帮我设计一个matlab程序,用于首先对桁架结构进行有限元单元划分,求解桁架结构在单点激励力作用下的位移、速度、加速度响应,要求用newmark-β法

时间: 2023-11-22 17:56:36 浏览: 103
好的,以下是一个简单的 MATLAB 程序示例,用于对桁架结构进行有限元单元划分,并使用 Newmark-β 方法求解桁架结构在单点激励力作用下的位移、速度和加速度响应。请注意,这只是一个示例程序,可能需要根据您的具体问题进行修改和优化。 ```matlab % 定义桁架结构的节点、单元和材料参数 nodes = [0 0; 0 5; 5 5; 5 0; 2.5 2.5; 2.5 0; 5 2.5]; elements = [1 6; 1 5; 2 5; 2 6; 3 6; 3 5; 4 5; 4 6]; E = 210e9; % 弹性模量 A = 0.01; % 桁架截面积 rho = 7800; % 材料密度 % 计算单元的长度、方向余弦和刚度矩阵 num_elements = size(elements, 1); L = zeros(num_elements, 1); cos_theta = zeros(num_elements, 2); k = zeros(num_elements, 4, 4); for i = 1:num_elements n1 = elements(i, 1); n2 = elements(i, 2); x1 = nodes(n1, 1); y1 = nodes(n1, 2); x2 = nodes(n2, 1); y2 = nodes(n2, 2); L(i) = sqrt((x2-x1)^2 + (y2-y1)^2); cos_theta(i, :) = (nodes(n2, :) - nodes(n1, :)) / L(i); k(i, :, :) = (E*A/L(i)) * [cos_theta(i,1)^2, cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2), -cos_theta(i,1)^2, -cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2); cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2), cos_theta(i,2)^2, -cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2), -cos_theta(i,2)^2; -cos_theta(i,1)^2, -cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2), cos_theta(i,1)^2, cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2); -cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2), -cos_theta(i,2)^2, cos_theta(i,1)*cos_theta(i,2), cos_theta(i,2)^2]; % 定义时间步长、时间向量、初始位移和速度 dt = 0.01; t = 0:dt:10; num_steps = length(t); u = zeros(2*size(nodes, 1), 1); v = zeros(2*size(nodes, 1), 1); % 定义单点激励力作用下的外力向量 f = zeros(2*size(nodes, 1), 1); f(11) = 1000; % 初始化加速度、位移和速度向量 a = zeros(2*size(nodes, 1), 1); u_history = zeros(num_steps, 2*size(nodes, 1)); v_history = zeros(num_steps, 2*size(nodes, 1)); a_history = zeros(num_steps, 2*size(nodes, 1)); % 定义 Newmark-β 方法中的参数 beta = 0.25; gamma = 0.5; % 开始时间步迭代 for i = 1:num_steps % 计算加速度、位移和速度 if i == 1 a(:, i) = inv(mass_matrix(nodes, elements, rho)) * (f - damping_matrix(nodes, elements, u(:, i), v(:, i)) - stiffness_matrix(elements, k, cos_theta, u(:, i))); v(:, i) = v(:, i) + dt*a(:, i); u(:, i) = u(:, i) + dt*v(:, i) + 0.5*dt^2*a(:, i); else a(:, i) = inv(mass_matrix(nodes, elements, rho)) * (f - damping_matrix(nodes, elements, u(:, i), v(:, i)) - stiffness_matrix(elements, k, cos_theta, u(:, i))); v(:, i) = v(:, i-1) + dt*((1-gamma)*a(:, i-1) + gamma*a(:, i)); u(:, i) = u(:, i-1) + dt*v(:, i-1) + dt^2*((0.5-beta)*a(:, i-1) + beta*a(:, i)); end % 存储加速度、位移和速度 u_history(i, :) = u(:, i); v_history(i, :) = v(:, i); a_history(i, :) = a(:, i); end % 绘制节点的位移、速度和加速度响应 figure; subplot(3, 1, 1); plot(t, u_history(:, 1:2:end), '-'); ylabel('Displacement'); subplot(3, 1, 2); plot(t, v_history(:, 1:2:end), '-'); ylabel('Velocity'); subplot(3, 1, 3); plot(t, a_history(:, 1:2:end), '-'); ylabel('Acceleration'); xlabel('Time'); % 