ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.06.2020

Просмотров: 205

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

DRAFT –1  

Chapter 3 Truss Element 

By trigonometric relations, we have, 
 
 

 

δ

1

 = u

1

 cos

θ

 + u

sin

θ

 = c u

+ s u

 

 

 

 

 

δ

 = u

3

 cos

θ

 + u

sin

θ

 = c u

+ s u

 

where, cos

θ

 = c, and sin

θ

 = s 

 
Writing the above equations in a matrix form, we get, 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

u

1

 

 

δ

1

   c s 0 0 u

2

 

                        = 

 

 

 

 

u

3  

 

(3.2) 

δ

1

   0 0 c s u

4

 

 

 

 
Or, in short form, 

δ

 

     =   T       u 

 
Where T is called Transformation matrix. 
 
Along with equation (3.2), we also need an equation that relates the local and global 
forces.  
 
 

3.3.5 Relationship Between Local and Global Forces 

 
By using trigonometric relations similar to the previous section, we can derive the desired 
relationship between local and global forces. However, it will be easier to use the work-
energy concept for this purpose. The forces in local coordinates are: R

1

 and R

2

, and in 

global coordinates: f

1

, f

2

, f

3

, and f

4

, see Figure 3.6 for their directions. 

 
Since work done is independent of a coordinate system, it will be the same whether we 
use a local coordinate system or a global one. Thus, work done in the two systems is 
equal and given as, 
 
W = 

δ

T

 R = u

T

 f,  or in an expanded form, 

 
 
 

 

     R

1   

 

 

 

f

W =  

δ

1   

δ

2

   

    =     u

1    

u

  u

   u

 

f

2

 

 

 

     R

2   

 

 

 

f

          

 

 

 

 

 

f

4

 

 
   =  {

δ

}

T

 {R}                 = {u}

T

{f} 

 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  3-6 


background image

DRAFT –1  

Chapter 3 Truss Element 

 
Substituting   

δ

 

     =   T         u    in the above equation, we get, 

 
 

[[T] {u}]

T

  {R}  =  {u}

T

 {f}, or 

 

{u}

T

 [T]

T

 {R} = {u}

T

 {f},  dividing by {u}

T

 on both sides, we get, 

 
 

 

        [T]

T

 

{R} 

 

{f} 

    (3.3) 

 
 
Equation (3.3) can be used to convert local forces into global forces and vice versa. 
 
 
 

F

4

, u

 

 

 

    R

2

δ

2

 

                                                          f

2

, u

2

                                     

2

 

  

 

f

3

 u

                                                                  

                      

θ

 

 

                                                   

                               

 

                

 

                                        R

1

δ

              f

1

, u

1

 

 
 

Figure 3.6  Local and Global Forces 

 
 

3.3.6 Finite Element Equation in Local Coordinate System 

 
Now we will derive the finite element equation in local coordinate system. This equation 
will be converted to global coordinate system, which can be used to generate a global 
structural equation for the given structure. Note that, we can not use the element 
equations in their local coordinate form, they must be converted to a common coordinate 
system, the global coordinate system.   
 
Consider the element shown below, with nodes 1 and 2, spring constant k, deflections 

δ

1

,

  

and 

δ

2

, and forces R

1

 and R

2

. As established earlier, the finite element equation in local 

coordinates is given as, 
 
 
R

1                           

k             -k         

δ

1

 

1

 

    

2

 

        =   

            

δ

1

,

  

R

R

2

 

-k 

k     

δ

1

 

 

δ

2

, R

2

 

 

                                                                                                  

Figure 3.7 A Truss Element

 

Recall that, for a truss element, k = AE/L 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  3-7 


background image

DRAFT –1  

Chapter 3 Truss Element 

                                                                                                                        

 
Let k

=  stiffness matrix in local coordinates, then, 

 
 
  AE/L 

-AE/L 

 

k

Stiffness matrix in local coordinates

 

  -AE/L 

AE/L 

             
 
 

3.3.7 Finite Element Equation in Global Coordinates 

 
Using the relationships between local and global deflections and forces, we can convert 
an element equation from a local coordinate system to a global system. 
 
