矩陣位移法和有限元法在桁架結(jié)構(gòu)分析中的區(qū)別

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1、文章編號(hào):1009-6825(2012)29-0048-02矩陣位移法和有限元法在桁架結(jié)構(gòu)分析中的區(qū)別張寧寧(江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫214122)摘要:分析了矩陣位移法和有限元法兩種理論，以及在實(shí)用結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用計(jì)算，探索了兩者之間的區(qū)別:矩陣位移法僅能應(yīng)用在已知單元節(jié)點(diǎn)力、框架結(jié)構(gòu)中單元節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系，而不能應(yīng)用在連續(xù)體結(jié)構(gòu)中，提出兩者的主要區(qū)別在于基本原理和分析方法。關(guān)鍵詞:矩陣位移法，有限元法，結(jié)構(gòu)分析中圖分類號(hào):TU311．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A有限元數(shù)值分析理論中，可以比較精確地分析復(fù)雜工程問題和大結(jié)構(gòu)體。有限元法基于離散化的實(shí)體，解決一些力學(xué)和物理問

2、題，主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)大型或者特殊項(xiàng)目和系統(tǒng)工程。矩陣位移法基于位移方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)矩陣分析，把位移看作基本未知量。由于分析方法和有限元分析法相似，矩陣位移法又被稱作“桿件結(jié)構(gòu)有限元分析”。面兩個(gè)方面:1)基本原理的建立方法不同。矩陣位移法是建立在結(jié)構(gòu)力學(xué)中的位移理論方法，在計(jì)算過程中很容易獲得方程，然后用計(jì)算機(jī)解方程，有限元法是建立在彈性力學(xué)理論，變量理論和平均剩余理論的基礎(chǔ)上，它通過近似函數(shù)獲得未知函數(shù)來解決問題。2)解決方案的重點(diǎn)不同。有限元法首先根據(jù)荷載和材料的本質(zhì)把結(jié)構(gòu)分成有限個(gè)獨(dú)立單元。然后，在單元中選擇簡(jiǎn)單的近似函數(shù)獲得未知函數(shù)。根據(jù)變量原則和平均剩余方法建立

3、剛度方程(1)。1兩種算法的基本原理1．1矩陣位移法的基本原理矩陣位移法是在力學(xué)結(jié)構(gòu)中解決位移和桿件整體力的重要方法，是以位移方法理論為基礎(chǔ)的。此方法把節(jié)點(diǎn)位移看作基本未知量，把結(jié)構(gòu)離散成單一桿件結(jié)構(gòu)后，分析并建立各個(gè)元素的平衡方程。最后，得到節(jié)點(diǎn)位移和桿件單元端點(diǎn)力。1．2矩陣位移法分析過程過程分為后處理方法和前處理方法。后處理方法分六步進(jìn)行:第一步，離散并編碼;第二步，計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?第三步，形成原始整體剛度矩陣和整體剛度方程式;第四步，根據(jù)邊界條件形成剛度矩陣和剛度方程式;第五步，得到節(jié)點(diǎn)位移;第六步，計(jì)算單元固端力和反作用力。而在前處理法中，除去第三步，其

4、他步驟同。eeδeF=k(1)在矩陣和計(jì)算機(jī)的幫助下，可以獲得近似解決方法。矩陣位移法建立整個(gè)剛度矩陣K同時(shí)形成矢量力p，然后得到基本函數(shù)方程(2)。KΔ=p(2)通過方程(2)得到節(jié)點(diǎn)位移。然后根據(jù)方程(3)得到固定端的力。Fe=KeΔe+Fe(3)p正如方程(1)和方程(3)所示，關(guān)于單元固定端的力的兩個(gè)算法是不同的。有限元法忽視了固定端的力。3結(jié)語本文從基本原理，基本方程方面分析了矩陣位移法和有限元1．3有限元法基本原理有限元法是解決數(shù)學(xué)問題的有效方法。是使一個(gè)連續(xù)的無法的微妙區(qū)別。當(dāng)矩陣位移法用來計(jì)算固定端的力的時(shí)候，固定端的力必須增加。但在有限元的方法中，

5、節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變形獲得。沒有固定端的力，應(yīng)力的精度將會(huì)下降。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)，錯(cuò)誤率與單元尺寸，荷載的類型，荷載的大小有關(guān)。參考文獻(xiàn):限自由度問題變成離散的有限自由度問題。具體再將連續(xù)的整體離散為一組單元的組合體，使用在各單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解整體上待求的未知函數(shù)，通常由未知函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)近似函數(shù)，從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。［1］SiYuan．FrommatrixdisplacementmethodtoFEM:lossandre-coveryofstressaccuracy，Keynote

6、Lecture，F(xiàn)irstInternationalSymposiumonStructuralEngineering，Kunming，China，1999．HuandingWang，ZhaopingJiao．Thefoundationofthefinitemethod(Highereducationpress，China2002)．BuyuanLiu，XianZhang，YunpengHu，etal．Theanalysisoffi-niteelementapplication［J］．TheChinascienceandtechnologyinformation，20

7、10(12):35．BeibaoZhu，ZujunZou，MinChen．Basedontheobject-orienteddatabaseoffiniteelementmethodinspacetrussstructuralanal-ysisofapplication［J］．StructuralEngineers，2003(4):26．QiweiYang．Theobliquestemframecalculationinstructurema-trixanalysis［J］．Thenorthernindustrialuniversityjournal，2006(