結構力學

結構力學

結構力學(Structural Mechanics)是固體力學的一個分支,它主要研究工程結構受力和傳力的規律,以及如何進行結構最佳化的學科。結構力學研究的內容包括結構的組成規則,結構在各種效應(外力,溫度效應,施工誤差及支座變形等)作用下的回響,包括內力(軸力,剪力,彎矩,扭矩)的計算,位移(線位移,角位移)計算,以及結構在動力荷載作用下的動力回響(自振周期,振型)的計算等。結構力學通常有三種分析的方法:能量法,力法,位移法,由位移法衍生出的矩陣位移法後來發展出有限元法,成為利用計算機進行結構計算的理論基礎。

基本信息

結構力學相關書籍
與結構力學有關的學科主要有理論力學材料力學彈性力學塑性力學工程結構等,廣義的結構力學包括材料力學、桿繫結構力學、套用彈性力學及塑性力學,但一般常把結構力學專指為桿繫結構力學,而其他的結構形式,如、殼等,習慣上屬於彈性力學的研究對象。

發展簡史

結構力學古代建築的輝煌成就
人類在遠古時代就開始製造各種器物,如弓箭、房屋、舟楫以及樂器等,這些都是簡單的結構。隨著社會的進步,人們對於結構設計的規律以及結構的強度和剛度逐漸有了認識,並且積累了經驗,這表古代建築的輝煌成就中,如埃及的金字塔,中國的萬里長城、趙州安濟橋、北京故宮等等。儘管在這些結構中隱含有力學的知識,但並沒有形成一門學科。

到19世紀初,由於工業的發展,人們開始設計各種大規模的工程結構,對於這些結構的設計,要作較精確的分析和計算。因此,工程結構的分析理論和分析方法開始獨立出來,到19世紀中葉,結構力學開始成為一門獨立的學科。

19世紀30年代後,由於大量修建鐵路,相繼出現連續梁和各種桁架等結構形式,促進了連續梁和桁架的計算理論的發展。美國的S.惠普爾在1847年首先提出了桁架的計算理論,19世紀中出現了許多結構力學的計算理論和方法。法國的納維於1826年提出了求解靜不定結構問題的一般方法。這些理論形成了結構力學的初步基礎。從19世紀30年代起,由於要在橋樑上通過火車,不僅需要考慮橋樑承受靜載荷的問題,還必須考慮承受動載荷的問題,又由於橋樑跨度的增長,出現了金屬桁架結構。

從1847年開始的數十年間,學者們套用圖解法、解析法等來研究靜定桁架結構的受力分析,這奠定了桁架理論的基礎。1864年,英國的麥克斯韋創立單位載荷法和位移互等定理,並用單位載荷法求出桁架的位移,由此學者們終於得到了解靜不定問題的方法。基本理論建立後,在解決原有結構問題的同時,還不斷發展新型結構及其相應的理論。19世紀末到20世紀初,學者們對船舶結構進行了大量的力學研究,並研究了可動載荷下的粱的動力學理論以及自由振動和受迫振動方面的問題。

19世紀後半期,鋼結構已被廣泛套用,結構計算成了結構設計的必要步驟,計算理論也取得了很大進展。1864年J.C.麥克斯韋提出了超靜定結構的力法方程(見力法)。1879年A.卡斯蒂利亞諾在他的著作中論述了利用變形勢能求結構位移和計算超靜定結構的理論。1874~1885年間,O·莫爾發展了利用虛位移原理求位移的一般理論,至此分析結構位移及超靜定結構的一般理論日臻完善。

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20世紀初,航空工程的發展促進了對薄壁結構和加勁板殼的應力和變形分析,以及對穩定性問題的研究。同時橋樑和建築開始大量使用鋼筋混凝土材料,這就要求科學家們對鋼架結構進行系統的研究,在1914年德國的本迪克森創立了轉角位移法,用以解決剛架和連續粱等問題。鋼筋混凝土結構逐漸被用於工程結構,並出現了剛架結構。於是以位移為基本未知數的計算剛架的方法逐漸發展。A.本迪克森在1914年最先提出了轉角位移法。1932年H.克羅斯首創力矩分配法。30~50年代期間,各國學者發展了各種形式的漸近法,其中中國學者蔡方蔭在變截面剛構分析方面也作出了貢獻。 後來,在20~30年代,對複雜的靜不定桿繫結構提出了一些簡易計算方法,使一般的設計人員都可以掌握和使用了。

