引入位移邊界條件和整體剛度矩陣的修正
在上面討論中已經指出,有限元求解方程的系數矩陣具有奇異性,必須引入適當的位移約束條件,以消除這種奇異性,亦即消除彈性體的剛體位移。消除了整體剛度矩陣的奇異性后,才能從方程組(32)求解結點位移。在一般情況下,所考慮問題的邊界往往已有一定的約束條件,排除了剛體運動的可能性。否則,可適當指定某些結點的位移值,以避免計算機存儲作大的更動。下面就介紹兩種比較簡單的引入已知結點位移的方法。
1、對角元素改l法
這種方法是把結點的指定值置入方程給(32),保持方程仍是2nX2n階,而將K和P修正。例如,若指定結點i在y方向位移vi的值,則令K中的元素Ki,i為1,而第i行和i列的其余元素都為零。P中的第i個元素則用位移v的已知值代入,P中的其他各行元素都減去結點位移的指定值和原來K中這行的相應行元素的乘積。
為了說明這一引進結點已知位移的過程,我們來考察下面只有四個方程的簡單例子。方程(32)展開成如下的形式
設這個系統中結點位移u1和u2被指定為
當引用上述方法后,方程(50)就變成
然后,就用這組維數不變的方程來求解所有的結點位移。顯然,其解答為u1=β1、u2=β3;
v1、v2仍為原方程的解答。
這種方法最適用于給定零位移,此時除將給定的零值位移修改對應的載荷陣元(如例中令Px1=0,Px2=0)外,其他載荷陣中的元素不必作任何修正。
2、對角元素乘大數法
此法是將K中與指定結點位移有關的主對角元素乘上一個大數,例2xl015,同時將p的
對應元素換上結點位移指定值與同一個大數的乘積。實際上,這種方法就是使得K中相應行的修正項遠大于非修正項。
若用此方法來修正上面的例子,則方程(50)將成為
為了看出此方程能給出所需的結果,我們來考慮這方程第一個方程
從實用的觀點來看,這方程就與下式相同
以上兩種方法都保持了原來K矩陣的稀疏、帶狀和對稱等特性。
要注意的是以上所述適用于引入坐標方向位移,若給定位移在非坐標方向,如支座等,則需要進行坐標轉換后才能實施,這里不再細述。
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