Главная » Все файлы » Просмотр файлов из архивов » PDF-файлы » Hutton - Fundamentals of Finite Element Analysis

Hutton - Fundamentals of Finite Element Analysis, страница 14

PDF-файл Hutton - Fundamentals of Finite Element Analysis, страница 14 Численные методы (759): Книга - 6 семестрHutton - Fundamentals of Finite Element Analysis: Численные методы - PDF, страница 14 (759) - СтудИзба2013-09-15СтудИзба

Описание файла

PDF-файл из архива "Hutton - Fundamentals of Finite Element Analysis", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "численные методы" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "численные методы и алгоритмы" в общих файлах.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 14 страницы из PDF

(Again note that the element nodal displacements in the direction perpendicular to the element axis, v1 and v2 , are not considered in the stiffness matrixdevelopment; these displacements come into play in dynamic analyses inChapter 10.) Substituting Equation 3.22 into Equation 3.17 yields (e) U 1   U (e) f (e)ke −ke cos ␪ sin ␪0021=(3.23)(e) (e)00cos ␪ sin ␪ −ke keUf3 2 (e) U4orke−ke (e) U 1    U (e) f (e)−ke21=[R]keU (e)f (e)3 2 (e) U4(3.24)While we have transformed the equilibrium equations from element displacements to global displacements as the unknowns, the equations are still expressedin the element coordinate system.

The first of Equation 3.23 is the equilibriumcondition for element node 1 in the element coordinate system. If we multiply59Hutton: Fundamentals ofFinite Element Analysis603. Truss Structures: TheDirect Stiffness MethodCHAPTER 3Text© The McGraw−HillCompanies, 2004Truss Structures: The Direct Stiffness Methodthis equation by cos ␪, we obtain the equilibrium equation for the node in theX direction of the global coordinate system. Similarly, multiplying by sin ␪ , theY direction global equilibrium equation is obtained.

Exactly the same procedurewith the second equation expresses equilibrium of element node 2 in the globalcoordinate system. The same desired operations described are obtained if wepremultiply both sides of Equation 3.24 by [R]T , the transpose of the transformation matrix; that is, (e) (e) f 1 cos ␪ U1  (e)  (e)cos ␪0  f sin ␪  U (e) fk−ksin ␪0ee211==[R]T[R]−ke ke0cos ␪U (e)f (e)f (e)3 22 cos ␪  (e) 0sin ␪U4f (e)sin␪2(3.25)Clearly, the right-hand side of Equation 3.25 represents the components of theelement forces in the global coordinate system, so we now have (e)   (e) F1 U 1  (e) U   F (e) ke −ke22T=[R][R](3.26)(e) (e) −ke keUF3  3  (e)   (e) U4F4Matrix Equation 3.26 represents the equilibrium equations for element nodes 1and 2, expressed in the global coordinate system.

Comparing this result withEquation 3.18, the element stiffness matrix in the global coordinate frame is seento be given by (e) ke−k eT[R]K= [R](3.27)−k ekeIntroducing the notation c = cos ␪ , s = sin ␪ and performing the matrix multiplications on the right-hand side of Equation 3.27 results inc2sc −c2 −sc (e) s 2 −sc −s 2 K= ke  sc(3.28) −c2 −sc c2sc −sc−s 2scs2where ke = AE/L is the characteristic axial stiffness of the element.Examination of Equation 3.28 shows that the symmetry of the element stiffness matrix is preserved in the transformation to global coordinates. In addition,although not obvious by inspection, it can be shown that the determinant is zero,indicating that, after transformation, the stiffness matrix remains singular.

This isto be expected, since as previously discussed, rigid body motion of the elementis possible in the absence of specified constraints.Hutton: Fundamentals ofFinite Element Analysis3. Truss Structures: TheDirect Stiffness MethodText© The McGraw−HillCompanies, 20043.4 Direct Assembly of Global Stiffness Matrix3.3.1 Direction CosinesIn practice, a finite element model is constructed by defining nodes at specifiedcoordinate locations followed by definition of elements by specification of thenodes connected by each element. For the case at hand, nodes i and j are definedin global coordinates by (Xi, Yi) and (Xj, Yj). Using the nodal coordinates, elementlength is readily computed asL = [( X j − X i ) 2 + (Y j − Yi ) 2 ]1/2(3.29)and the unit vector directed from node i to node j is␭=1[( X j − X i )I + (Y j − Yi )J] = cos ␪X I + cos ␪Y JL(3.30)where I and J are unit vectors in global coordinate directions X and Y, respectively.

