Pythonで平面骨組解析 (2) 修正プログラム 

## 概要
このプログラムでは，剛性マトリックスの大きさを変えずに境界条件を導入している（下式参照）
ここで，既知変位はゼロのみ処理可能としているため，例えば，変位 $\delta_i=0$ であれば，$k_{ii}=1$ とし，それ以外の $i$ 行および $i$ 列の要素をゼロとしている．
ここで，もし $f_i$ がゼロでない場合は，$f_i=0$ とする必要がある．
前回のプログラムでは，この処理が織り込まれていなかったので，今回修正した．

元の剛性方程式
$$
\begin{equation}
\begin{bmatrix}
k_{11} & \ldots & k_{1i} & \ldots & k_{1n} \\\
\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\\
k_{1i} & \ldots & k_{ii} & \ldots & k_{1n} \\\
\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\\
k_{n1} & \ldots & k_{ni} & \ldots & k_{nn}
\end{bmatrix}
\begin{Bmatrix}
\delta_1 \\\
\vdots \\\
\delta_i \\\
\vdots \\\
\delta_n
\end{Bmatrix}
=\begin{Bmatrix}
f_1 \\\
\vdots \\\
f_i \\\
\vdots \\\
f_n
\end{Bmatrix}
\end{equation}
$$

境界条件導入後の剛性方程式 ($\delta_i=0, \quad f_i=0$)
$$
\begin{equation}
\begin{bmatrix}
k_{11} & \ldots & 0      & \ldots & k_{1n} \\\
\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\\
0      & \ldots & 1      & \ldots & 0      \\\
\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\\
k_{n1} & \ldots & 0      & \ldots & k_{nn}
\end{bmatrix}
\begin{Bmatrix}
\delta_1 \\\
\vdots \\\
\delta_i \\\
\vdots \\\
\delta_n
\end{Bmatrix}
=\begin{Bmatrix}
f_1 \\\
\vdots \\\
f_i \\\
\vdots \\\
f_n
\end{Bmatrix}
\end{equation}
$$

## 修正プログラム

```python:py_frame.py
import numpy as np
import sys

def STIFF(i,node,x,ae):
    ek=np.zeros([6,6],dtype=np.float64) # local stiffness matrix
    tt=np.zeros([6,6],dtype=np.float64) # transformation matrix
    mpf=node[0,i]
    mps=node[1,i]
    x1=x[0,mpf-1]
    y1=x[1,mpf-1]
    x2=x[0,mps-1]
    y2=x[1,mps-1]
    xx=x2-x1
    yy=y2-y1
    el=np.sqrt(xx**2+yy**2)
    mb=node[2,i]
    aa=ae[0,mb-1]
    am=ae[1,mb-1]
    ee=ae[2,mb-1]
    EA=ee*aa
    EI=ee*am
    ek[0,0]= EA/el; ek[0,1]=         0.0; ek[0,2]=        0.0; ek[0,3]=-EA/el; ek[0,4]=         0.0; ek[0,5]=        0.0
    ek[1,0]=   0.0; ek[1,1]= 12*EI/el**3; ek[1,2]= 6*EI/el**2; ek[1,3]=   0.0; ek[1,4]=-12*EI/el**3; ek[1,5]= 6*EI/el**2
    ek[2,0]=   0.0; ek[2,1]=  6*EI/el**2; ek[2,2]= 4*EI/el   ; ek[2,3]=   0.0; ek[2,4]= -6*EI/el**2; ek[2,5]= 2*EI/el
    ek[3,0]=-EA/el; ek[3,1]=         0.0; ek[3,2]=        0.0; ek[3,3]= EA/el; ek[3,4]=         0.0; ek[3,5]=        0.0
    ek[4,0]=   0.0; ek[4,1]=-12*EI/el**3; ek[4,2]=-6*EI/el**2; ek[4,3]=   0.0; ek[4,4]= 12*EI/el**3; ek[4,5]=-6*EI/el**2
    ek[5,0]=   0.0; ek[5,1]=  6*EI/el**2; ek[5,2]= 2*EI/el   ; ek[5,3]=   0.0; ek[5,4]= -6*EI/el**2; ek[5,5]= 4*EI/el
    s=yy/el
    c=xx/el
    tt[0,0]=  c; tt[0,1]=  s; tt[0,2]=0.0; tt[0,3]=0.0; tt[0,4]=0.0; tt[0,5]=0.0
    tt[1,0]= -s; tt[1,1]=  c; tt[1,2]=0.0; tt[1,3]=0.0; tt[1,4]=0.0; tt[1,5]=0.0
    tt[2,0]=0.0; tt[2,1]=0.0; tt[2,2]=1.0; tt[2,3]=0.0; tt[2,4]=0.0; tt[2,5]=0.0
    tt[3,0]=0.0; tt[3,1]=0.0; tt[3,2]=0.0; tt[3,3]=  c; tt[3,4]=  s; tt[3,5]=0.0
    tt[4,0]=0.0; tt[4,1]=0.0; tt[4,2]=0.0; tt[4,3]= -s; tt[4,4]=  c; tt[4,5]=0.0
    tt[5,0]=0.0; tt[5,1]=0.0; tt[5,2]=0.0; tt[5,3]=0.0; tt[5,4]=0.0; tt[5,5]=1.0
    return ek,tt,mpf,mps

# Main routine
args = sys.argv
fnameR=args[1] # input data file
fnameW=args[2] # output data file

f=open(fnameR,'r')
text=f.readline()
text=text.strip()
text=text.split()
npoin=int(text[0]) # Number of nodes
nele =int(text[1]) # Number of elements
nsec =int(text[2]) # Number of sections
npfix=int(text[3]) # Number of restricted nodes
nlod =int(text[4]) # Number of loaded nodes
n=3*npoin

x    =np.zeros([2,npoin],dtype=np.float64) # Coordinates of nodes
ae   =np.zeros([3,nsec],dtype=np.float64)  # Section characteristics
node =np.zeros([3,nele],dtype=np.int)      # Node-element relationship
fp   =np.zeros(3*npoin,dtype=np.float64)   # External force vector
fw   =np.zeros(3*npoin,dtype=np.float64)   # Work vector for External force vector
mpfix=np.zeros([3,npoin],dtype=np.int)     # Ristrict conditions
ir   =np.zeros(6,dtype=np.int)             # Work vector for matrix assembly
gk   =np.zeros([n,n],dtype=np.float64)     # Global stiffness matrix
fsec =np.zeros([6,nele],dtype=np.float64)  # Section force vector
work =np.zeros(6,dtype=np.float64)         # work vector for section force calculation

# section characteristics
for i in range(0,nsec):
    text=f.readline()
    text=text.strip()
    text=text.split()
    ae[0,i]=float(text[0]) #section area
    ae[1,i]=float(text[1]) #moment of inertia
    ae[2,i]=float(text[2]) #elastic modulus
# element-node
for i in range(0,nele):
    text=f.readline()
    text=text.strip()
    text=text.split()
    node[0,i]=int(text[0]) #node_1
    node[1,i]=int(text[1]) #node_2
    node[2,i]=int(text[2]) #section characteristic number
# node coordinates
for i in range(0,npoin):
    text=f.readline()
    text=text.strip()
    text=text.split()
    x[0,i]=float(text[0]) # x-coordinate
    x[1,i]=float(text[1]) # y-coordinate
# boundary conditions (0:free, 1:restricted)
for i in range(0,npfix):
    text=f.readline()
    text=text.strip()
    text=text.split()
    lp=int(text[0])            #fixed node
    mpfix[0,lp-1]=int(text[1]) #fixed in x-direction
    mpfix[1,lp-1]=int(text[2]) #fixed in y-direction
    mpfix[2,lp-1]=int(text[3]) #fixed in rotation
# load
for i in range(0,nlod):
    text=f.readline()
    text=text.strip()
    text=text.split()
    lp=int(text[0])           #loaded node
    fp[3*lp-3]=float(text[1]) #load in x-direction
    fp[3*lp-2]=float(text[2]) #load in y-direction
    fp[3*lp-1]=float(text[3]) #load in rotation
f.close()

for ne in range(0,nele):
    ek,tt,mpf,mps=STIFF(ne,node,x,ae)
    ck=np.dot(np.dot(tt.T,ek),tt)
    ir[5]=3*mps-1
    ir[4]=ir[5]-1
    ir[3]=ir[4]-1
    ir[2]=3*mpf-1
    ir[1]=ir[2]-1
    ir[0]=ir[1]-1
    for i in range(0,6):
        for j in range(0,6):
            it=ir[i]
            jt=ir[j]
            gk[it,jt]=gk[it,jt]+ck[i,j]
# boundary condition
fw=fp
for i in range(0,npoin):
    for j in range(0,3):
        if mpfix[j,i]==1:
            iz=i*3+j
            for k in range(0,n):
                gk[iz,k]=0.0
                gk[k,iz]=0.0
            gk[iz,iz]=1.0
            fw[iz]=0.0

disg = np.linalg.solve(gk, fw)

for ne in range(0,nele):
    ek,tt,mpf,mps=STIFF(ne,node,x,ae)
    work[0]=disg[3*mpf-3]; work[1]=disg[3*mpf-2]; work[2]=disg[3*mpf-1]
    work[3]=disg[3*mps-3]; work[4]=disg[3*mps-2]; work[5]=disg[3*mps-1]
    fsec[:,ne]=np.dot(ek,np.dot(tt,work))


fout=open(fnameW,'w')
# print out of input data
print('{0:>5s} {1:>5s} {2:>5s} {3:>5s} {4:>5s}'.format('npoin','nele','nsec','npfix','nlod'),file=fout)
print('{0:5d} {1:5d} {2:5d} {3:5d} {4:5d}'.format(npoin,nele,nsec,npfix,nlod),file=fout)
print('{0:>5s} {1:>15s} {2:>15s} {3:>15s}'.format('sec','A','I','E'),file=fout)
for i in range(0,nsec):
    print('{0:5d} {1:15.7e} {2:15.7e} {3:15.7e}'.format(i+1,ae[0,i],ae[1,i],ae[2,i]),file=fout)
print('{0:>5s} {1:>15s} {2:>15s} {3:>15s} {4:>15s} {5:>15s} {6:>5s} {7:>5s} {8:>5s}'
.format('node','x','y','fx','fy','fr','kox','koy','kor'),file=fout)
for i in range(0,npoin):
    lp=i+1
    print('{0:5d} {1:15.7e} {2:15.7e} {3:15.7e} {4:15.7e} {5:15.7e} {6:5d} {7:5d} {8:5d}'
    .format(lp,x[0,i],x[1,i],fp[3*lp-3],fp[3*lp-2],fp[3*lp-1],mpfix[0,i],mpfix[1,i],mpfix[2,i]),file=fout)
print('{0:>5s} {1:>5s} {2:>5s} {3:>5s}'.format('elem','i','j','sec'),file=fout)
for ne in range(0,nele):
    print('{0:5d} {1:5d} {2:5d} {3:5d}'.format(ne+1,node[0,ne],node[1,ne],node[2,ne]),file=fout)

# displacement
print('{0:>5s} {1:>15s} {2:>15s} {3:>15s}'.format('node','dis-x','dis-y','dis-r'),file=fout)
for i in range(0,npoin):
    lp=i+1
    print('{0:5d} {1:15.7e} {2:15.7e} {3:15.7e}'.format(lp,disg[3*lp-3],disg[3*lp-2],disg[3*lp-1]),file=fout)
# section force
print('{0:>5s} {1:>15s} {2:>15s} {3:>15s} {4:>15s} {5:>15s} {6:>15s}'
.format('elem','N_i','S_i','M_i','N_j','S_j','M_j'),file=fout)
for ne in range(0,nele):
    print('{0:5d} {1:15.7e} {2:15.7e} {3:15.7e} {4:15.7e} {5:15.7e} {6:15.7e}'
    .format(ne+1,fsec[0,ne],fsec[1,ne],fsec[2,ne],fsec[3,ne],fsec[4,ne],fsec[5,ne]),file=fout)
fout.close()
```

以　上