m oment of supporting s oldier pile during excavation has been obtained.The com puted results have efficiently guided and optimized supporting design ,and have guaranteed safety for the deep foundation pit and Shenzhen metro structure which is close to the foundation pit.Thus remarkable economic results have been achieved.K eyw ords :beam on elastic foundation ;bar system FE M ;supporting design for anchored s oldier pile ;internal force and deformation ;remarkable economic results基金项目:国家自然科学基金资助项目(40272120)和山东省中青年科学家奖励基金资助项目(02BS120)。
有限单元法课件第四章 杆件系统的有限元法
(a)
(b)
由杆件组成的结构体系称为杆系,如起重机,桥梁等。
由桁杆组成的杆系称为桁架。
由梁组成的杆系成为刚架。
若杆系和作用力均位于同一平面内,则称为平面桁架 或平面刚架,否则称为空间桁架或空间刚架。
由于杆件结构采用一维单元进行离散,所以杆系的网 格划分容易用半自动方法实现。当采用自动网格划 分方法时,杆系的几何模型是由杆件轴线构成的线框 模型。
R
e P
RiP R jP
R
lP
R
R
e F
RiF R jF
Rlx Rly NlT l R l
lF T l
Px dx (l i, j ) Py
e T
Bj dx
kii k ji
kij k jj
其中矩阵元素为
kst D Bt dx B as 0 EA 0 at 0 0 0 bs dx 0 EI 0 bt ct 0 cs 0 0 EAas at dx 0 EIb b EIb c s t s t EIcs bt EIcs ct 0
e
du dx e x 2 B Bi q x d v dx 2
Bj q
e
其中
ai 0 0 Bi 0 b c i i a j 0 0 Bj 0 b c j j 1 12 6 ai a j bi b j 3 x 2 l l l 4 6 2 6 ci 2 x cj 2 x l l l l
有限元第三章杆系结构单元分析
对应的虚应变为：
B δe
根据虚位移原理虚功方程，有：
W外 FdeT δ e
l 0
q(
x)
N
δ
edx
W变
l
0 Adx
l δ eT BT EAB δ edx 0
将上式整理得：
（3-23）
Fde
dx
（3-5）
虚曲率
k d 2 v
dx2
（3-6）
若又设单元任一截面实际的水平和竖向位移为 u (x)、v (x)，
则由材料力学可得与位移对应的截面内力为
FN
EA du dx
（3-7）
M
EI
d 2v dx2
（3-8）
式中EA,EI分别为单元的抗拉（压）、抗弯曲刚度。
有限单元法
在图3-3和上述矩阵说明的情况下，将虚位移原理用于单元， 则单元的虚功方程为
类型单元刚度矩阵相同。
Y
x
y
局部坐标
○
○
X
○○
○
整体坐标
P
大家要熟悉知道单元编号，节点编号，位移编号，以及整体 坐标和局部坐标。
有限单元法
2 1
3
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5
6
图2.1 弯曲杆件系统
1
有限单元法
2
3
4
5
图2.2 截面连续变化杆件系统
结点编号
单元编号
5 (8 9 10) 6
4
3
(2 3 4)
3
1
1 (0 0 0)
设平面杆系结构用结点分成等直杆（单元）集合，其 中某单元e隔离体如图3-3所示，如果建立了单元e的虚位移 原理虚功方程，则整个杆系结构的虚功方程可由对各杆求 和获得。为用矩阵形式写出杆件及杆系结构虚位移原理的 虚功方程，以便于今后推导使用，特引入一下矩阵（向 量）：
第三讲 杆系有限元-单元分析部分
两类坐标系统的变换矩阵
平面桁架杆单元
cos T 0
sin 0
0 cos
0 sin
两类坐标系统的变换矩阵
空间桁架杆单元
cos T 0
cos 0
cos 0
0 cos
0 cos
0 cos
两类坐标系统的变换矩阵
空间一般杆单元
杆系有限元分析的基本未知量
三、单元杆端力与单元杆端位移