定义质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵的函数 function M = mass_matrix(nodes, elements, rho) num_nodes = size(nodes, 1); M = zeros(2*num_nodes, 2*num_nodes); for i = 1:size(elements, 1) n1 = elements(i, 1); n2 = elements(i, 2); m = rho * norm(nodes(n2, :) - nodes(n1, :)) / 6; index1 = [2*n1-1, 2*n1, 2*n2-1, 2*n2]; index2 = [2*i-1, 2*i, 2*i+1, 2*i+2]; M(index1, index1) = M(index1, index1) + m * eye(4); M(index1, index2) = M(index1, index2) + m * [-1 0 1 0; 0 -1 0 1; -1 0 1 0; 0 -1 0 1]; M(index2, index1) = M(index2, index1) + m * [-1 0 -1 0; 0 -1 0 -1; 1 0 1 0; 0 1 0 1]; M(index2, index2) = M(index2, index2) + m * [1 0 -1 0; 0 1 0 -1; -1 0 1 0; 0 -1 0 1]; end end function C = damping_matrix(nodes, elements, u, v) num_nodes = size(nodes, 1); C = zeros(2*num_nodes, 2*num_nodes); alpha = 0.01; beta = 0.05; for i = 1:size(elements, 1) n1 = elements(i, 1); n2 = elements(i, 2); x1 = nodes(n1, 1) + u(2*n1-1); y1 = nodes(n1, 2) + u(2*n1); x2 = nodes(n2, 1) + u(2*n2-1); y2 = nodes(n2, 2) + u(2*n2); L = sqrt((x2-x1)^2 + (y2-y1)^2); cos_theta = [(x2-x1)/L, (y2-y1)/L]; v1 = [v(2*n1-1); v(2*n1)]; v2 = [v(2*n2-1); v(2*n2)]; v_local = [cos_theta, cos_theta; -cos_theta, -cos_theta] * [v1; v2]; v_avg = 0.5 * (v_local(1) + v_local(2)); c = alpha * L + beta * abs(v_avg); m = rho * norm(nodes(n2, :) - nodes(n1, :)) / 6; index1 = [2*n1-1, 2*n1, 2*n2-1, 2*n2]; index2 = [2*i-1, 2*i, 2*i+1, 2*i+2]; C(index1, index1) = C(index1, index1) + c * m * eye(4); C(index1, index2) = C(index1, index2) + c * m * [-1 0 1 0; 0 -1 0 1; -1 0 1 0; 0 -1 0 1]; C(index2, index1) = C(index2, index1) + c * m * [-1 0 -1 0; 0 -1 0 -1; 1 0 1 0; 0 1 0 1]; C(index2, index2) = C(index2, index2) + c * m * [1 0 -1 0; 0 1 0 -1; -1 0 1 0; 0 -1 0 1]; end end function K = stiffness_matrix(elements, k, cos_theta, u) num_nodes = max(elements(:)); K = zeros(2*num_nodes, 2*num_nodes); for i = 1:size(elements, 1) n1 = elements(i, 1); n2 = elements(i, 2); index1 = [2*n1-1, 2*n1, 2*n2-1, 2*n2]; index2 = [2*i-1, 2*i, 2*i+1, 2*i+2]; u_local = [u(index1(1:2)); u(index1(3:4))]; u_global = [cos_theta, -cos_theta; cos_theta, -cos_theta] * u_local; K(index1, index1) = K(index1, index1) + squeeze(k(i, :, :)) + [zeros(2, 2), zeros(2, 2); zeros(2, 2), zeros(2, 2)] + [zeros(2, 2), zeros(2, 2); zeros(2, 2), zeros(2, 2)]; K(index1, index2) = K(index1, index2) + [-cos_theta, -sin_theta, cos_theta, sin_theta; -sin_theta, -cos_theta, sin_theta, cos_theta; cos_theta, sin_theta, -cos_theta, -sin_theta; sin_theta, cos_theta, -sin_theta, -cos_theta] * squeeze(k(i, :, :)) * [1, 0, 0, 0; 0, 0, 1, 0]; K(index2, index1) = K(index2, index1) + [1, 0, 0, 0; 0, 0, 1, 0] * squeeze(k(i, :, :)) * [-cos_theta; -sin_theta; cos_theta; sin_theta;]; K(index2, index2) = K(index2, index2) + [0, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 0]; end end ```
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