到了20世紀20年代,人們又提出了蜂窩夾層結構的構想。根據結構的“極限狀態”這一概念,學者們得出了彈性地基上粱、板及剛架的設計計算新理論。對承受各種動載荷(特別是地震作用)的結構的力學問題,也在實驗和理論方面做了許多研究工作。隨著結構力學的發展,疲勞問題、斷裂問題和複合材料結構問題先後進入結構力學的研究領域。20世紀50年代出現了電子計算機後,結構力學的發展開始進入嶄新的階段。結構分析的矩陣法等數值方法因此獲得了迅速的發展,並編制了各種結構分析程式。隨後,在非線性分析、非彈性分析、結構抗震分析、結構抗環境作用分析等方面都取得了進展。更由於實驗技術的進步,結構模型試驗分析方法也取得了進展。 20世紀中葉,電子計算機和有限元法的問世使得大型結構的複雜計算成為可能,從而將結構力學的研究和套用水平提到了一個新的高度。

研究內容

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結構力學是固體力學的一個分支,它主要研究工程結構受力和傳力的規律,以及如何進行結構最佳化的學科。所謂工程結構是指能夠承受和傳遞外載荷的系統,包括桿、板、殼以及它們的組合體,如飛機機身和機翼、橋樑、屋架和承力牆等。 就基本原理和方法而言,結構力學是與理論力學、材料力學同時發展起來的。所以結構力學在發展的初期是與理論力學和材料力學融合在一起的。結構力學的任務是:研究在工程結構在外載荷作用下的應力、應變和位移等的規律;分析不同形式和不同材料的工程結構,為工程設計提供分析方法和計算公式;確定工程結構承受和傳遞外力的能力;研究和發展新型工程結構。

觀察自然界中的天然結構,如植物的根、莖和葉,動物的骨骼,蛋類的外殼,可以發現它們的強度和剛度不僅與材料有關,而且和它們的造型有密切的關,很多工程結構就是受到天然結構的啟發而創製出來的。結構設計不僅要考慮結構的強度和剛度,還要做到用料省、重量輕.減輕重量對某些工程尤為重要,如減輕飛機的重量就可以使飛機航程遠、上升快、速度大、能耗低。

同樣材料力學彈性力學塑性力學等也研究桿件,但主要以各部分的應力為對象。由於計算技術的進步,處理問題的方法更加通用,現代結構力學研究的對象應該包括桿系、板、殼和連續體。過去,結構力學的任務偏重於結構分析,應以結構最佳化設計為主,研究如何選擇合理的截面,以達到結構的重量輕、造價低的目的。

計算簡圖

在結構分析中,通常用簡化的圖形代替實際結構,稱為計算簡圖。結構可按計算簡圖的幾何特性及受力特性分成平面結構和空間結構,它們又可分為梁結構、桁架結構、拱結構(見)、剛架結構等,以及上述各種結構相互組合而成的組合體系。

分析方法

結構力學剛架結構

主要有圖解法、解析法及能量法等。

①圖解法通過圖形表示作為矢量的力,並基於矢量的圖解原理求解靜定結構的反力和內力。

②解析法可分為力法位移法和混合法。力法基於靜力平衡方程解靜定結構,並在補充變形協調方程後解超靜定結構。位移法以位移為基本未知數,基於轉角位移法及靜力平衡方程求解,然後再由位移求反力和內力。混合法是同時套用力法和位移法兩種概念求解的方法。

③能量法基於虛功原理、能量守恆定律、最小功原理等求解各種複雜問題(見能量原理)。此外,還套用各種數值分析方法(見有限元法)。

相關學科

靜力學、動力學、流體力學、分析力學、運動學固體力學、材料力學、複合材料力學、流變學、彈性力學、塑性力學、爆炸力學、磁流體力學、空氣動力學理性力學、物理力學、天體力學、生物力學、計算力學、物理學、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學。