在单元坐标系统中，在平面一般杆单元中，截面位移包括截面转角 和轴、切向线位移；有意义的截面合力也对应包括截面弯矩、截面 轴力和截面剪力 将单元两端结点位置的截面位移合成一个向量，即为单元杆端位移 向量； 将单元两端结点位置的截面合力合成一个向量，即为单元杆端力向 量； 在不同类型的杆单元中，由于结点的自由度不同，杆端位移和杆端 力向量有着不同的表达
杆系有限元分析的基本未知量
一、结点、结点位移、结点位移向量
一般空间杆系结构中， 结点自由度为6。 包括三个平动自由度和 相关于三个主轴的转动 自由度
杆系有限元分析的基本未知量
一、结点、结点位移、结点位移向量
根据位移法的概念： 体系分析时，结点的自由度确定后，则结 点的力向量、位移向量的分量则可以确定 映射到单元的单元力向量和位移向量分量 的性质和数目也就随之确定。
(e)
杆系有限元分析的基本未知量
三、单元杆端力与单元杆端位移
平面桁架杆单元 单元坐标系统下
杆端力向量
FNi FNj ui u j
结构整体坐标系统下
杆端位移向量
Fxi F yi Fxj Fyj
ui v i u j v j
杆件结构的有限元法PPT课件
2 2
K e
EA
2
L 2 2
2
EA k e k e
L k e
k
e
其中：k e
2
2
2
2
第28页/共33页
求解整体坐标系下结构受力与位移方程组：
F K
可得到各节点位移，从而可以求出每根杆的 受力，简单推导可得：
pij
EA L
,
ij
单元1：FF12
ka ka
单元2：FF32
kb kb
ka ka
uu12
kb kb
uu32
第12页/共33页
(2)由于整个系统有3个节点，扩充上述方程为3阶：
F1 F2
ka ka
ka ka
00uu21
F3 0 0 0u3
F1 F2
kb kb
** **
行
2j-1 2j
** **
** **
第30页/共33页
刚度矩阵的性质： （1）对称性——关于主对角线对称； （2）稀疏性——大量0元素； （3）带状分布——非0元素在主对角线两侧 呈带状分布。 所以可以对总体刚度矩阵进行压缩存储。方法 是：找出所有各行中非0元素所占最宽一行， 以离对角线最远的元素为基准画一条平行于主 对角线的带子，称为其带宽，方法称为等带宽 存储。由于对称性，带宽的一半称为半带宽。
• （1）形成每个单元刚度矩阵； • （2）由各单元的刚度矩阵按节点号叠加
整个系统的刚度矩阵；
• （3）引入约束条件； • （4）以节点位移为未知量求解线性方程
组
• （5）用每个单元的力-位移关系求的单元
第18页/共33页
第三节 杆件系统的有限元法 简单拉（压）杆的受力特点为作用在直杆 上的外力（体力、面力）合力的作用线一定与 杆的轴线重合，如图所示。
有限元分析——杆系系统计算
技术中心
18 /33
（3）建立整体刚度矩阵 将各个单元刚度矩阵按节点编号进行组装，形成整体刚度矩阵；同时将 所有节点载荷进行组装。 刚度矩阵：
节点位移：
节点力：
江西五十铃发动机有限公司
技术中心
19 /33
整体刚度方程为：
（4）边界条件的处理及刚度方程求解 边界位移条件为：
化简后有：
江西五十铃发动机有限公司
（4）刚度方程求解 边界条件为：
=
，代入方程化简后有
江西五十铃发动机有限公司
技术中心
27 /33
-2 0 0 u 2 4 0 0 2 0 0 - 2 v2 5 - 2 0 2.7 - 0.7 0.7 u3 10 0 u 4 0 0 - 0.7 1.4 0 3.4 0 - 2 0.7 v4
节点100100桁架结构节点及坐标江西五十铃发动机有限公司33技术中心24单元对应节点桁架结构的单元及对应编号单元各单元长度及方向余弦2单元分析求出各杆单元的坐标转换矩阵及刚度矩阵江西五十铃发动机有限公司33技术中心25江西五十铃发动机有限公司33技术中心263整体分析将各单元刚度矩阵按节点编号进行组装可得整体刚度矩阵
技术中心
20 /33
对该方程进行求解，有
则所有的节点位移为：
（5）各单元应力的计算
同理，可 /33
（6）支反力的计算 根据整体刚度方程，可求得结果为
江西五十铃发动机有限公司
技术中心
22 /33
算例三： 五杆桁架结构，各杆的弹性模量与截面积为E= P=2000N，求结构的节点位移、支反力和单元应力。 （1）结构离散与编号 结构离散后进行节点编号与单元编号， 有关节点与单元的信息见下表。
杆系结构的有限元法分析
杆系结构的有限元法分析有限元法是一种结构分析方法，常用于分析各种不同类型的结构系统，其中包括杆系结构。
杆系结构是由杆件连接而成的桁架结构，常见于桥梁、塔架和支撑结构等。
