1、1,第六讲 空间杆系结构有限元分析,杆系结构定义：,由杆件组成的空间结构称杆系结构。杆件指细长的构件，构件的几何特征是一个方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸。,杆系结构根据杆件两端与其它构件连接方式的不同，可以分为桁架和刚架。,桁架(杆)由两端铰接的杆件构成的空间结构。,刚架(梁)亦称为框架，指由两端固接的杆件构成的空间结构。,2,6-1 空间桁架结构有限元分析（桁架单元）,由于两端铰接，不能承受力矩，假定每个节点三个自由度，在整体参考系有：,为方便研究，在单元上取一个局部参考系，以 为原点，由 点指向 点为 轴的正向。,在局部参考系中有：,一、桁架单元刚度矩阵,3,在单元中假定：,利用节点处
2、的位移连续性条件可以解出 和 ，代回原式有：,其中单元长度为：,4,其中 为单元截面积， 为单元材料杨氏模量。,需要指出，以上单元刚度是基于局部参考系得到的，由于不同的单元，其局部参考系的方位各不相同。因而，局部参考系中的单元节点位移向量的方向也各不相同，局部参考系中的刚度矩阵不具有可累加性。,这就要求我们将局部参考系下的单元刚度矩阵变换到整体参考系中。,5,二、坐标变换矩阵,局部参考系与整体参考系中单元节点位移向量的变换关系为：,写成矩阵形式为：,简记为：,其中：,6,单元弹性应变能在整体参考系中的表达式为：,单元弹性应变能在局部参考系中的表达式为：,将： 代入上式有：,将该式与整体参考系中
3、的单元弹性应变能对比可知：,7,三、等效单元体力载荷向量,桁架单元的等效体力载荷向量可以简单地表示为：,其中： 为单元形心坐标 ，可以由下式给出：,8,四、单元应力计算,9,6-2 平面刚架（框架）结构有限元分析,一、平面刚架单元受力分析与变形分解,该单元可以承受 和 方向的力以及绕 轴方向的力矩。,在整体参考系中单元节点位移向量为：,为方便研究，在单元上取一个局部参考系，以 为原点，由 点指向 点为 轴的正象。,10,在局部参考系中单元所受载荷可以分解为： 1）轴向拉压，主要引起单元的轴向变形。 2）横向载荷及绕平面法向的弯矩，主要引起单元的弯曲。,为研究方便，我们在做刚架结构有限元分析时，
4、也将单元变形分解为轴向变形与弯曲变形两部分，分别进行研究。在小变形条件下，可以认为单元的轴向变形与弯曲变形是相互独立的并符合迭加原理。因此，我们可以分别计算两种基本变形的刚度，在进行迭加。刚架结构的有限元分析在研究弯曲变形时采用了材料力学梁的基本假定，因此，有时也将刚架单元称为梁单元。,11,1）单元轴向变形刚度矩阵,与轴向变形相关的节点位移分量有 和 ，假定在轴向载荷作用下单元内单元内任意点的位移为：,与轴向变形对应的刚度矩阵为：,二、平面刚架单元两种基本变形的的刚度矩阵,12,2）单元弯曲变形刚度,与弯曲变形相关的节点位移分量有 、 、 和 。,假定在轴向载荷作用下单元内单元内任意点的挠度
5、为：中性层上的,根据节点处的位移连续性条件有：,解出 ， 代回挠度函数经整理可得：,在 点：,在 点：,小变性、中心平面、,13,挠度函数为：,其中：,单元中性层外任意点沿局部参考系 方向得位移可以表示为：,14,单元中性层外任意点沿局部参考系 方向得应变可以表示为：,其中：,在局部参考系中单元刚度矩阵可以表示为,其中：,绕 轴截面弯曲惯性矩,15,将轴向变形与弯曲变形的刚度迭加，可以得到平面刚架单元的刚度矩阵。,16,6-3 空间刚架（框架）结构有限元分析,一、空间刚架单元受力分析与变形分解,该单元可以承受三个方向的力以及绕三个轴的力矩。,在整体参考系中单元节点位移向量为：,为方便研究，在单
