5. Матрицы и метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ) и матричные методы расчета неразрывно связаны. Более того, МКЭ без матриц невозможно ни излагать, ни применять.

Изложим основы метода конечных элементов для плоских стержневых систем. При определении перемещений будем учитывать только изгибающие моменты, перерезывающие силы не учитываем, нормальные силы учитываем только в расчетах устойчивости сооружений и в динамических задачах.

В общем случае уравнения движения стержневой системы записываем в матричной форме

, (5.1)

где - вектор обобщенных перемещений узлов системы, - вектор узловых обобщенных нагрузок, - матрица жесткости системы, K_G - матрица геометрической жесткости, Г – диссипативная матрица, m – матрица масс.

При статическом расчете из (5.1) имеем

. (5.2)

При расчетах на устойчивость

. (5.3)

Конструкция разбивается на отдельные элементы. Точки соединения элементов называются узлами. Таким образом, узлы являются границами соседних элементов. Перемещения в пределах элемента выражаются через обобщенные перемещения на его границах. Элементы матрицы жесткости - обобщенная сила упругости по направлению i - го обобщенного перемещения от = 1.

5.1. Статический расчет стержневых систем

Для примера составим уравнения (5.2) для одноэтажной рамы, изображенной на Рис.5.1.

Разделим раму на отдельные элементы. В качестве конечных элементов выберем стойки и ригель рамы. Таким образом, имеем три конечных элемента, соединенных в узлах, в которых сходится левая стойка с ригелем и ригель соединяется с правой стойкой. В качестве обобщенных перемещений принимаем горизонтальное перемещение ригеля Z₁, угол поворота левого узла Z₂ и угол поворота правого узла Z₃.

Элементы матрицы жесткости стержневого элемента (см. Рис.5.2) вычисляются (также как единичные реакции в методе перемещений) по формулам:

, (5.4)

где , - функции и их вторые производные по x, интерполирующие перемещения точек в пределах конечного элемента. Зададим эти функции в виде полиномов Эрмита:

;

(5.5)

;

;

.

По смыслу аппроксимирующие функции есть перемещения точек оси элемента при Z_i=1, Z_j=0 .

После подстановки (5.5), в (5.4) и вычислений находим узловые силы упругости равные узловым реакциям :

; (5.6)

где

, (5.7)

матрица жесткости стержневого элемента.

В развернутой форме уравнение (5.2) имеет вид

(5.8)

Элементы матрицы жесткости конструкции r_ij могут быть вычислены сложением элементов матриц жесткости стержневых элементов в определенной последовательности. Такой метод называется прямым методом жесткостей. На рис.5.3 продемонстрирован этот метод для системы, приведенной на рис.5.1.

На рис.5.3 показана основная система метода перемещений, дело в том, что в стержневой системе коэффициенты жесткости (элементы матрицы жесткости) равны реакциям во введенных связях основной системы метода перемещений. То есть коэффициенты жесткости можно определять так же, как единичные реакции в методе перемещений.

Для системы изображенной на рис.5.1 по формулам на рис.5.3 и по (5.7) получим

, , ,

, , ,

, , .

Верхние индексы в круглых скобках указывают на номер элемента, например, указывает на то, что вычисляется по (5.7) для k – го элемента.

Таким образом, матрица жесткости для системы на рис.5.1:

. (5.9)

Вектор узловых нагрузок для той же системы:

.

Решение уравнения (5.2) имеет вид

Обратная матрица жесткости, называется матрицей податливости

.

Матрица обобщенных перемещений для системы на рис.5.1:

.

Внутренние силы (изгибающие моменты) вычислим по формуле:

,

где - единичная матрица, столбцы которой есть ординаты эпюр изгибающих моментов от Z_i = 1, i = 1,2,3.

Составим единичную матрицу, выписав в столбцы ординаты эпюр M₁, M₂ и M₃. Положительные знаки на эпюрах принимаем для ординат отложенных справа или снизу. Получим единичную матрицу :

Вычисляем расчетную эпюру изгибающих моментов:

.

На рис.5.5 показана расчетная эпюра изгибающих моментов в раме, изображенной на рис.5.1.

Пример, приведенный выше (Рис.5.1), рассчитан с помощью программы Maple10. Расчет приведен ниже:

> restart;

> K:=2*EI/L^3*<<12|3*L|3*L>,<3*L|6*L^2|2*L^2>,<3*L|2*L^2|6*L^2>>;

> PP:=<<P>,<0>,<0>>;

> Z:=K^(-1).PP;

> M:=<<-6*EI/L^2|-2*EI/L|0>,<6*EI/L^2|4*EI/L|0>,<0|-8*EI/L|-4*EI/L>,<0|4*EI/L|8*EI/L>,<-6*EI/L^2|0|-4*EI/L>,<6*EI/L^2|0|2*EI/L>>;

> MP:=M.Z;