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1、 空 間 桿 系 有 限 元 法 也 稱 空 間 桁 架 位 移 法 。 空 間 桿 系 有 限 元 法 是 計 算 精 度 最 高 的 一 種 方 法 ,適 用 于 各 種 類 型 、 各 種 平 面 形 狀 、 不 同 邊 界 條件 的 網(wǎng) 架 , 靜 力 荷 載 、 地 震 作 用 、 溫 度 應 力 等工 況 均 可 計 算 。 能 考 慮 網(wǎng) 架 與 下 部 支 承 結(jié) 構(gòu) 的 共 同 工 作 。 計 算 程 序 見 下 表 。3.4空 間 桿 系 有 限 元 法 網(wǎng) 架 桿 件 節(jié) 點 位 移單 元 剛 度 矩 陣總 剛 度 矩 陣 總 剛 度 方 程節(jié) 點 位 移 值桿 件 內(nèi)
2、力單 元 內(nèi) 力 與 節(jié) 點 位 移 間 關(guān) 系引 入 邊 界 條 件節(jié) 點 平 衡 及 變 形 協(xié) 調(diào) 條 件基 本 單 元 基 本 未 知 量 3.4.1網(wǎng) 架 計 算 基 本 假 定 網(wǎng) 架 的 節(jié) 點 為 空 間 鉸 接 節(jié) 點 , 桿 件 只 承 受 軸 力 ; 結(jié) 構(gòu) 材 料 為 完 全 彈 性 , 在 荷 載 作 用 下 網(wǎng) 架 變 形 很小 , 符 合 小 變 形 理 論 。 奧 運 會 場 館 鳥 巢 3.4.2單 元 剛 度 矩 陣 一 等 截 面 空 間 桁 架 桿 件 ij如 圖 所 示 , 設(shè) 局 部 直 角 坐 標系 為 , 軸 與 ij桿 平 行 。zyx x圖
3、3.24 ij桿 的 桿 端 軸 力 和 位 移局 部 直 角坐 標 下 桿 端 力 向 量 為 : 桿 端 位 移 向 量 為 : 桿 端 力 和 位 移 的 關(guān) 系 可 寫 為 結(jié) 構(gòu) 分 析 中 為 方 便 桿端 力 和 位 移 的 疊 加 ,應 采 用 統(tǒng) 一 坐 標 系 ,即 結(jié) 構(gòu) 整 體 坐 標 xyz。這 樣 需 對 局 部 坐 標 系下 的 單 元 剛 度 矩 陣 進行 坐 標 轉(zhuǎn) 換 。 圖 3.25 桿 件 在 整 體 坐 標 中整 體 坐 標坐 標 轉(zhuǎn) 換 設(shè) 桿 件 ij ( 即 軸 ) 與 整 體 坐 標 x, y, z軸 夾角 的 余 弦 分 別 為 l, m,
4、n。 由 圖 25所 示 的 幾 何 關(guān)系 可 以 得 出 式 中 lij ij桿 的 長 度 奧 運 會 場 所 令 分 別 表 示 桿 件 ij在 整體 坐 標 系 中 的 節(jié) 點 力 , 節(jié) 點 位 移 和 單 元 剛 度 矩陣 。 在 整 體 坐 標 系 中 ij桿 節(jié) 點 力 和 節(jié) 點 位 移 間 的 關(guān)系 力 為 : 兩 坐 標 系 之 間 的 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系 為 式 中 T 坐 標 轉(zhuǎn) 換 矩 陣 坐 標 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 變 換 和 幾 何 關(guān) 系 可 導 出 : 并 注 意 到 T-1=TT, 得 到 整 體 坐 標 下 ij桿 節(jié) 點力 和 位 移 的 關(guān) 系 為 : 得