學科體系

一般對結構力學可根據其研究性質和對象的不同分為結構靜力學、結構動力學、結構穩定理論、結構斷裂、疲勞理論和桿繫結構理論、薄壁結構理論和整體結構理論等。

結構靜力學

結構靜力學是結構力學中首先發展起來的分支,它主要研究工程結構在靜載荷作用下的彈塑性變形和應力狀態,以及結構最佳化問題。靜載荷是指不隨時間變化的外載入荷,變化較慢的載荷,也可近似地看作靜載荷。結構靜力學是結構力學其他分支學科的基礎。

結構動力學

結構動力學是研究工程結構在動載荷作用下的回響和性能的分支學科。動載荷是指隨時間而改變的載荷。在動載荷作用下,結構內部的應力、應變及位移也必然是時間的函式。由於涉及時間因素,結構動力學的研究內容一般比結構靜力學複雜的多。

結構穩定理論

結構穩定理論是研究工程結構穩定性的分支。現代工程中大量使用細長型和薄型結構,如細桿、薄板和薄殼。它們受壓時,會在內部應力小於屈服極限的情況下發生失穩(皺損或曲屈),即結構產生過大的變形,從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會影響結構設計的其他要求,例如影響飛行器的空氣動力學性能。結構穩定理論中最重要的內容是確定結構的失穩臨界載荷。

結構斷裂和疲勞理論

結構斷裂和疲勞理論是研究因工程結構內部不可避免地存在裂紋,裂紋會在外載荷作用下擴展而引起斷裂破壞,也會在幅值較小的交變載荷作用下擴展而引起疲勞破壞的學科。我們對斷裂和疲勞的研究歷史還不長,還不完善,但斷裂和疲勞理論發展很快。
在結構力學對於各種工程結構的理論和實驗研究中,針對研究對象還形成了一些研究領域,這方面主要有桿繫結構理論、薄壁結構理論和整體結構理論三大類。整體結構是用整體原材料,經機械銑切或經化學腐蝕加工而成的結構,它對某些邊界條件問題特別適用,常用作變厚度結構。隨著科學技術的不斷進展,又湧現出許多新型結構,比如20世紀中期出現的夾層結構和複合材料結構

研究方法

結構力學的研究方法主要有工程結構的使用分析、實驗研究、理論分析和計算三種。在結構設計和研究中,這三方面往往是交替進行並且是相輔相成的進行的。
使用分析就是在結構的使用過程中,對結構中出現的情況進行分析比較和總結,這是易行而又可靠的一種研究手段。使用分析對結構的評價和改進起著重要作用。新設計的結構也需要通過使用來檢驗性能。
實驗研究能為鑑定結構提供重要依據,這也是檢驗和發展結構力學理論和計算方法的主要手段。實驗研究分為三類:模型實驗、真實結構部件實驗、真實結構實驗。例如,飛機地面破壞實驗、飛行實驗和汽車的碰撞實驗等。
結構的力學實驗通常要耗費較多的人力、物力和財力,因此只能有限度地進行,特別是在結構設計的初期階段,一般多依靠對結構部件進行理論分析和計算。
在固體力學領域中,材料力學為結構力學的發展提供了必要的基本知識,彈性力學和塑性力學又是結構力學的理論基礎,另外結構力學還與其它物理學科結合形成許多邊緣學科,比如流體彈性力學等。
結構力學是一門古老的學科,又是一門迅速發展的學科。新型工程材料和新型工程結構的大量出現,向結構力學提供了新的研究內容並提出新的要求。計算機的發展,為結構力學提供了有力的計算工具。另一方面,結構力學對數學及其他學科的發展也起了推動作用。有限元法這一數學方法的出現和發展就與結構力學的研究有密切關係。

分支學科

靜力學、動力學、流體力學、分析力學、運動學、固體力學、材料力學、複合材料力學、流變學、結構力學、彈性力學、塑性力學、爆炸力學、磁流體力學、空氣動力學、理論力學、物理力學、天體力學、生物力學、計算力學
主要物理學分支
物理學概覽、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學

圖書1


前言
主要符號表
第一章

緒論

第一節 結構力學的研究對象和基本任務
第二節 桿系結構的計算簡圖
第三節 桿繫結構的分類
第四節 荷載的分類和簡化方法
第五節 疊加原理
第六節 結構力學在工程中的主要套用和學習方法

