例1111:已知 pppp、aaaa、bbbb、EAEAEAEA,用有限元计算两端反力。(重解绪论中
的例1111)
解:1111、划分单元,给节点编号:共分两个单元,3333个节点。
2222、单元分析
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
u
u
X
X
a
EA
2
1
2
1
11
11
①
①
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
3
2
3
2
11
11
u
u
b
EA
X
X
①单元:
②单元:
)( 211 uu
a
EA
XX
A
−== ①
)()(
321222 uuuuXX
b
EA
a
EA
p −+−=+=
②①
)(
233 uuXX
b
EA
B
−==
②
(注:位移是连续的,所以无上标,不用标哪个单元。)
3333、整体分析(分析每个节点的平衡问题)(也可用对号入座法)
2222节点:
3333节点:
1111节点:
用节点位移表示的平衡方程的矩阵形式为
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−+−
−
=
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
u
u
u
b
EA
b
EA
b
EA
b
EA
a
EA
a
EA
a
EA
a
EA
X
p
X
B
A
3
2
1
0
0
K
K
K
Kδ
δ
δ
δF
F
F
F =
——称整体刚度方程
或简写为
F
F
F
F
δ
δ
δ
δ
K
K
K
K
式中:
、
————————分别为节点载荷和节点位移的列阵
————————整体刚度矩阵,它是对称矩阵
节点力和节点载荷不要混淆,节点力是内力,节点载荷是外力
4444、引入边界条件: 0,0 31 == uu
u
b
EA
p
2
)
a
EA
( +=
p
baEA
ab
u )(2 +
=
u2
p
ba
a
p
ba
b
XX
BA +
−=
+
−= ,
,解得
把 代入整体刚度方程中,解得
(负号为与假设方向相反)
节点载荷符号规定:与坐标轴方向一致为正
练习1111: 已知:pppp、aaaa、EA,求C、D两处的节点位移。
解:解法1111:用
力学求解
((((拉))))
EA
pa
EA
pa
EA
pa
u
C
=−=
2
0
22
=
×
−=
EA
ap
EA
pa
u
D
解法2222:用有限元法计算
1111)划分单元,给节点编号 (共分两个单元,3个节点)
(2222)单元分析
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
2
1
1
2
1
1
11
11
u
u
a
EA
X
X①单元:
②单元:
B
)2()()(2 3213212
2
2
1
2 uuu
a
EA
uu
a
EA
uu
a
EA
XXp −+−=−+−=+=
1节点:
2222节点:
(3333)整体分析
)( 21
1
1 uu
a
EA
XX
B
−==
)( 32
2
3 uu
a
EA
Xp +−==−
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−−
−
=
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
− 3
2
1
110
121
011
2
u
u
u
a
EA
p
p
X
B
3333节点:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
3
2
2
3
2
2
11
11
u
u
a
EA
X
X
01 =u
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
− 3
2
11
122
u
u
a
EA
p
p
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
−=+−
=−
EA
pa
uu
EA
pa
uu
32
32
2
2
(4444)引入边界条件: ,划去一行一列,得
,即
EA
pa
u =2 03 =u
EA
pa
u
C
= 0=
D
u
解得
即
,
练习2222:已知:pppp、aaaa、EA,EA,EA,EA, 求AAAA、BBBB处的反力。
解:
方法1111:按有限元法计算,略。
方法2222:利用例题1的结果并采用迭加
法。
6
2
6
3
6
52 p
p
a
a
p
a
a
XXX
p
A
p
AA
−=×−=+=
6
5
2
6
3
6
2 p
p
a
a
p
a
a
XXX
p
B
p
BB
−=×−=+=
练习1111:推导单元刚度矩阵
θ θ
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
j
i
j
i
e
j
e
i
e
j
e
i
v
v
Y
Y
M
M
θ
θ
e
e
e
e
K
K
K
K
注:v v v v 、 的正方向如图(aaaa)。YYYY、MMMM产生的vvvv 、 与图(aaaa)一致为正,相反
为负。
jj
YY −→
jj
vv −→
2 2
2 2
6 6
4 2
6 6
2 4
6 6 12 12
6 6 12 12
e
e
i
i
e
j j
e
i
i
e
j
j
i i
i i
l l
M
i i
i i
M
l l
i i i i v
Y
l l l l
v
Y
i i i i
l l l l
θ
θ
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥⎧ ⎫ ⎧ ⎫
⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪
⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪
=⎨ ⎬ ⎨ ⎬⎢ ⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎩ ⎭⎩ ⎭ ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥⎣ ⎦
K
KK
K
���������
l
EI
i =
解:可用(1)式,左端 ,右端 ,重新组装整理可得
式中
例1.1.1.1. 已知:EIEIEIEI,mmmm,aaaa。求CCCC点的转角及单元节点力。
解:方法1111:(1111)划分单元。给节点编号,共分2222个单元,3333个节点。
(2222)单元分析
①单元:
a
EI
i =式中
1 1
2 2
11
2 2
22
2 2
6 6
4 2
6 6
2 4
6 6 12 12
6 6 12 12
i i
i i
a a
M
i i
i i
M
a a
i i i i v
Y
a a a a
v
Y
i i i i
a a a a
θ
θ
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥⎧ ⎫ ⎧ ⎫⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪
=⎨ ⎬ ⎨ ⎬⎢ ⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎩ ⎭⎩ ⎭ ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥⎣ ⎦
①
①
①
①
a
EI
i =
式中
2 2
3 3
22
2 2
33
2 2
6 6
4 2
6 6
2 4
6 6 12 12
6 6 12 12
i i
i i
a a
M
i i
i i
M
a a
i i i i v
Y
a a a a
v
Y
i i i i
a a a a
θ
θ
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥⎧ ⎫ ⎧ ⎫
⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪
⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪
=⎨ ⎬ ⎨ ⎬⎢ ⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎩ ⎭⎩ ⎭ ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥⎣ ⎦
②
②
②
②
②单元:
0,0,0,0,0,0 332211 ==≠=== θθθ vvv(3333)引入边界条件:
代入2222个单元的单元刚度方程中,得
④
③
②
①
①
①
①
①
22
21
22
21
6
6
4
2
θ
θ
θ
θ
a
i
Y
a
i
Y
iM
iM
=
=
=
=
⑧
⑦
⑥
⑤
②
②
②
②
23
22
23
22
6
6
2
4
θ
θ
θ
θ
a
i
Y
a
i
Y
iM
iM
=
=
=
=
,44,0
,,0
2222
2222
θθ iiMMmm
YYYYYYY
c
cc
+=+==
−==+=
∑
∑
②①
①②②① ⑨
EI
ma
i
m
882
==θ
取节点2222为研究对象,受力如图(bbbb),列平衡方程
解得
2θ
0,
4
3
,
4
3
,
4
,
2
4
3
,
4
3
,
2
,
4
3232
2121
=====
====
c
Y
a
m
Y
a
m
Y
m
M
m
M
a
m
Y
a
m
Y
m
M
m
M
②②②②
①①①①
把 的值代入①~⑨式,得
例2222.已知:EIEIEIEI,pppp,aaaa。求CCCC点的挠度、转角及BBBB点的转角。
解:方法1111:有限元法。(节点分析平衡)
(1111)划分单元,给节点编号。
,,, 22
2
22
②①①
θθ =−== vvvv
0,0,0 311 === vvθ
(2222)单元分析:设2222节点的挠度为v(v(v(v( 向
下),),),),则
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
2
1
2
1
22
22
2
1
2
1
121266
121266
66
42
66
24
v
v
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
ii
l
i
l
i
ii
Y
Y
M
M
θ
θ
①
①
①
①
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
3
2
3
2
22
22
3
2
3
2
121266
121266
66
42
66
24
v
v
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
l
i
ii
l
i
l
i
ii
Y
Y
M
M
θ
θ
②
②
②
②
1111单元:
2222单元:
(3333)引入边界条件,得
v
a
i
a
i
Y
v
a
i
a
i
Y
v
a
i
iM
v
a
i
iM
22
1
2
22
1
1
2
1
2
2
1
1
126
126
6
4
6
2
+=
+=
+=
+=
θ
θ
θ
θ
v
a
i
a
i
a
i
Y
v
a
i
a
i
a
i
Y
v
a
i
iiM
v
a
i
iiM
232
2
3
232
2
2
32
2
3
32
2
2
1266
1266
6
42
6
24
−+=
−+=
−+=
−+=
θθ
θθ
θθ
θθ
(4444)节点分析
1
11 YY =
1
11 MM =
1节点:
①
②
v
a
i
a
i
YYp
23
1
2
2
2
246
−=−=− θ
32
2
2
1
2 280 θθ iiMM +=+=
2节点:
③
④
2
33 YY −=
,023 =M 0
6
42 32 =−+ v
a
i
ii θθ
,
96
7
,
8
,
32
22
3
2
2
EI
pa
v
EI
pa
EI
pa
==−= θθ
3节点:
即
联立③、④、⑥,解得
⑥
⑤
把
v,, 32 θθ 代入⑤式,得
PY
16
5
3 =
方法2:也可用材料力学方法求。
1111....划分单元,给节点编号。(同方法1。)
2222....单元分析
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
2
2
1
1
44434241
34333231
24232221
14131211
1
2
1
2
1
1
1
1
θ
θ
v
v
aaaa
aaaa
aaaa
aaaa
M
Y
M
Y
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
3
3
2
2
44434241
34333231
24232221
14131211
2
3
2
3
2
2
2
2
θ
θ
v
v
bbbb
bbbb
bbbb
bbbb
M
Y
M
Y
方法3333:有限元法.(节点分析采用对号入座)
3333节点分析————————对号入座
式)(
00
00
00
00
3
2
1
321
3
3
2
2
1
1
44434241
34333231
2423224421434241
1413124411333231
24232221
14131211
3
3
2
2
1
1
a
v
v
v
bbbb
bbbb
bbbabaaa
bbbabaaa
aaaa
aaaa
M
Y
M
Y
M
Y
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
++
++
=
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
θ
θ
θ
�������� ��������� ��
K————整体刚度矩阵
44× 66×
此法较烦。经常采用对号入座法,具体方法:把两个单元的单元刚度矩阵由
阶扩大为
贡献矩阵叠加就得到整体刚度矩阵,如(aaaa)式。
上面是利用平衡方程得到整体刚度方程和整体刚度矩阵。若节点较多,
阶,并使其个各元素按整体刚度矩阵K的次序排列,
空白处用零填补。经过扩大的矩阵称为单元的贡献矩阵,把每一单元的
0,0,0 311 === vv θ 311 vv 、、θ
322 θθ 、、v
⇒