5、到 桿 件 ij在 整 體 坐 標 系 中 的 單 剛 矩 陣 : 3.4.3結(jié) 構(gòu) 總 剛 度 矩 陣 及 總 剛 度 方 程 建 立 了 桿 件 單 元 剛 度 矩 陣 之 后 , 即 可 按 照 變 形協(xié) 調(diào) 及 節(jié) 點 內(nèi) 外 力 平 衡 條 件 建 立 結(jié) 構(gòu) 的 總 剛 度矩 陣 及 相 應 的 總 剛 度 方 程 。 對 公 式 變 換 為 : Fi , Fj 分 別 為 桿 件 ij在 整 體 坐 標 系 下i, j點 的 桿 端 力 列 陣 ; i, j 分 別 為 桿 件 ij在 整 體 坐 標 系下 i, j點 的 位 移 列 陣 ; Kij, Kjj 分 別 為 桿 件
6、 ij在 i端 , j端 發(fā)生 單 位 位 移 時 , 在 i端 , j端 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 力 ; Kij, Kjj 分 別 為 桿 件 ij在 j端 , i端 發(fā)生 單 位 位 移 時 , 在 i端 , j端 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 力 。 以 圖 26所 示 的 空 間 桁架 節(jié) 點 3 為 例 , 說明 總 剛 矩 陣 及 總 剛 方程 的 建 立 。 該 桁 架 共有 9個 單 元 , 5個 節(jié) 點 ,單 元 及 節(jié) 點 編 號 如 圖示 。 相 交 于 節(jié) 點 3的桿 件 有 。 圖 3.26 單 元 及 節(jié) 點 編 號 變 形 協(xié) 調(diào) 條 件 為 連 于 同 一 節(jié) 點 上 的 桿 端 位
7、 移 相等 , 即 : 內(nèi) 外 力 平 衡 條 件 為 匯 交 于 同 一 節(jié) 點 的 桿 端 內(nèi) 力之 和 等 于 該 節(jié) 點 上 的 外 荷 載 , 即 : 連 于 節(jié) 點 3的 桿 端 力 與 各 節(jié) 點 位 移 關(guān) 系 為 : 整 理 得 : 上 式 就 是 節(jié) 點 3得 內(nèi) 外 力 平 衡 方 程 , 對 網(wǎng) 架 中 得所 有 節(jié) 點 , 逐 點 列 出 平 衡 方 程 , 聯(lián) 立 起 來 便 為結(jié) 構(gòu) 蹤 剛 度 方 程 , 表 達 式 為 : 對 于 本 例 , 總 剛 度 矩 陣 中 的 第 7行 至 第 9行 的 元素 表 示 如 下 : u 總 剛 矩 陣 具 有 下 列
8、特 點 : 矩 陣 具 有 對 稱 性 , 計 算 時 不 必 將 所 有 元 素 列 出 ,只 列 出 上 三 角 或 下 三 角 即 可 。 矩 陣 具 有 稀 疏 性 。 網(wǎng) 架 結(jié) 構(gòu) 每 一 節(jié) 點 所 連 桿 件 數(shù) 量 有 限 , 總 剛 矩陣 中 除 主 對 角 及 其 附 近 元 素 為 非 零 元 素 外 , 其余 均 為 零 元 素 。 非 零 元 素 集 中 在 主 對 角 線 兩 旁 的 帶 狀 區(qū) 域 內(nèi) ,計 算 機 存 貯 時 , 按 一 維 變 帶 寬 存 放 , 可 有 效 節(jié)省 計 算 機 容 量 , 帶 寬 大 小 與 網(wǎng) 架 節(jié) 點 編 號 有 關(guān) ,
9、進 行 網(wǎng) 架 節(jié) 點 編 號 時 , 應 盡 可 能 使 各 相 關(guān) 節(jié) 點號 差 值 縮 小 。 3.4.4總 剛 矩 陣 中 邊 界 條 件 的 處 理 方 法 未 引 入 邊 界 條 件 前 , 總 剛 矩 陣 K是 奇 異 的 , 不能 進 行 求 解 。 引 入 結(jié) 構(gòu) 邊 界 條 件 消 除 剛 體 位 移后 , 總 剛 矩 陣 為 正 定 矩 陣 。 位 移 為 零 彈 性 約 束 指 定 位 移 處 理 方 法 3.4.5網(wǎng) 架 的 邊 界 條 件 及 對 稱 性 利 用 u (1)對 稱 性 利 用 當 網(wǎng) 架 結(jié) 構(gòu) (包 括 支 座 )和 外 荷 載 有 n個 對 稱
10、面 時 ,可 利 用 對 稱 條 件 只 分 析 網(wǎng) 架 的 1 2n。 計 算 時 , 對 稱 面 內(nèi) 各 桿 件 的 截 面 積 應 取 原 截 面面 積 的 一 半 , n個 對 稱 面 交 線 上 的 中 心 豎 桿 , 其截 面 面 積 應 取 原 截 面 面 積 的 1 2n。 對 稱 面 內(nèi) 節(jié) 點 荷 載 亦 應 按 相 同 原 則 取 值 。 在 對稱 荷 載 作 用 下 , 對 稱 面 內(nèi) 網(wǎng) 架 節(jié) 點 的 反 對 稱 位移 為 零 , 計 算 時 應 在 相 應 方 向 予 以 約 束 。 與 對 稱 面 相 交 的 桿 件 , 分 析 時 可 將 該 交 點 作 為一
11、 個 節(jié) 點 , 并 在 三 個 方 向 予 以 約 束 。 交 叉 腹 桿 或 人 字 形 腹 桿 的 交 叉 點 , 位 于 對 稱 面時 , 亦 應 作 為 一 個 節(jié) 點 , 并 在 兩 個 水 平 方 向 予以 約 束 。 在 反 對 稱 荷 載 作 用 下 , 對 稱 面 內(nèi) 網(wǎng) 架 節(jié) 點 的 對稱 位 移 應 取 為 零 。 u (2)邊 界 條 件 有 限 元 計 算 中 , 邊 界 條 件 將 對 網(wǎng) 架 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 力 及變 形 產(chǎn) 生 較 大 影 響 。 網(wǎng) 架 支 承 處 的 邊 界 條 件 既 和 支 座 節(jié) 點 構(gòu) 造 有 關(guān) ,也 和 支 承 結(jié) 構(gòu) 的 剛 度
12、 有 關(guān) , 支 座 可 以 是 無 側(cè) 移 、單 向 可 側(cè) 移 和 雙 向 可 側(cè) 移 的 鉸 接 支 座 , 支 承 結(jié)構(gòu) (柱 、 梁 等 )可 以 是 剛 性 或 彈 性 的 。 當 支 承 結(jié) 構(gòu) 剛 度 很 大 可 忽 略 其 變 形 時 , 邊 界 條件 完 全 取 決 于 支 座 構(gòu) 造 。 無 側(cè) 移 鉸 接 支 座 , 支 承 節(jié) 點 在 豎 向 , 邊 界 線 切 線和 法 向 都 無 位 移 。 單 向 可 側(cè) 移 支 座 , 豎 向 和 邊 界 切 線 方 向 位 移 為 零 ,而 邊 界 法 向 為 自 由 。 雙 向 可 側(cè) 移 的 鉸 接 支 座 , 只 有
13、豎 向 位 移 為 零 , 兩個 水 平 方 向 都 為 自 由 。 在 網(wǎng) 架 的 四 角 處 , 至 少 一 個 角 上 的 支 座 必 須 是 無側(cè) 移 的 , 相 鄰 的 兩 角 可 以 是 單 向 可 側(cè) 移 的 , 相 對的 角 可 以 是 雙 向 可 側(cè) 移 的 。 這 種 做 法 既 防 止 網(wǎng) 架 的 剛 體 移 動 , 又 提 供 了 不 少于 6根 的 約 束 鏈 桿 數(shù) 。 在 工 程 實 踐 中 , 如 果 溫 度應 力 不 大 , 也 可 考 慮 四 角 都 用 無 側(cè) 移 鉸 支 座 。 當 網(wǎng) 架 支 承 在 獨 立 柱 上 時 , 由 于 它 的 彎 曲 剛
