《結(jié)構(gòu)力學(xué)期末復(fù)習(xí)》課件

《結(jié)構(gòu)力學(xué)期末復(fù)習(xí)》本PPT課件旨在幫助學(xué)生系統(tǒng)復(fù)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程內(nèi)容，涵蓋重要知識(shí)點(diǎn)和解題技巧，為期末考試做好充分準(zhǔn)備。導(dǎo)言結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程、機(jī)械工程等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。它研究結(jié)構(gòu)在荷載作用下的受力情況和變形規(guī)律。結(jié)構(gòu)力學(xué)是連接理論與實(shí)踐的橋梁，應(yīng)用廣泛。它為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和建造提供理論依據(jù)。本課程學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本概念和基本理論深入理解結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本概念和基本理論，為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。培養(yǎng)分析和解決結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的能力掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的分析方法和解決思路，能夠獨(dú)立完成結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的分析和計(jì)算。熟練運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)軟件掌握常用的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析軟件，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立和分析。將結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，解決實(shí)際問題，提高工程實(shí)踐能力。課程知識(shí)概要力學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)原理，力學(xué)定律，力學(xué)模型，靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本概念和公式。結(jié)構(gòu)力學(xué)靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)的分析方法，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移和穩(wěn)定性分析，結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法。材料力學(xué)材料的力學(xué)性能，應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度理論，材料的失效模式和分析方法。一維力系的分類力系類型力的作用點(diǎn)、作用方向以及力的大小。力的合成與分解將多個(gè)力合成為一個(gè)合力，或者將一個(gè)合力分解為多個(gè)分力。力的平衡條件當(dāng)作用于物體上的所有力的合力為零時(shí)，物體處于平衡狀態(tài)。力偶一對(duì)大小相等、方向相反、作用線平行且不相交的力。一維力系的基本模型和基本公式1集中力力作用在一點(diǎn)，例如懸掛物體的重力。2分布力力作用在一定長度上，例如均勻分布的壓力。3力矩力對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。4平衡條件合力為零，合力矩為零。平面骨架結(jié)構(gòu)的受力分析建立力學(xué)模型將實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象為理想模型，例如桿件、節(jié)點(diǎn)等。忽略實(shí)際結(jié)構(gòu)中的一些細(xì)微因素，如材料的非線性、節(jié)點(diǎn)的剛性等。確定約束條件根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際支撐情況，確定結(jié)構(gòu)的約束條件，例如固定約束、鉸接約束、滑動(dòng)約束等。繪制受力圖將作用于結(jié)構(gòu)的外部載荷，以及約束的反作用力，清晰地畫在結(jié)構(gòu)的簡化模型上，標(biāo)明力的方向和大小。進(jìn)行平衡分析根據(jù)力的平衡原理，建立平衡方程，求解結(jié)構(gòu)中各個(gè)桿件的內(nèi)力，包括軸力、剪力、彎矩等。平面骨架結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算1位移法求解節(jié)點(diǎn)位移2力法求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力3剛度法矩陣方法平面骨架結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算主要涉及位移法、力法和剛度法三種方法。位移法通過求解節(jié)點(diǎn)位移來確定結(jié)構(gòu)的變形。力法通過求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力來確定結(jié)構(gòu)的變形。剛度法是矩陣方法，可以用于求解結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。平面骨架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算1截面內(nèi)力平面骨架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是指作用在結(jié)構(gòu)截面上的力，包括軸力、剪力和彎矩。2內(nèi)力計(jì)算方法常用的內(nèi)力計(jì)算方法包括截面法、節(jié)點(diǎn)法和能量法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況選擇合適的計(jì)算方法。3影響因素內(nèi)力的大小和分布受結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、荷載類型和大小的影響。平面骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1荷載分析確定結(jié)構(gòu)所受的外部荷載類型和大小2材料選擇根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求和環(huán)境條件選擇合適的材料3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)荷載分析和材料選擇結(jié)果設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和連接方式4強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)的安全性5施工圖繪制根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果繪制施工圖，為施工提供詳細(xì)的技術(shù)指導(dǎo)平面骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要包括荷載分析、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度驗(yàn)算和施工圖繪制五個(gè)步驟靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算1基本概念位移是指結(jié)構(gòu)在荷載作用下發(fā)生的形狀改變。