Let k

g

 = Stiffness matrix in global coordinates. 

 
In local system, the equation is: 

R = [k

e

]{ 

δ

  (A) 

 
We want a similar equation, but in global coordinates. We can replace the local force R 
with the global force f derived earlier and given by the relation: 
 

 
{f} = [T

T

]{R}  

  
 Replacing R by using equation (A), we get, 
 
 

{f} = [T

T

] [[k

e

]{ 

δ

}],   

 
and 

δ

 can be replaced by u, using  the relation 

δ

 = [T]{u}, therefore,  

 
 

{f} = [T

T

] [k

e

] [T]{u} 

 
 

  {f} = [k

g

]  { u} 

 

 
Where, [k

g

]  = [T

T

] [k

e

] [T] 

 
Substituting the values of [T]

T

, [T],  and [k

e

], we get, 

 
 

   c 

[k

g

] =      s 

AE/L  -AE/L   

   0 

-AE/L  AE/L   

   0 

 
 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  3-8 


background image

DRAFT –1  

Chapter 3 Truss Element 

Simplifying the above equation, we get, 
 
 
 

 

c

2

 cs -c

2

 -cs 

 

 

cs 

s

2

 -cs -s

2

 

    [k

g

]  = 

-c

2

 -cs  

c

2

 

cs       (AE/L) 

  -cs 

-s

2

 cs  s

2

 

 
 
This is the global stiffness matrix of a truss element. This matrix has several noteworthy 
characteristics: 
 

 

The matrix is symmetric  

 

Since there are 4 unknown deflections (DOF), the matrix size is a 4 x 4. 

 

The matrix represents the stiffness of a single element. 

 

The terms c and s represent the sine and cosine values of the orientation of 
element with the horizontal plane, rotated in a counter clockwise direction 
(positive  direction). 

 
The following example will illustrate its application. 
 
 
 

(1) 

                                                                                                      

1

                 260  AL 

Examples  

3

 

 

 

For the truss structure shown:                                                        150    AL 

(3)

 

                                                                                                 

(2)

                         ST 

1.  Find displacements of joints 2 and 3 

 

 

 

 

300 

 0.4 kN 

2.  Find stress, strain, & internal 

forces 

    

 in each member. 

2

 

 
A

AL

 = 200 mm

2

 , A

ST

 = 100 mm

2

  

 
All other dimensions are in mm. 
 

Solution 

 
Let the following node pairs form the elements: 
 
 

Element   Node 

Pair 

 (1) 

  1-3 

 (2) 

  1-2 

 (3) 

  2-3 

 
Using Shigley’s Machine Design book for yield strength values, we have, 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  3-9 


background image

DRAFT –1  

Chapter 3 Truss Element 

 

S

y

 

(AL) 

=  0.0375kN/mm

2

  (375 Mpa)         

 
S

 

(ST) 

= 0.0586kN/mm

2

  (586 Mpa)          

 

(AL) 

= 69kN/mm

2

 , E 

(ST) 

= 207kN/mm

2

 

 
A

(1) 

= A

(2) 

= 200mm

, A

(3) 

=100mm

2

 

 

Find the stiffness matrix for each element   
 

 

 

 

 

 

      u

2  

u

6

 

Element (1) 

 (1) 
L

(1 ) 

= 260 mm,  

    u

1

   

u

5

 

E

(1) 

= 69kN/mm

2

,                                                     1  

260 mm 

    3 

A

(1) 

= 200mm

2

 

 

θ

 = 0 

c = cos

θ

 = 1,   

c

2

 = 1 

s = sin

θ

 = 0,    s

2

 = 0 

cs = 0 

2

2

2

2

2

2

(1)

2

2

2

2

(1)

1

69

/

200

53.1

/

260

[

]

1 1

0

1 0

2 0

1

0

0

[

]

(53.1)

5

1 0

1

0

6 0

0

0

0

g

g

EA

kN mm

mm

kN mm

L

mm

c

cs

c

cs

cs

s

cs

s

AE

K

L

c

cs

c

cs

cs

s

cs

s

kN

K

mm

=

×

×

=

=

=

 
 

 
 
 
 
 
 
 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  3-10