《定性结构力学》课件

《定性结构力学》结构力学是一门应用力学学科,它研究载荷作用下结构体系的静态和动态行为。定性分析着眼于理解结构内力、变形等力学响应的定性特征,为后续的定量计算打下坚实基础。课程目标理解结构力学的基本概念掌握结构系统中力、变形和应力的基本原理及其相互关系。学会力学分析方法掌握各种基本受力状态下结构件的力学分析方法。具备应用能力能够运用所学知识分析和设计简单的工程结构。课程大纲结构体系与力学模型深入探究结构的组成及其承载力学特性,建立符合实际的理论模型。基本受力状态分析全面学习直杆的弯曲、压缩、拉伸和扭转等基本受力状态的力学行为。复杂应力状态解析研究结构件在实际工作中的组合应力状态,掌握相关力学分析方法。结构力学案例分析通过简单及复杂结构的实例分析,深化对结构力学理论的理解和应用。结构体系与力学模型力学模型的概念力学模型是对复杂的工程结构体系进行简化和抽象的数学表述,可以更好地理解和分析结构的力学特性。结构体系的分类工程结构体系可以根据受力状态、受力方式、材料属性等特点分为不同的类型,如刚架结构、索杆结构、薄壳结构等。结构力学分析流程从确定结构体系、建立力学模型,到计算内力、应变应力,最终得到结构的变形和应力状态,是结构力学分析的基本步骤。内力与平衡方程1内力的概念内力是结构体系内部各部分相互作用而产生的力。它们反映了结构体系内部元素的受力状态。2平衡方程平衡方程描述了结构体系在外力作用下内部各部分受力的平衡关系。它们确保了结构的稳定性和安全性。3应用案例通过建立内力与平衡方程模型,我们可以分析各种复杂结构体系的受力状态和变形情况。这是结构力学分析的基础。应变与应力1应变定义应变是物体在外力作用下发生的形状或尺寸改变,可以用应变张量来定量表示.2应力概念应力是物体内部由外力引起的内力,可分为正应力和切应力两种基本形式.3应力-应变关系材料的力学性质决定了它的应力-应变关系,常用的是胡克定律.4主应力与主应变在空间力学分析中,存在主应力和主应变的概念,对结构分析很重要.几种基本受力状态拉伸材料受到沿轴向拉力的作用时会发生拉伸变形。拉伸会导致材料横向收缩,纵向延长。针对不同材料,存在不同的拉伸应力-应变关系曲线。压缩材料受到沿轴向压力的作用时会发生压缩变形。压缩会导致材料横向膨胀,纵向缩短。不同材料的压缩应力-应变关系曲线各不相同。剪切当材料受到平行于截面的力作用时,会产生剪切应力和剪切应变。剪切变形使材料发生相互错位和滑动的变形。弯曲当材料受到垂直于轴线的力作用时,会发生弯曲变形。弯曲会在材料内部产生拉应力和压应力。直杆受弯1弯矩直杆受弯时产生内部弯矩,导致应力和变形。2应力分布截面上沿一侧产生拉应力,另一侧产生压应力。3挠度曲线直杆受弯会产生一个连续的挠度曲线。当直杆受到外加弯矩作用时,会产生内部弯矩,从而导致截面上产生拉应力和压应力的不均匀分布。这种应力分布会引发结构的变形,构成一个弯曲的挠度曲线。理解直杆受弯的力学机理是进一步探讨结构体系受荷载作用下变形和破坏的基础。直杆受压1荷载分析确定杆件所受压力大小及作用点2截面确定根据强度和刚度要求选择截面尺寸3稳定性分析评估杆件在压力作用下的稳定性直杆受压分析的关键在于准确确定荷载大小和作用点,选择合适的截面尺寸,并对杆件的稳定性进行详细评估。正确掌握这三个步骤对于设计安全可靠的压缩构件至关重要。直杆受拉拉应力分析通过计算杆件受到的拉应力大小,确定杆件是否能够承受作用于其上的拉力。应变检查评估杆件在拉力作用下的伸长量,确保不会超出许可的变形范围。截面验算检查杆件截面积是否足够承受拉力,确保安全使用。扭转1扭矩的定义扭矩是作用在物体上的一种旋转力矩,会产生物体绕其某一轴线的旋转。2扭转分析通过计算扭矩和扭角之间的关系,可以分析物体在扭转作用下的变形情况。3扭转破坏过大的扭矩会导致材料的剪切破坏,因此在设计中需要对扭转应力进行控制。组合应力状态轴向力与弯矩当结构件同时承受轴向压缩力和弯矩时,会产生组合应力状态。这种情况下,需要考虑轴向压应力和弯曲应力的共同作用。剪力与扭矩当结构件受到剪力和扭矩作用时,也会产生组合应力。这种情况下需要解决剪应力和扭应力的耦合影响。三维应力状态在复杂的载荷作用下,结构件可能会产生三维应力状态,需要考虑各个方向上应力的综合影响。故障分析组合应力状态通常是导致结构件产生损坏的主要原因之一,需要重点关注和研究。定变形力学变形原理结构在荷载作用下会发生形变。定变形力学研究如何根据材料特性和载荷条件预测结构的变形情况。应变分析通过应变测量和分析,可以得出结构变形的实际情况,为进一步的强度和稳定性评估提供依据。挠度计算利用梁理论、杆理论等方法可以计算出结构在特定载荷下的挠度,为设计提供重要参考。力学分析步骤1确定结构体系识别结构的类型和承载方式2建立力学模型简化结构并确定合理的受力假设3求解内力与应力运用力学方程计算结构内部的响应4评估结构行为分析结构的安全性、稳定性和变形特性力学分析是一个循序渐进的过程,需要经过确定结构体系、建立力学模型、求解内力与应力、评估结构行为等关键步骤。