6、元上取一个局部参考系，以 为原点，由 点指向 点为 轴。以截面的两个惯性主轴分别为局部参考系的 轴和 轴。,17,1) 在轴向载荷的作用下，将产生轴向拉压变形，与之相关的节点位移分量为：,2) 在绕轴向载荷（扭矩）的作用下，将产生扭转变形，与之相关的节点位移分量为：,3) 在 向载荷及绕轴 力矩的作用下，将产生 平面内的弯曲变形，与之相关的节点位移分量为：,4) 在 向载荷及绕轴 力矩的作用下，将产生 平面内的弯曲变形，与之相关的节点位移分量为：,18,二、空间刚架单元四种基本变形的刚度矩阵,1）单元轴向变形刚度矩阵,与轴向变形相关的节点位移分量有 和 ，假定在轴向载荷作用下单元内单元内任意点
7、的位移为：,与轴向变形对应的刚度矩阵为：,19,2）绕单元轴向扭转变形刚度矩阵,与扭转变形相关的节点位移分量有 和 ，假定在轴向载荷作用下单元内单元内任意点的扭转角为：,在单元中假定：,在 点：,在 点：,解出 和 代回插值函数有：,对于圆形截面有：,其几何矩阵为：,20,与轴向变形对应的刚度矩阵为：,根据应力应变关系,可以得到,则扭转变形刚度矩阵为：,令：,圆形截面的扭转惯性矩。,说明： 对于非圆截面前面的应变位移关系及扭转惯性矩算式 不成立，但刚度矩阵是普遍适用的，只是扭转惯性矩需要用其它方法获得，如：近似公式计算、实验等。,21,3）单元 平面内弯曲变形刚度矩阵,与弯曲变形相关的节点位移
8、分量有 、 、 和 。,假定在横向载荷和弯矩作用下单元内单元内任意点的挠度为：,根据节点处的位移连续性条件有：,解出 ， 代回挠度函数经整理可得：,在 点：,在 点：,22,挠度函数为：,其中：,单元中性层外任意点沿局部参考系 方向得位移可以表示为：,23,单元中性层外任意点沿局部参考系 方向得应变可以表示为：,其中：,在局部参考系中单元刚度矩阵可以表示为,其中：,绕 轴截面惯性矩,24,4）单元 平面内弯曲变形刚度矩阵,与弯曲变形相关的节点位移分量有 、 、 和 。,假定在单元内单元内任意点的挠度为：,根据节点处的位移连续性条件有：,在 点：,在 点：,其中：,绕 轴截面惯性矩,对应的单元刚
9、度矩阵为：,其他过程与 平面内的弯曲相同，不再,25,对称,空间刚架单元在局部参考系中的单元刚度矩阵为：,26,三、空间刚架单元刚度矩阵的变换关系,整体参考系,1）空间刚架单元的节点位移向量,局部参考系,2）空间刚架单元的节点位移向量的变换关系,坐标变换矩阵，具体形式如下：,27,其中：,局部参考系 轴关于整体参考系的方向余弦,局部参考系 轴关于整体参考系的方向余弦,局部参考系 轴关于整体参考系的方向余弦,因为空间刚架单元的局部参考系有三个坐标轴，根据单元的两个节点只能确定其中一个坐标轴的方向，为确定其它两个坐标轴的方向，还需要因入一个辅助量，可以是一个节点或一个参考方向。,28,四、空间刚架
10、单元局部参考系确定方法（参考点法）,所谓参考点法，是在单元截面主轴平面内找一个辅助点 （称参考点），用以帮助确定单元局部参考系。,首先由 点到 点作一个向量,其中：,取 的方向为局部参考系 轴的方向， 轴与整体参考系的三个方向余弦为：,29,再由 点到 点作一个向量,其中：,显然 的方向垂直于 和 ，以 局部参考系 轴的方向。,由向量差乘规则可知：,令：,或写成行列式形式：,30,这样，局部参考系 轴的三个方向余弦 可以表示为：,显然 的方向垂直于 和 ，以 局部参考系 轴的方向。,由向量差乘规则可知：,令：,或写成行列式形式：,31,这样，局部参考系 轴的三个方向余弦 可以表示为：,整体参考系中的单元刚度矩阵可以表示为：,1）参考点法是工程软件中比较常用的方法，这里给出的只是参考点法确定局部参考系方位的基本原理，在不同的软件中具体实现方式可能有所不同，需要认真阅读软件说明书。 2）使用参考点法时一定注意，参考点必须在截面主轴平面内选取。,说明：,