利用有限元法进行杆系结构的分析，可以得到结构的位移、应力、应变和刚度等信息，帮助工程师评估结构的稳定性和安全性。
下面将介绍杆系结构的有限元法分析的步骤。
首先，进行前期准备工作。
这包括收集与结构相关的几何信息（如杆件长度、截面形状等）、边界条件（如固定支座、外载荷等）和材料性质（如材料的弹性模量、密度等）。
这些信息将是有限元模型建立所需要的输入参数。
接下来，建立有限元模型。
将杆系结构离散化为一个个的杆单元，采用有限元方法对每个杆单元进行离散近似。
常用的杆单元包括横截面线性杆单元、三节点弯曲杆单元和非线性杆单元等。
然后，确定单元刚度矩阵。
对于横截面线性杆单元，其刚度矩阵可以根据材料性质和几何信息计算得到。
对于弯曲杆单元和非线性杆单元，则需要考虑附加的几何和材料非线性效应。
接着，组装全局刚度矩阵。
将所有杆单元的刚度矩阵按照其关联的节点自由度进行组装。
在组装过程中，需要考虑杆单元之间的关联关系，确保刚度矩阵的正确性和完整性。
然后，应用边界条件。
根据实际情况，将已知的边界条件（如固定支座、已知位移等）施加到全局刚度矩阵中。
这将改变全局刚度矩阵的特征值和特征向量，从而影响结构的响应。
接下来，求解结构的位移和应力。
通过求解结构的整体刚度方程以及施加的边界条件，可以得到结构的位移解向量和应力解向量。
位移解向量描述了结构的变形情况，而应力解向量体现了结构的应力分布情况。
最后，进行后处理。
在得到位移和应力解后，可以计算结构的应变分布、变形形态以及额外的设计指标。
通过这些结果，可以对结构的性能进行评估，以便优化设计。
综上所述，杆系结构的有限元法分析包括前期准备、建立有限元模型、确定单元刚度矩阵、组装全局刚度矩阵、应用边界条件、求解结构的位移和应力以及后处理等步骤。
桥梁结构分析的杆系有限元法及结构模型的建立2015
结构的离散化
确定了结构的全部 节点，也就确定了 结构的单元划分， 然后对结构进行单 元编号和节点编号， 通常单元编号用①， ②，……表示，节 点编号用1， 2，……表示，如图 所示。
6 67
5
4
3
5
4
1
2
1
2
3
单元杆端力与杆端位移的表示方法
• 平面桁架单元的局部坐标和整体坐标：
y
y
x
3
x2
2
y
1
结构分析的杆系有限元法
• 概述 • 有限单元法的概念及应用 • 结构的离散化 • 单元杆端力与杆端位移 • 逆步变换 • 单元刚度矩阵 • 总刚度矩阵 • 边界条件的后处理法 • 线性代数方程组的数值解法
结构分析的含义
• 结构分析的含义，不仅指在一定的已知条件下对结构的变 形和内力等进行计算，而且包括分析构件刚度变化对内力 变化的影响，对结构的几何组成进行分析，以及选择合理 的结构形式等等。
结构分析的有限元法
• 美国20世纪70年代推出的至今仍然是世界销售量最大的 NASTRAN(NAsa STRuctural Analysis，美国国家航空和 宇宙航行局结构分析程序系统)程序与当时西德推出的 ASKA(Automatic System for Kinematics Analysis，运动 分析的自动程序系统)齐名，同为当时最为著名和广泛应 用的程序，但几十年后的现在，ASKA已无法与 NASTRAN相比。原因是ASKA后来没有大规模的资金投 入，使程序不断得到滚动发展（维护）和组织推广、剌激 程序在竞争中不断改进各种功能。
向量
X
e i
Yi e
F
e
Fi e Fje
有限元方法第三章杆系结构有限元
应用实例
某大型桥梁的稳定性分析
采用杆系结构有限元对某大型桥梁进行稳定性分析，评估其在不同载 荷下的变形和承载能力。
高层建筑的抗震性能研究
利用杆系结构有限元模拟高层建筑的抗震性能，分析地震作用下结构 的响应和破坏模式。
汽车悬挂系统的优化设计
通过杆系结构有限元模拟汽车悬挂系统的运动和受力情况，优化悬挂 参数以提高车辆行驶的稳定性和舒适性。
有限元方法第三章杆系结 构有限元
• 引言 • 杆系结构有限元的基本概念 • 杆系结构有限元的建模方法 • 杆系结构有限元的求解方法 • 杆系结构有限元的应用案例 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
杆系结构是工程中常见的一种结构形式，广泛应用于桥梁、 建筑、机械等领域。由于其具有复杂的几何形状和受力特性 ，因此需要采用有限元方法进行数值分析。
THANKS
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04
杆系结构有限元的求解方法
求解步骤
确定边界条件
根据实际情况，确定杆系结构 的边界条件，如固定、自由、 受压等。
求解线性方程组