2位移計(jì)算方法虛擬功原理、力法、位移法等。3計(jì)算步驟確定結(jié)構(gòu)的支座約束、荷載情況、材料性質(zhì)。4應(yīng)用評(píng)估結(jié)構(gòu)的變形，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性。靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算1基本公式力矩平衡2截面法隔離結(jié)構(gòu)部分3桿件內(nèi)力軸力、剪力、彎矩靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的核心是應(yīng)用力矩平衡原理和截面法，計(jì)算出桿件的內(nèi)力，包括軸力、剪力、彎矩。通過分析各桿件的內(nèi)力分布，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的受力情況，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。超靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算1位移計(jì)算方法超靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算通常采用虛擬功原理，該方法利用虛功與實(shí)功之間的關(guān)系，建立位移與外力之間的關(guān)系。2虛擬功原理虛擬功原理表明，結(jié)構(gòu)在外力作用下所做的功等于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移的積。3計(jì)算步驟首先，引入虛擬力，然后計(jì)算結(jié)構(gòu)的虛擬功，最后將虛擬功與實(shí)際功相等，得到位移的表達(dá)式。超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)體系超靜定結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的約束條件多于剛體平衡方程數(shù)，無法僅通過平衡方程確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。力法力法是一種常用的方法，通過引入多余約束力和相應(yīng)的位移方程，求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。位移法位移法基于位移協(xié)調(diào)方程，通過建立結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和荷載矩陣，求解節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。矩陣方法矩陣方法采用矩陣運(yùn)算來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以有效地處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并適用于計(jì)算機(jī)編程。梁板結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法1簡化模型梁板結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，例如假設(shè)板為薄板，忽略板的厚度，并將梁視為線彈性體。2有限元法有限元法是常用的計(jì)算方法，將梁板結(jié)構(gòu)劃分成若干個(gè)單元，并建立單元的剛度矩陣，通過求解聯(lián)立方程組得到結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。3分析軟件使用專門的軟件，例如ANSYS、SAP2000等，可以方便地進(jìn)行梁板結(jié)構(gòu)的分析和計(jì)算，并得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等結(jié)果。板殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法薄板理論假設(shè)板的厚度遠(yuǎn)小于其平面尺寸，并假設(shè)材料是線彈性的，可使用薄板理論進(jìn)行計(jì)算。薄板理論主要包括平面應(yīng)力狀態(tài)分析、彎曲分析和振動(dòng)分析。有限元法將板殼結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，并使用數(shù)值方法求解每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)位移和內(nèi)力，從而得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布。有限元法是一種常用的數(shù)值方法，可以解決復(fù)雜形狀和邊界條件下的板殼結(jié)構(gòu)問題。數(shù)值模擬軟件目前，有多種專門用于板殼結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值模擬軟件，例如ANSYS、ABAQUS和NASTRAN等。這些軟件可以幫助工程師快速準(zhǔn)確地計(jì)算板殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。力的組成與平衡條件力的合成與分解多個(gè)力作用于物體，可以合成一個(gè)合力，反之，一個(gè)力也可以分解為多個(gè)分力。平衡條件物體處于平衡狀態(tài)，是指物體靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，其合力為零。平衡方程根據(jù)平衡條件，可以列出平衡方程，求解未知力或力矩。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系1應(yīng)力定義為物體內(nèi)部單位面積上所受的力。2應(yīng)變定義為物體由于外力作用而產(chǎn)生的變形程度。3關(guān)系應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，被稱為材料的本構(gòu)關(guān)系。4影響因素材料的本構(gòu)關(guān)系會(huì)受到材料性質(zhì)、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響。材料的受力特性彈性材料在載荷作用下發(fā)生變形，當(dāng)載荷去除后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。塑性材料在載荷作用下發(fā)生變形，當(dāng)載荷去除后不能完全恢復(fù)原狀的性質(zhì)。延展性材料在拉伸載荷作用下能承受較大變形而不發(fā)生斷裂的性質(zhì)。強(qiáng)度材料抵抗破壞的能力，用材料所能承受的最大應(yīng)力表示。截面的內(nèi)力特性彎矩彎矩是力偶對(duì)截面的作用，引起截面發(fā)生彎曲變形。彎矩的大小取決于力偶的大小和作用點(diǎn)到截面中心的距離。剪力剪力是沿截面方向的作用力，引起截面發(fā)生剪切變形。剪力的大小取決于作用力的方向和大小，以及截面的形狀和尺寸。平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析平面應(yīng)力狀態(tài)是指物體內(nèi)部一點(diǎn)處的應(yīng)力只存在于一個(gè)平面內(nèi)，并且與該平面垂直的方向上應(yīng)力為零。