傳統結構動力有限元素分析採用隱式直接積分法進行非線性歷時分析之主要缺點為結構特性矩陣之反矩陣計算,非常耗時且容易發散。目前工程界與學術界進行非線性動力歷時分析時,經常採用顯式直接積分法,其優點在於不須解反矩陣,但分析大型結構系統時,為避免數值發散,必須採取非常小之時間步幅,因此大幅增加計算時間,反而喪失不須解反矩陣的優點,此外,顯式直接積分法另一缺點為無法考慮勁度阻尼,在僅考量質量阻尼情形下,無法消除數值模型產生之高頻反應,該高頻反應並非真實存在,經常影響分析結果之準確性,因此,目前工程界與學術界對於大型複雜結構之結構動力問題無法精準又有效率地解析。為結合傳統隱式法與顯式法之優點,且未有其缺點,本分析方法提出等效節點割線勁度與阻尼係數之概念,使結構勁度矩陣與勁度阻尼矩陣對角化,並採集中質量方式建立對角化質量矩陣,亦即使運動控制方程式為非耦合,因此不再需要進行矩陣運算,同時可自由選擇任何隱式直接積分法及採用較大之時間步幅,大幅提高計算效率,並且容許模擬結構勁度阻尼,有效避免在反矩陣運算時經常發生之數值發散情形。經由大量之數值驗證,本法之收斂速度等同於傳統迭代程序之收斂速度,數值解的穩定性與正確性等同於傳統隱式直接積分法之穩定性與正確性。由於不需建立結構勁度矩陣與阻尼矩陣,且僅需計算元素之節點內力與阻尼力,任何形式之有限元素與阻尼元件均可簡易地直接加入本分析程序中。因此,本法具有簡易性、穩定性、強健性與高效率等多項特性,可廣泛運用於處理各種非線性與不連續之棘手力學問題。 |