問題描述:
在 SAP2000 中可以對(duì)面對(duì)象指定面彈簧(如模擬彈性地基),請問程序內(nèi)部在具體計(jì)算過程中是如何考慮面彈簧的呢?或者說,指定面彈簧的基本原理是怎樣的呢?它與點(diǎn)彈簧有什么聯(lián)系?
解答:
首先,對(duì)面對(duì)象指定面彈簧,實(shí)際上是對(duì)該面對(duì)象所包含的全部節(jié)點(diǎn)施加點(diǎn)彈簧。這里的“全部”包括:
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對(duì)面對(duì)象進(jìn)行幾何分割所產(chǎn)生的幾何節(jié)點(diǎn),通常為面的角節(jié)點(diǎn)。
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對(duì)面對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格剖分所產(chǎn)生的有限元節(jié)點(diǎn),通常為邊內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和面內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。
默認(rèn)情況下,點(diǎn)彈簧是無法在對(duì)象模型中查看的。不過,用戶可以在視圖選項(xiàng)中勾選顯示分析模型,這樣就可以清楚地顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的點(diǎn)彈簧。如下圖所示:
基于此,面對(duì)象的網(wǎng)格剖分越細(xì)密,則點(diǎn)彈簧的分布越均勻。這樣,分析結(jié)果(內(nèi)力、應(yīng)力等)也會(huì)更精確,但相應(yīng)的計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間會(huì)有所增加。
這里需要注意的是,面彈簧的剛度為單位面積上的點(diǎn)彈簧剛度,量綱為 F/L/L^2 。因此,對(duì)于面彈簧剛度為 K,面積為 A 的面單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)彈簧剛度 k = K x A / N,N 為面單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量(3 或 4)。因此,由若干個(gè)面單元所共享的節(jié)點(diǎn),其點(diǎn)彈簧剛度為各個(gè)面單元貢獻(xiàn)的剛度之和。
例如,對(duì)于下圖所示的面單元,各個(gè)單元的面積和面彈簧剛度均相等。假設(shè)角節(jié)點(diǎn)(即 #1 - #4)的點(diǎn)彈簧剛度為 1(歸一化處理),則邊內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(如 #5,#11)的點(diǎn)彈簧剛度為 2,因?yàn)樗鼈儽粌蓚€(gè)單元所共享。同理,面內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(如 #6,#8)的點(diǎn)彈簧剛度為 4,因?yàn)樗鼈儽凰膫€(gè)單元共享。當(dāng)然,如果各個(gè)單元的面積不相同,則節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)彈簧剛度不一定與連接的單元數(shù)量呈正比,但仍是各個(gè)面單元貢獻(xiàn)的剛度之和!