14、度不 是 很 大 , 在 采 用 無 側(cè) 移 鉸 支 座 時 除 豎 向 仍 然看 作 無 位 移 外 , 兩 個 水 平 方 向 應 看 成 彈 性 支 承 ,支 承 的 彈 簧 剛 度 由 懸 臂 柱 的 撓 度 公 式 得 出 : Ec 支 承 柱 的 材 料 彈 性 模 量 ; Icy、 Icx 分 別 為 支 承 柱 繞 截 面 y、 x軸 的 截 面 慣性 矩 ; H 支 承 懸 臂 柱 長 度 。3cyccx HI3EK 3cxccy HI3EK u (3)斜 邊 界 處 理 斜 邊 界 是 指 與 整 體 坐 標 斜 交 的 方 向 有 約 束 的 邊 界 。 建 筑 平 面
15、為 圓 形 或 多 邊 形 的 網(wǎng) 架 會 存 在 斜 邊 界 (圖3.27a)。 矩 形 平 面 網(wǎng) 架 利 用 對 稱 性 時 , 對 稱 面 也 存 在 斜 邊 界(圖 3.27b, c)。圖 3.27 網(wǎng) 架 的 斜 邊 界 約 束 斜 邊 界 有 兩 種 處 理 方 法 , 一 種 是 根 據(jù) 邊 界 點 的位 移 約 束 情 況 設(shè) 置 具 有 一 定 截 面 積 的 附 加 桿 ,如 節(jié) 點 沿 邊 界 法 線 方 向 位 移 為 零 , 則 該 方 向 設(shè)一 剛 度 很 大 的 附 加 桿 , 截 面 積 A=106108(圖3.27b); 如 該 節(jié) 點 沿 邊 界 法 線
16、方 向 為 彈 性 約 束 ,則 調(diào) 節(jié) 附 加 桿 的 截 面 積 , 使 之 滿 足 彈 性 約 束 條件 。 這 種 處 理 方 法 有 時 會 使 剛 度 矩 陣 病 態(tài) 。 另 一 種 方 法 是 對 斜 邊 界 上 的 節(jié) 點 位 移 做 坐 標 變換 (圖 3.27c), 將 在 整 體 坐 標 下 的 節(jié) 點 位 移 向 量變 換 到 任 意 的 斜 方 向 , 然 后 按 一 般 邊 界 條 件 處理 。 3.4.6 桿 件 內(nèi) 力 引 入 邊 界 條 件 后 , 求 解 公 式 , 得 出 各 節(jié) 點 的 位移 值 , 由 公 式 和 公 式 可 得 出 ij桿 端 內(nèi) 力
17、 為 將 公 式 展 開 并 代 入 公 式 整 理 可 得 桿 件 內(nèi) 力 表 達式 為 式 中 N 桿 件 軸 力 , 以 拉 為 正 。 eeTe KT=F )(cos)(cos)cos( ijijijij wwvvuulEAN 3.4.7 空 間 桿 系 有 限 元 法 計 算 步 驟 (1)根 據(jù) 網(wǎng) 架 結(jié) 構(gòu) 、 荷 載 對 稱 性 選 取 計 算 簡 圖 ,并 對 其 節(jié) 點 和 桿 件 進 行 編 號 , 為 減 小 總 剛 矩 陣帶 寬 , 節(jié) 點 編 號 應 遵 循 相 鄰 節(jié) 點 號 差 最 小 的 原則 。 (2)計 算 桿 件 單 元 長 度 及 桿 件 與 整 體
18、 坐 標 軸 夾 角余 弦 ; (3)初 選 各 桿 的 截 面 積 ; (4)建 立 局 部 和 整 體 坐 標 系 下 的 單 元 剛 度 矩 陣 ; (5)集 合 總 剛 矩 陣 , 為 減 小 矩 陣 容 量 , 宜 采 用 變帶 寬 一 維 存 貯 方 式 ; (6)建 立 荷 載 列 陣 ; (7)引 入 邊 界 條 件 對 總 剛 度 方 程 進 行 處 理 ; (8)求 解 總 剛 度 方 程 , 得 出 各 節(jié) 點 位 移 值 ; (9)根 據(jù) 節(jié) 點 位 移 計 算 桿 件 內(nèi) 力 ; (10)按 桿 件 內(nèi) 力 調(diào) 整 桿 件 截 面 , 并 重 新 計 算 ,迭 代 次 數(shù) 宜 不 超 過 4 5次 。