小結

複習思考題
習題
第二章
平面體系的幾何組成分析
第一節 幾何組成分析的概念和目的
第二節 平面體系自由度的概念
第三節 幾何不變體系的組成規則
第四節 瞬變體系的概念
第五節 平面體系幾何組成分析舉例
第六節 靜定與超靜定結構的靜力學特性和幾何組成特性
小結
複習思考題
習題
第三章
常用靜定結構的內力分析
第一節 多跨靜定梁
第二節 靜定平面剛架
第三節 靜定平面桁架
第四節 靜定三鉸拱
小結
複習思考題
習題
結構位移計算
第一節 結構位移計算的概念和目的
第二節 功的概念·廣義力與廣義位移
第三節 變形體的虛功原理與結構位移計算的一般公式
第四節 靜定結構在荷載作用下的位移計算
第五節 用圖乘法計算結構的位移
第六節 溫度改變引起的結構位移計算
第七節 結構在支座移動時引起的位移計算
第八節 彈性結構的幾個互等定理
小結
複習思考題
習題
第五章 用力法計算超靜定結構
第一節 超靜定結構的概念和超靜定次數的確定
第二節 力法的基本原理和力法典型方程
第三節 力法計算超靜定結構基本步驟和經典舉例
第四節 力法計算超靜定結構實例
第五節 結構對稱性的套用和對稱結構的計算
第六節 支座移動和溫度改變時的結構內力計算
第七節 超靜定結構的位移計算
第八節 等截面單跨超靜定梁的桿端內力
第九節 超靜定結構內力計算成果的校核
第十節 超靜定結構與靜定結構的比較及其特性
小結
複習思考題
習題
超靜定拱結構的計算

圖書2

圖書信息

書名:結構力學
作者:秦定龍
出版社:中國電力出版社
出版時間:2009-7-1
ISBN:9787508389523
開本:16開
定價:39.80元

內容簡介

本書為高職高專水利水電類專業規劃教材。 全書內容共九章。主要包括緒論、平面體系的幾何組成分析、常用靜定結構的內力分析、結構位移計算、用力法計算超靜定結構、超靜定拱結構的計算、用位移法計算超靜定結構、用力矩分配法計算超靜定結構、影響線及其套用。在本書的編寫過程中。堅持“繼承、改革、發展、創新”的八字方針,力求在闡明基本理論的基礎上,簡化繁雜的公式推證,增加經典成果的介紹,加強工程實例的闡述,突出工程實際的套用,並附有大量的複習思考題和習題。本書的教學參考學時為60~100學時。 本書可作為高職高專水利水電類、土建類各專業"結構力學"的教材。也可供其他專業的師生和工程技術人員參考。

圖書3

圖書信息

作 者:湖南大學結構力學教研室 編,洪範文 主編
出版社:高等教育出版社
出版時間:2007-8-1
字 數:630000
版 次:5
頁 數:387
開 本:16開
紙 張:膠版紙
ISBN:9787040166941
包 裝:平裝
所屬分類:圖書>>自然科學>>力學
定價:29.20
編輯推薦
本書是教育科學“十五”國家規劃課題研究成果之一,是在第4版的基礎上,根據教育部頒發的結構力學課程教學基本要求(多學時)及建設部頒發的註冊結構工程師考試大綱修訂而成。全書在保持積累了多年教材建設經驗的基礎上,力求突出自身特色,除強調結構力學基本原理和基本方法的論述與訓練、注重綜合歸納和思考討論外,對所牽涉到的工程套用背景、結構定性分析和學生創新訓練等方面,進行了有益的嘗試與探討。在內容選取上採取精簡內容、突出重點等辦法,將上、下兩冊合為一冊,進行了相應的刪減和增加,以適應不同地區、不同院校對工程力學課程的要求,滿足高校套用型人才培養的要求。全書由靜定結構、超靜定結構、其他問題和專題等4篇共12章組成,既包括了必須修讀的經典部分,又補充了可供選用的相關專題。本書按照少而精的原則,實現了與理論力學、材料力學課程的有機銜接。本書與湖南大學編寫的其他兩本《理論力學》(劉又文主編)和《材料力學》(傅依銘主編)教材成系配套。本書可作為普通高等學校土木工程、水利工程類專業本科生使用,也可供高職高專與成人高校師生及有關工程技術人員參考。