这样可以全面了解结构的力学响应,为设计和优化提供依据。荷载传递机制荷载传递路径结构受到的外部荷载会通过结构内部的力学传递路径传递至基础和支座。了解这些荷载传递机制对于结构设计至关重要。内力与外力的平衡结构内部受到的各种内力必须与作用在结构上的外力保持平衡,才能确保结构的稳定。力的传递和平衡是结构力学分析的基础。荷载传递机制分析深入了解各种荷载作用下的力的传递路径和分布情况,有助于进行合理的结构设计和分析。支座与约束条件支座类型包括简支、固定、铰接等,决定结构的受力状态和受力分布。约束条件包括位移约束、转角约束,合理选择约束能确保结构的稳定性。受力状态不同的支座和约束条件会导致不同的内力分布和变形状态。挠度与变形分析1变形计算利用力学方程精确计算结构件的变形情况2挠度分析确定结构在荷载作用下的整体变形趋势3应力分析根据变形计算得到结构内部的应力状态结构挠度与变形分析是结构力学的核心任务之一。通过精细的计算和建模，能够全面了解结构在不同荷载作用下的整体变形情况以及局部应力状态，为结构设计提供关键的参考依据。稳定性分析1分析结构受力状态检查结构在受荷载作用下的平衡状态是否稳定,分析结构在极限状态下的承载能力。2评估结构的临界载荷计算结构在不同载荷条件下的临界压缩应力或临界弯矩,以判断结构的稳定性极限。3探讨几何参数的影响研究结构尺寸、构件截面等几何参数对稳定性的影响,优化设计以提高稳定性。4制定安全性措施根据分析结果采取加劲、约束等措施,确保结构在使用过程中的稳定可靠。动力学分析振动分析确定结构系统的自然频率和模态特性,预测在动力荷载作用下的动态响应。地震分析分析结构在地震动作用下的响应,评估结构的抗震性能和安全性。动力作用分析研究结构在风荷载、机械振动等动态荷载作用下的力学行为。结构体系分类结构体系分类结构体系可根据材料、结构形式、承载机理等不同标准进行分类,如钢结构、混凝土结构、木结构、索结构等。每种结构体系都有其独特的力学性能和应用领域。常见结构形式常见的结构形式包括桁架、框架、壳、膜、索等,不同形式具有各自的力学特性和适用范围,要根据工程需求进行合理选择。结构部件分类结构体系由柱、梁、板、墙等基本构件组成,每种部件承担不同的力学作用,需要进行针对性的力学分析。简单结构分析力学模型简化针对简单结构,可以通过忽略某些细节来简化力学模型,获得更容易分析的系统。载荷简化将实际复杂的载荷条件简化为标准载荷状态,如集中力、均布载荷等。力与变形关系确定利用基本力学公式,如张应力、剪应力等,建立简单结构的力与变形关系。应力与变形分析根据简化后的模型,计算结构内部的应力分布和整体变形状态。复杂结构分析系统建模将复杂结构分解为简单部件并建立相应的力学模型,以便于理解整体行为。参数确定准确确定结构材料性能参数、几何尺寸、荷载条件等,为准确分析奠定基础。计算分析采用有限元等先进分析方法,对复杂结构进行应力、变形、稳定性等方面的深入分析。优化设计根据分析结果对结构进行优化设计,满足使用要求并提高整体性能。结构件设计1性能指标确定明确结构件的预期承载能力、刚度、稳定性等关键性能指标。2荷载分析准确评估结构件在使用过程中可能遭受的各种静荷载和动荷载。3应力分析采用恰当的力学分析方法，计算结构件内部的应力分布。4优化设计在满足性能和安全性要求的前提下，优化结构件的尺寸、形状和材料。材料选择性能要求根据结构受力特点和环境条件,选择具有适当强度、刚度、耐腐蚀等性能的材料。经济因素考虑材料成本、加工费用和使用寿命,选择性价比较高的材料。工艺制造选择与生产工艺匹配的材料,提高制造效率和产品质量。环境影响选择环保、可回收的材料,减少对环境的不利影响。制造工艺材料成型利用注塑、挤压或锻造等工艺成型,根据材料特性和结构要求选择合适的加工方法。机加工通过车削、铣削、钻孔等切削加工,精确加工出所需的几何形状和尺寸。装配焊接利用焊接、铆接等工艺将不同部件组装成整体结构,确保结构强度和稳定性。表面处理采用抛光、阳极氧化等方法改善表面特性,提高抗腐蚀性和美观性。检测与监测结构件检测定期检查关键结构件的完整性和性能,以及时发现问题并采取修缮措施。结构健康监测利用先进传感技术实时监测结构关键部位的应力、变形等指标,预防潜在安全隐患。测试与试验通过实验室测试和模拟试验,对材料和结构性能进行全面验证和评估。安全可靠性结构安全确保结构能够承受预期的荷载和环境条件,使其不会发生不可接受的失效或破坏。可靠性设计通过合理的设计方法和可靠性分析,提高结构在其使用寿命内的可靠性。安全检测定期检查结构的使用状态,及时发现并修复隐患,保证结构长期安全可靠。事故分析对结构事故进行深入分析,总结教训,为未来提供改进依据。知识点总结结构力学基础掌握结构体系、内力平衡、应变应力等基本力学概念和理论。基本受力状态熟悉直杆的弯曲、压缩、拉伸、扭转等常见受力状态及其分析方法。复合受力分析理解组合应力状态下的应力分析和等效应力计算。应变能与变形掌握变形计算、