4444引入边界条件
,划去 所在的行和列,求出
5555求出节点反力 内力
⎩
⎨
⎧
⇒
应变
应力
练习2:已知 mmmm、EIEIEIEI、aaaa、求支座反力。 写出整体刚度方程即可
解:(1)划分单元,给节点编号
(2)单元分析
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−−−
−
−
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
3
3
1
1
22
22
3
3
1
1
4
6
2
6
612612
2
6
4
6
612612
3
1
31
θ
θ
v
v
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
M
Y
M
Y
①
①
①
①
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−−
−
−
=
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
2
2
3
3
22
22
2
2
3
3
4
6
2
6
612612
2
6
4
6
612612
2
3
23
θ
θ
v
v
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
M
Y
M
Y
②
②
②
②
(1)(1)(1)(1)节点分析————————对号入座
它不能直接入座
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
++−−
+−+−−
−−
−
−
=
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
3
3
2
2222
22
22
3
3
2
2
1
1
0
0
0
44
66
2
6
2
6
661212612612
2
6
4
6
00
612612
00
2
6
004
6
612
00
612
3
2
1
321
θ
θ
v
ii
a
i
a
i
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
i
a
i
i
a
i
a
i
a
i
a
i
a
i
M
Y
M
Y
M
Y
0,0,,0,0,0 323211 ====== YMmMvv θ
(1)(1)(1)(1)引入边界条件:
332 θθ 、、v 332 θθ 、、v
211 YMY 、、
由后三个方程可求得 ,然后把
代入前三个方程,求得 。
22 ,vu
0sin,1cos,0 === ααα
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
0000
0101
0000
0101
0000
0101
0000
0101
1
i
a
EA
K
K
K
K
1i
a
EA
=
例1:已知:
p
p
p
p
,
l
l
l
l
,
EA
EA
EA
EA
。求:
解:方法1:1)划分单元,给节点编号
2)单元分析
①单元:
令
I
I
I
IT
T
T
T =
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
αα
αα
αα
αα
cossin00
sincos00
00cossin
00sincos
①①①
K
K
K
KT
T
T
TK
K
K
KT
T
T
TK
K
K
K == T
②单元:
2
1
sin,
2
3
cos,30 === ααα o
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
0000
0101
0000
0101
l
EA②
K
K
K
K
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
αα
αα
αα
αα
cossin00
sincos00
00cossin
00sincos
T
T
T
T
21
2
3
32
2
3
,
ii
lai
l
EA
=
==
,
令
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−−
−−
−−
−−
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
−
−
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
=
αααααα
αααααα
αααααα
αααααα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
αα
22
22
22
22
2
2
sinsincossinsincos
sincoscossincoscos
sinsincossinsincos
sincoscossincoscos
cossin00
sincos00
00cossin
00sincos
0sin0sin
0cos0cos
0sin0sin
0cos0cos
cossin00
sincos00
00cossin
00sincos
0000
0101
0000
0101
cossin00
sincos00
00cossin
00sincos
i
i
l
EA
T
T
T
T
TK
K
K
KT
T
T
TK
K
K
K
②②
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−−
−−
−−
−−
=
4
1
4
3
4
1
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
1
4
3
4
1
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
2i
3)对号入座,形成总刚
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−−
−−
−−++
−−++
=
⎪
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
0
0
0
0
4
1
4
3
4
1
4
3
00
4
3
4
3
4
3
4
3
00
4
1
4
3
4
1
0
4
3
000
4
3
4
3
4
3
0
4
3
0
000000
0000
3
2
1
321
2
2
2222
2222
2222
222211
11
3
3
2
2
1
1
v
u
iiii
iiii
iiii
iiiiii
ii
Y
X
Y
X
Y
X
pYXvuvu −====== 223311 ,0,0,0,0,04)引入边界条件:
划去1、2、5、6行和列,得
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
−=+
=++
pviui
viuii
2222
22221
4
1
4
3
0)
4
3
()
4
3
(
p
i
v
i
p
u
2
2
2
2 2
)833(
,
2
3 +
−==
解得
由位移按单元刚度方程可求内力,由整体刚度方程可求外力。