矩陣力法

矩陣力法

矩陣力法,是按力法的基本原理,以矩陣為數學工具,計算結構的內力和位移的方法,是結構矩陣分析方法中的一種。

矩陣力法

力法的基本原理,以矩陣為數學工具,計算結構的內力和位移的方法,是結構矩陣分析方法中的一種。

正文

結構矩陣分析方法需將結構離散成有限數目的單元進行計算。矩陣力法中常用的單元形式為簡支式和懸臂式,這兩種單元較為簡單,其中尤以簡支式為常見。當單元承受非結點荷載時,可用等效結點荷載代替。其方法是將單元間的分界結點視為固定求出固端反力,然後反其向作用在結點上。

矩陣力法的基礎是力法

計算超靜定結構時要選取基本體系和基本未知力。選取的方法有兩種:一種是根據結構的具體情況由計算者選取,並在人為選定的基本體系的基礎上計算;另一種是把力法和線性代數中關於秩的知識結合起來,先建立結點平衡方程式,然後利用約當消去法,使多餘的基本未知力自動分離出來,這種分析方法稱為秩力法。由於前一方法與力法結合較為緊密,故較易了解和常用。
將原有荷載和基本未知力均視為外力時,可以得出結點作用力列矩陣矩陣力法、結構基本未知力列矩陣矩陣力法與單元基本未知力(桿端力)列矩陣矩陣力法的關係式如下:

矩陣力法矩陣力法P矩陣力法+矩陣力法X矩陣力法(1)

式中矩陣力法P和矩陣力法X 分別表示結點作用力矩陣力法和結構基本未知力矩陣力法對基本體系的內力影響矩陣。
單元基本未知力 矩陣力法與相應桿端位移矩陣力法之間的關係式為

矩陣力法矩陣力法m矩陣力法(2)

式中矩陣力法m為未裝配結構的柔度矩陣,它等於各單元柔度矩陣矩陣力法(i)作為子塊的對角矩陣。而桿端位移矩陣力法與結點的荷載方向的位移 矩陣力法 (包括結點作用力和基本未知力在荷載方向的位移矩陣力法P和矩陣力法X的關係式為

矩陣力法矩陣力法矩陣力法 (3)

式中矩陣力法=【矩陣力法P嗈矩陣力法X】T;矩陣力法為桿端位移對結點的荷載方向位移的變換矩陣。根據虛功原理,可得矩陣力法=【矩陣力法P嗈矩陣力法X】T。
根據上面三式,可以得到

矩陣力法

根據相應於基本未知力方向的變形協調條件,矩陣力法=0,可得到式中 

矩陣力法

式(6)中矩陣力法X稱為已裝配結構的柔度矩陣,即一般力法基本方程中的係數矩陣δ,而矩陣力法P矩陣力法即一般力法基本方程中的自由項矩陣矩陣力法P,因而式(6)即為力法基本方程的矩陣表達式。由(6)即可求得矩陣力法,代入(1)和(4)式,即得單元基本未知力矩陣力法和結點荷載方向位移矩陣力法P。既得列矩陣矩陣力法,由平衡條件可求出單元全部桿端力列矩陣矩陣力法

矩陣力法(9)

式中矩陣力法為單元基本未知力對單元全部桿端力的變換矩陣。實際桿端力矩陣為矩陣力法a應由(9)式再疊加單元非結點荷載引起的固端力矩陣矩陣力法f。第i單元實際桿端力矩陣應為

矩陣力法  (10)

矩陣力法計算桿端力步驟為:①選取基本體系和基本未知力;②劃分單元,並求出等效結點荷載;③求出單元柔度矩陣矩陣力法i,並構成矩陣力法m;④求出矩陣力法X、矩陣力法P,並由(7)(8)式求出矩陣力法X、矩陣力法P;⑤由(9)式求出全部桿端力矩陣力法,從而由(10)式求出實際桿端桿力矩陣力法a。
用矩陣力法求靜定結構的位移時,由公式(4)令基本未知力X=0,即可得靜定結構結點荷載方向位移的公式為

矩陣力法 (11)

在超靜定結構分析中,由於矩陣力法的基本未知數是多餘力,因而在計算超靜定次數較少的結構時較為合適。不過採用矩陣力法很難編制出適用於各種結構的大型通用程式。所以目前常採用基本體系的單元形式統一的矩陣位移法進行分析。

參考書目

 普齊米尼斯基著,王德榮等譯:《矩陣結構分析理論》,國防工業出版社,北京,1974。(J.S.Przemieniecki,Theory of Matrix Structural Analysis,McGraw-Hill, New York,1968.)

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