将所有单元的平衡方程组合成 一个线性方程组，然后使用数 值方法求解该线性方程组。
建立离散模型
首先将杆系结构离散化为若干 个小的单元，每个单元具有一 定的物理属性。
应用力学平衡方程
杆系结构有限元的优缺点
优点
能够处理复杂的几何形状和边界条件， 适用于大规模问题求解，计算精度可 调，可模拟复杂的结构和场。
缺点
需要针对不同的问题建立不同的模型， 计算量大，需要较高的计算机资源， 对于非线性问题求解较为困难。
03
杆系结构有限元的建模方法
建模步骤
确定研究问题
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。
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静不定桁架的内力无法简单通过节点平衡 方程求得，需要采用力法或位移法求得。 采用位移法求解时，假定每个节点的位移 为未知量，然而可以将杆件伸长、杆件应 变、杆件应力，杆件内力用节点位移表示， 根据节点的平衡要求可以得到节点位移满 足的平衡方程。
重庆大学
P
杆系结构的直接刚度法-位移法
F2y,,u2y 2 F2x,,u2x F1y,,u1y P
w 1 x
x2
b0 1 b 0 1 b2 1 b3 0
0 0 0 wi 1 0 0 i l l 2 l3 wj 2 1 2l 3l j
wi 2 3 x x i 2 2 l l wj j
N xi
2
2
K F , 0 Li 0
其中，
K ... ... 1 0
ki ,
i 1
n
ki L 0 0
T i
xi
xi 1
BDBdxLi LT i ki Li
0 1
... ...
0 布尔矩阵 0
EA 1 1 dN dN 1 1 1 1 K EA dx EA dx 1 1 xe1 x e1 dx dx l l l l l
d 4w f EI 4 dx
重庆大学
欧拉-贝努里梁单元
弱积分形式：
d 4w l wEI dx4 dx l wf dx
通过分部积分缩减阶次方程：
d 3w d 4w 3 l wEI dx4 dx l wEId dx
d 3w d 3w d 3w w 3 EI wd 3 EI 3 d w l EId dx l dx dx l d 3w d 3w l w 3 EI w 3 0 b.c. l EId dx dx d 4w d w d 3 w l wEI dx 4 dx l dx EI dx3 dx
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欧拉-贝努里梁单元
几何方程： 本构方程： 平衡方程：
d dw , dx dx
M EI
dQ dx
d 2w 2 dx
dQ fdx f
dM (Q dQ)dx Q dM dx
1 2 f dx 0 2 d 2M f dx 2
梁的偏微分方程：
1
3x 2 2 x3 w 1 2 3 l l
2 x 2 x3 x 3 l l
3x 2 2 x3 3 2 l l
重庆大学
欧拉-贝努里梁单元
3x 2 2 x3 w 1 2 3 l l 2 x 2 x3 x 2 l l 3x 2 2 x3 3 2 l l wi 2 3 x x i 2 l l wj j
1
F1x,,u1x
F1x c2 cs c 2 cs u1x F s 2 cs s 2 u1 y 1 y EF cs 2 2 F u2 x L c cs c cs 2x 2 2 F cs s u2 y 2y cs s c cos , s sin 或 F kU, k称为单元刚度矩阵
重庆大学
欧拉-贝努里梁单元
d 4w d w d 3 w l wEI dx4 dx l dx EI dx3 dx
类似地，可进一步分部积分
d 4w d 2 w d 2 w l wEI dx4 dx l dx2 EI dx2 dx
这个方程的阶数不能再缩减。对于C0连续的单 元，使用线性插值，一阶导数为常数，而二阶 导数为0，不能被积分，因此，这里需要C1单元。
w N w
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欧拉-贝努里梁单元
多项式插值
w N w
w wi i
T
wj j
T
3x 2 2 x3 N 1 2 3 l l
2 x 2 x3 x 2 l l
3x 2 2 x 3 3 2 l l
x 2 x3 2 l l
边界条件
x0 xl wi 1 i 0 w j 1 j 0
w wi w wj
i j
0 0 0 b0 b 1 0 0 1 l l 2 l 3 b2 2 1 2l 3l b3
a0 u =a0 a1 x 1 x Ha a1
重庆大学
