單元剛度矩陣

由(27a)式定義的單元剛度矩陣,由于應變B對于3結點三角形單元是常量陣,因此有

單元剛度矩陣的圖1

 


 


代入彈性矩陣D和應變矩陣B后,它的任一分塊矩陣可表示成

單元剛度矩陣的圖2

 


 


 


 


 


 

 

 


單元剛度矩陣的圖3


 


(34)式立即可以得到


由此可見單元剛度矩陣是對稱矩陣。


為了進一步理解單元剛度矩陣的物理意義,我們同樣可以利用最小位能原理建立一


個單元的平衡,這就得到

單元剛度矩陣的圖4


 


Pe是單元結點載荷,當然應當包括其它相鄰單元對該單元的作用力?,F把ae、Pe順序表示為

單元剛度矩陣的圖5

 


 


 


 


 


 


 


 


這是單元結點平衡方程,每個結點在xy方向上各有一個平衡方程,3個結點共有六個平衡方程。方程左端是通過單元結點位移表示的單元結點內力,方程右端是單元結點外載。


a1=1(ui=1),a2=a3=…a6=0


由(38)式可以得到

單元剛度矩陣的圖6

 


 


 


39)式表明,單元剛度矩陣第一列元素的物理意義是:a11。其他結點位移都為零時,需要在單元各結點位移方向上施加結點力的大小。當然,單元在這些結點力作用下處于平衡,因此在xy 方向上結點力之和為零:

單元剛度矩陣的圖7




 


對于單元剛度矩陣中其他列的元素也可用同樣的方法得到它們的物理解釋。因此單元剛度矩陣中任一元素Kij物理意義為:當單元的第j個結點位移為單位位移而其他結點位移為零時,需在單元第j個結點位移方向上施加的結點力的大小。單元剛性大,則使結點產生單位位移所需施加的結點力就大。因此單元剛度矩陣中的每個元素反映了單元剛性的大小,稱為剛度系數。對于單元剛度矩陣的每一列()元素應有

單元剛度矩陣的圖8

 



 


單元剛度矩陣的特性可歸納如下:


(1)對稱性


已由(36)式證明


(2)奇異性


單元剛度矩陣Ke是奇異的,它不存在逆矩陣。Ke的秩是3


單元剛度矩陣奇異的物理解釋是:單元處于平衡時,結點力相互不是獨立的,它們必須滿足三個平衡方程(兩個方向力的平衡,和繞任一點力矩的平衡),因此它們是線性相關的。另一方面,即使給定滿足平衡的單元結點Pe,也不能確定單元結點位移ae,因為單元還可以有任意的剛體位移(對于平面問題,這種剛體位移是兩個方向的移動和一個面內的轉動)。


(3)主元恒正


Kij>0 (41)


KII恒正的物理意義是要使結點位移ai=1,施加在ai方向的結點力必須與位移ai同向。

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