平面應(yīng)力狀態(tài)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中常見的應(yīng)力狀態(tài)，例如薄板、薄殼等結(jié)構(gòu)。1應(yīng)力張量描述應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)學(xué)工具2應(yīng)力圓圖形化表示應(yīng)力狀態(tài)3應(yīng)力主方向最大和最小應(yīng)力方向4應(yīng)力集中幾何形狀改變導(dǎo)致的應(yīng)力變化了解平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析方法，可以幫助我們更好地理解結(jié)構(gòu)的受力情況，進(jìn)而進(jìn)行更精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估。平面應(yīng)變狀態(tài)下的應(yīng)力分析1定義平面應(yīng)變狀態(tài)指的是物體中只有兩個(gè)方向存在應(yīng)變2假設(shè)假設(shè)物體在第三個(gè)方向上的應(yīng)變?yōu)榱?分析方法利用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和平衡方程4應(yīng)用場景用于薄板、薄殼等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析平面應(yīng)變狀態(tài)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中重要的概念它可以幫助我們更好地理解和分析薄板、薄殼等結(jié)構(gòu)的受力情況從而進(jìn)行更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析定義軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)是指在物體中，應(yīng)力分布關(guān)于一個(gè)軸線對(duì)稱。例如，圓柱體受軸向拉伸或壓縮時(shí)，應(yīng)力分布關(guān)于軸線對(duì)稱。應(yīng)力分量軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力分量只有徑向應(yīng)力（σr）和軸向應(yīng)力（σz）。切向應(yīng)力（τrz）為零。分析方法軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析可以使用極坐標(biāo)系進(jìn)行，并利用平衡方程和相容方程求解應(yīng)力分量。應(yīng)用軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)的分析應(yīng)用廣泛，例如壓力容器、管道、軸類零件等的設(shè)計(jì)與計(jì)算。三維應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析1應(yīng)力張量描述三維空間內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)2應(yīng)力分量每個(gè)應(yīng)力張量包含六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量3應(yīng)力分析應(yīng)用平衡方程和材料本構(gòu)關(guān)系三維應(yīng)力狀態(tài)是指物體內(nèi)任意一點(diǎn)都存在著三個(gè)方向上的應(yīng)力。此類問題通常更加復(fù)雜，需要使用應(yīng)力張量來描述。應(yīng)力張量是一個(gè)包含六個(gè)獨(dú)立分量的矩陣，每個(gè)分量分別代表三個(gè)方向上的正應(yīng)力和三個(gè)方向上的剪應(yīng)力。材料的殘余應(yīng)力分析金屬材料的殘余應(yīng)力金屬材料在制造過程中，由于熱處理、機(jī)械加工、焊接等工藝會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)材料的性能和結(jié)構(gòu)的可靠性影響重大。結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性降低，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的斷裂和失效。殘余應(yīng)力分析方法X射線衍射法聲發(fā)射法電測法疲勞破壞與斷裂分析循環(huán)載荷疲勞破壞是結(jié)構(gòu)在反復(fù)交變的載荷作用下產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象。材料在交變載荷作用下會(huì)發(fā)生累積損傷，最終導(dǎo)致失效。疲勞破壞通常發(fā)生在應(yīng)力集中部位，如孔洞、缺口等。應(yīng)力幅值疲勞破壞的發(fā)生與應(yīng)力幅值密切相關(guān)，應(yīng)力幅值越高，疲勞壽命越短。材料的疲勞強(qiáng)度是指材料在一定應(yīng)力幅值下所能承受的循環(huán)次數(shù)。斷裂韌性斷裂韌性是指材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，斷裂韌性越高，材料越不容易斷裂。斷裂韌性測試可以用于評(píng)估材料的抗裂紋擴(kuò)展能力。疲勞壽命疲勞壽命是指材料在一定應(yīng)力幅值下所能承受的循環(huán)次數(shù)，疲勞壽命預(yù)測是疲勞設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。疲勞壽命預(yù)測模型可以用于估計(jì)材料的疲勞壽命。應(yīng)力集中現(xiàn)象與分析1應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)中存在幾何突變，如孔洞、缺口等，會(huì)使應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部應(yīng)力顯著增大。2影響因素應(yīng)力集中的程度受結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、載荷類型和材料性質(zhì)的影響。3分析方法常用的分析方法包括理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試，可以幫助工程師預(yù)測應(yīng)力集中現(xiàn)象。4危害應(yīng)力集中會(huì)加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和脆性斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低和失效風(fēng)險(xiǎn)增加。結(jié)構(gòu)安全性與可靠性分析安全裕度安全裕度是指設(shè)計(jì)強(qiáng)度與實(shí)際荷載之間的差距。它體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抵抗意外荷載或設(shè)計(jì)誤差的能力。安全裕度應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、材料特性、使用環(huán)境和風(fēng)險(xiǎn)水平等因素進(jìn)行確定?？煽慷确治隹煽慷确治鍪且环N概率方法，用于評(píng)估結(jié)構(gòu)在特定時(shí)間內(nèi)滿足性能要求的可能性?？煽慷确治隹紤]了荷載、材料強(qiáng)度、幾何尺寸、施工質(zhì)量和環(huán)境條件等不確定因素。本課程主要考點(diǎn)回顧力系力系的分類、力的平衡、力系的簡化平面骨架結(jié)構(gòu)受力分析、內(nèi)力計(jì)算、變形計(jì)算、設(shè)計(jì)方法