杆件系统的有限单元法
（2）待定系数求解
单元节点位移条件： x 0 时， u ui
x l 时， u u j
代入
a0 u =a0 a1 x 1 x Ha a1
并注意到此时弹性矩阵D = E ，我们得到杆单元的刚度矩阵为 （6）刚度矩阵
K e BT EB x d EABT B dx EAlBT B
v l
EA 1 1 1 1 1 1 e K EA dx xe1 1 1 l l l l l
0 0 0 wi 1 0 0 i l l 2 l3 wj 2 1 2l 3l j
1
参数
b0 1 b 0 1 b2 1 b3 0
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欧拉-贝努里梁单元
b0 b 1 x3 b 2 b3
1
x N 1 l
x l
ui δ u j
e
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杆件系统的有限单元法
（3）型函数
1 0 ui e u 1 x N 1 l u j
1
x N 1 l
（4）几何关系
4 6x 2 l l
6 12 x 3 l2 l
2 6x 2 l l
重庆大学
欧拉-贝努里梁单元
代入弱的积分方程
d 2 w d 2 w T EI dx Ic T dx w w T K L w
则刚度矩阵为
a0 u =a0 a1 x 1 x Ha a1
（2）待定系数求解
ui a0 1 0 a u a 1 l 1 j
1
（3）型函数
1 0 ui e u 1 x N u 1 l j
在小变形情况下，可把平面刚架单元看成是发生轴向位 移μ的杆单元和发生挠度ν及转角Ѳ的梁单元的组合。（基 本变形各自独立，互不影响，可用叠加原理） 这里先以平面杆单元为例分别说明位移法和有限元法
重庆大学
杆系结构的直接刚度法-位移法
P
静定桁架的内力可以通过节点的平 衡方程求得，由内力和杆件断面积 可求得杆件应力、应变，再求得节 点位移
e xe T xe T
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索单元
请自学！
Link180
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欧拉-贝努里梁单元
假定： 1、截面在变形后仍然是平面-平截面假定 2、横截面仍然垂直于中性轴-弯曲变形， 3、梁的轴线无法向应力。
梁在平面弯曲时的主要位移是挠度 w 和转角 。
dw 由材料力学知 ，因此只需假设梁单元的挠曲线方程 w(x)即可 dx
得到
1 0 a0 ui 1 l a u 1 j
a0 1 0 ui a a1 1 l u j
1
重庆大学
杆件系统的有限单元法
杆单元
（1）可以假设单元内的位移模式
由节点的平衡方程就可求得节点位移； 这一平衡方程的系数矩阵就是结构刚度矩阵；结构刚度矩阵是由每个杆件的单元 刚度矩阵适当地组装得到。
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杆件系统的有限单元法
杆单元
（1）可以假设单元内的位移模式 杆端元只有两个节点位移 ui 、uj ，故可设杆单元的位移 模式为只包含两个待定常数a1和a2的多项式
3x 2 2 x3 N iw 1 2 3 l l 2 x 2 x3 N i x 2 l l 3x 2 2 x3 N jw 3 l l x 2 x3 N j 2 2 l l
w Niw
N i
N jw
wi i N j wj j
重庆大学
平面刚架单元分析
一．离散化： 每个单元是指在两端相联接的直杆 在刚架中，应将节点取在杆件相交的接点、边界点和杆件截面 面积发生改变处。 为了计算方便，在集中力、集中力偶作用处也应设置节点。
重庆大学
平面刚架单元分析
一．离散化：比较简单，每个单元是指在两端相联接的直杆
节点整体编号的原则仍是使相关节点的编号差尽可能小。 在杆系结构中，各单元的轴线方向大多不相同。为了便于 进行单元分析，除了结构的整体坐标系外，还需在每个单 元中建立局部坐标系。
xe T
上述是有限元的基本推导，当然，我们也可以通过变 分原理直接得出有限元方程
重庆大学
杆件系统的有限单元法
杆的泛函可以表达为：
P u
L 0
EA du EA du dx F u dx Fj u j j j x i 1 2 dx 2 dx j i 1 j
一阶导数
dw T bw w dx
6 x 6 x2 b 2 3 l l
T w
4 x 3x 2 1 2 l l
6x 6x2 3 2 l l
2 x 3x 2 2 l l
二阶导数