Recalling the definition of the scalar product of two vectors and referringagain to Figure 3.4, the trigonometric values required to construct the elementtransformation matrix are also readily determined from the nodal coordinates asthe direction cosines in Equation 3.30cos ␪ = cos ␪X = ␭ · I =X j − XiL(3.31)sin ␪ = cos ␪Y = ␭ · J =Y j − YiL(3.32)Thus, the element stiffness matrix of a bar element in global coordinates canbe completely determined by specification of the nodal coordinates, the crosssectional area of the element, and the modulus of elasticity of the element material.3.4 DIRECT ASSEMBLY OF GLOBALSTIFFNESS MATRIXHaving addressed the procedure of transforming the element characteristics ofthe one-dimensional bar element into the global coordinate system of a twodimensional structure, we now address a method of obtaining the global equilibrium equations via an element-by-element assembly procedure.

The technique ofdirectly assembling the global stiffness matrix for a finite element model of atruss is discussed in terms of the simple two-element system depicted in Figure 3.2. Assuming the geometry and material properties to be completely specified, the element stiffness matrix in the global frame can be formulated for eachelement using Equation 3.28 to obtain (1)(1)(1)(1)k11 k12k13k14 (1)(1)(1)(1)  (1)  k21k22k23k24K=  (1)(3.33)(1)(1)(1)  k31 k32 k33 k34 (1)(1)(1)(1)k41k42k43k4461Hutton: Fundamentals ofFinite Element Analysis623. Truss Structures: TheDirect Stiffness MethodCHAPTER 3Text© The McGraw−HillCompanies, 2004Truss Structures: The Direct Stiffness Methodfor element 1 andK(2)(2)k11 (2)k=  21 k (2) 31(2)k41(2)k12(2)k13(2)k22(2)k23(2)k32(2)k33(2)k42(2)k43(2)k14(2) k24(2) k34(2)k44(3.34)for element 2.

The stiffness matrices given by Equations 3.33 and 3.34 contain32 terms, which together will form the 6 × 6 system matrix containing 36 terms.To “assemble” the individual element stiffness matrices into the global stiffnessmatrix, it is necessary to observe the correspondence of individual element displacements to global displacements and allocate the associated element stiffnessterms to the correct location in the global matrix. For element 1 of Figure 3.2, theelement displacements correspond to global displacements per U (e)1  U1  (1)  U (e) 2U=⇒ U2(3.35)U5 U (e)3U6U (e)4while for element 2 (e)  U 1 U3 (e) (2) U4 U2U=⇒(3.36)U5 U (e)3  U6 (e) U4Equations 3.35 and 3.36 are the connectivity relations for the truss and explicitlyindicate how each element is connected in the structure.

For example, Equation 3.35 clearly shows that element 1 is not associated with global displacementsU3 and U4 (therefore, not connected to global node 2) and, hence, contributes nostiffness terms affecting those displacements. This means that element 1 has noeffect on the third and fourth rows and columns of the global stiffness matrix.Similarly, element 2 contributes nothing to the first and second rows and columns.Rather that write individual displacement relations, it is convenient to placeall the element to global displacement data in a single table as shown in Table 3.1.Table 3.1 Nodal Displacement Correspondence TableGlobal DisplacementElement 1 DisplacementElement 2 Displacement123456120034001234Hutton: Fundamentals ofFinite Element Analysis3.

Truss Structures: TheDirect Stiffness MethodText© The McGraw−HillCompanies, 20043.4 Direct Assembly of Global Stiffness MatrixThe first column contains the entire set of global displacements in numericalorder. Each succeeding column represents an element and contains the number ofthe element displacement corresponding to the global displacement in each row.A zero entry indicates no connection, therefore no stiffness contribution. Theindividual terms in the global stiffness matrix are then obtained by allocating theelement stiffness terms per the table as follows:(1)K 11 = k 11 + 0(1)K 12 = k 12 + 0K 13 = 0 + 0K 14 = 0 + 0(1)K 15 = k 13 + 0(1)K 16 = k 14 + 0(1)K 22 = k 22 + 0K 23 = 0 + 0K 24 = 0 + 0(1)K 25 = k 23 + 0(1)K 26 = k 24 + 0(2)K 33 = 0 + k 11(2)K 34 = 0 + k 12(2)K 35 = 0 + k 13(2)K 36 = 0 + k 14(2)K 44 = 0 + k 22(2)K 45 = 0 + k 23(2)K 46 = 0 + k 24(1)(2)(1)(2)(1)(2)K 55 = k 33 + k 33K 56 = k 34 + k 34K 66 = k 44 + k 44where the known symmetry of the stiffness matrix has been implicitly used toavoid repetition.

It is readily shown that the resulting global stiffness matrix isidentical in every respect to that obtained in Section 3.2 via the equilibriumequations. This is the direct stiffness method; the global stiffness matrix is“assembled” by direct addition of the individual element stiffness terms per thenodal displacement correspondence table that defines element connectivity.63Hutton: Fundamentals ofFinite Element Analysis643.

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5224
Авторов
на СтудИзбе
426
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее