哈尔滨工业大学 定性结构力学的内(57页).ppt

定性结构力学的内容体系及其在工程中的应用 在教育部力学专业力学基础课程专业指导委员会年会上，与会专家提出了“定性(概念)结构力学”，他们认为“结构力学”可以分为3个层次： 结构力学教程 计算结构力学 定性结构力学 结构力学的任务是： 研究工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律； 分析不同形式和不同材料的工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式； 确定工程结构承受和传递外力的能力； 研究和发展新型工程结构。 观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎和叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且和它们的造型有密切的关，很多工程结构就是受到天然结构的启发而创制出来的。 结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、重量轻．减轻重量对某些工程尤为重要，如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。因此结构力学是个非常实用的课程,能在各个领域的工程中应用到。 “定性结构力学”以训练和培养我们定性分析、估算判断的能力为目标，使我们在学习了经典结构力学的内容和其他相关课程的基础上，能够进一步理解、掌握和运用结构力学中的核心概念和基本方法，在工程和科学实践中的概念设计、估算判断、计算模型建立、计算模型简化、计算结果分析等重要课题中能够自觉主动并机动灵活地进行定性分析。 结构力学的本质是加约束和去约束，而平衡则要贯穿到整个过程，无论什么时候都应该保持平衡。 解题方法虽然有很多种，但都是在加约束和去约束，且方法经常具有对偶性。 结构力学如果学通了，其实是比较简单的，各个章节是贯通的，一些章节的东西到了另一些章节中摇身一变就成为了新的知识，而他们的本质相同的。 解题的过程十分的清楚和有条理。 在这样的认识基础上，摸出万变不离其宗的本质，就是定性分析的精要。 结构力学主要讲： 平衡、约束、变形、刚度、 对称、对偶、量级、等效， 前四点在力学范围内都可大而化之，而后四点在整个自然科学范围内都可以找到普遍适用的地方。 对称用于巧妙地简化计算模型和减小计算量.对称是定性分析中一个重要的概念和手段，深入挖掘对称，设法灵巧地利用对称，可以理清思路，简化计算； 对偶（如平衡与协调，静定性与几何构造，力法与位移法，平衡矩阵与几何约束矩阵，应变能与应变余能等）使我们的知识体系更完善，能站在一个较高的高度上看问题，同时对照地用多种方法思考并寻求最优思路解决问题； 等效思想（如替代杆法，位移与子位移，等效结点荷载等）不仅用于力学，在整个自然科学范围内甚至整个人类文明发展的背景中，都能找出它的痕迹； 量级决定了整个自然科学体系的存在，可以说，没有量级就没有计算，当然也不存在微积分思想和数值计算方法，而许多的数学模型将由于无法略去小量使计算量呈几何魔方式上升，同时必将有更多的实际问题将由于影响因素太多且不能忽略次要因素而变为不可解。 1 内容体系 1．1 基本概念 结构概念是人们对建筑结构的一般规律和最本质特征的认识，正确的结构概念使人们能深刻理解结构的受力特性，从而使设计更加完善。下面谈谈几个重要的基本概念 1.1.1 基本受力状态 构件的基本受力状态可以分为拉、压、弯、剪、扭5种，一般构件的受力状态都可分解为这几种基本受力状态，因此加深对这5种基本受力状态的理解和体会是非常重要的。 轴心受拉是最简单的受力状态，不论构件截面形状如何，只要外力通过截面中心，截面上各点受力均匀，构件上任一点的材料强度都可以被充分利用，因此轴心受拉是最合理的受力状态。 目前悬索、悬挂结构得到广泛应用，就是采用了轴心受拉的合理受力状态。 轴心受压与轴心受拉相比截面应力状态相同，只是拉压方向相反，截面上应力分布均匀，对于适合受压的材料也有很好的受力状态，例如石拱桥就充分利用了石材抗压的特点，结构经济合理。 但受压构件较细长时会有稳定问题，偶然的附加偏心力会降低构件的承载能力，甚至引起失稳。 弯和剪往往同时发生，截面上弯曲正应力在中性轴附近很小，离中性轴最远处最大；截面上剪应力刚好相反，在中性轴处剪应力最大，离中性轴最远处剪应力为零，因此弯和剪对材料的利用不充分，但这种受力状态在工程中不可避免，所以选用合理的截面形式就显得很重要。对于较大跨度的梁，可以改用杆件处于拉、压状态的桁架，从而使材料得以充分利用。 构件受扭时截面上的剪应力在边缘处最大，在中间处最小，同时扭转变形在边缘处很大，因此扭转是最不利的受力状态，除了选用合理的截面形式外，更应注意结构的合理布置，尽量减小构件的扭距，同时对扭转变形较大的部位进行局部加强，提高抗扭能力。 1.1