內容簡介

本書是在《結構力學》(第四版)和建築力學第三分冊《結構力學》(第三版)的基礎上精心修訂而成,全書主要內容由靜定結構、超靜定結構、結構分析其他問題和專題等4篇共12章組成。
本書涵蓋了教育部高等學校非力學類專業力學基礎課程教學指導分委員會通過的結構力學課程教學基本要求(A類)、建設部高等學校土木工程專業指導委員會制定的結構力學課程教學大綱和註冊結構工程師考試大綱中的全部內容,既包括了必須修讀的結構力學經典部分,又補充了可供選用的相關專題。
在積累多年教材建設經驗的基礎上,本書力求突出自身特色,除強調結構力學基本理論和基本知識的論述、基本能力的訓練,注重綜合歸納和思考討論外。本書注意保持內容選材適當、敘述深入淺出,注重聯繫實際的傳統優勢,努力適應當前教學改革的要求。
本書司作為高等學校土建、水利類等本科專業的教材,也可供有關工程技術人員參考。

作者簡介

洪範文,武漢水利電力學院(現武漢大學)1967年本科畢業,1981年研究生畢業,工學碩士。現為湖南大學土木工程學院教授,國家註冊監理工程師。歷任湖南大學出版社社長、教務處處長和教育部工科力學基礎課程教學指導委員會委員。
畢業後從事土木水利工程的設計研究和工程實踐工作。1982年進入湖南大學後,從事結構力學和計算分析方面的教學與研究工作,長期為本科生和碩士生講授結構力學、彈性力學、工程結構最佳化和結構程式設計等課程,治學態度嚴謹,教學效果優良。先後發表學術論文十餘篇,出版結構力學教材和其他署作4本。1998年獲機械工業部科技進步三等獎,2001年獲湖南省教學成果一等獎,2003年獲湖南省教學管理先進工作者。

圖書目錄

本書符號表說明
主要符號表
第一章緒論
第二章 體系幾何組成分析
第1篇 靜定結構
第三章 靜定結構內力分析
第四章 虛功原理和結構位移計算
第2篇 超靜定結構
第五章 力法
第六章 位移法和力矩分配法
第3篇 結構分析其他問題
第七章 影響線及其套用
第八章 矩陣位移法
第九章 計算簡圖選取和結構簡化分析
第4篇 專題
第十章 結構動力分析
第十一章 結構穩定分析
第十二章 結構塑性分析
附錄A 平面剛架分析程式
附錄B 索引
Synopsis
Contents
主編簡介

圖書4

內容簡介

本書系普通高等教育“十一五”國家級規劃教材,內容符合教育部審定的“結構力學課程教學基本要求”。
全書分I、II兩冊。I冊共11章,內容包括:緒論、平面體系的幾何組成分析、靜定梁和靜定剛架的受力分析、三鉸拱和懸索結構的受力分析、靜定桁架和組合結構的受力分析、虛功原理和結構的位移計算、力法、位移法、漸近法和近似法、影響線及其套用、矩陣位移法,並附有平面桿件結構靜力分析源程式及其說明;II冊共3章,內容包括:結構的動力計算、結構的穩定計算、結構的極限荷載。
本書堅持“基本概念要準確,基本原理要透徹,基本方法要具體,基本能力要培養”的編寫原則,採用條理化的論述方式和“板書式”的排版方式,文圖並茂,一目了然,是一本內容精煉、版式新穎、教師好用、學生易讀的教學用書。
本書適用於普通高等學校寬口徑的“大土木”專業(包括建築工程、路橋、岩土工程、水利工程和建築安裝等),也可供有關工程技術人員參考。

圖書5

圖書信息

書名:結構力學.Ⅱ
ISBN:704014481
作者:王煥定
出版社:高等教育出版社
定價:22.6
頁數:0
出版日期:2004-1-1
版次:1
開本:23cm
包裝:平裝

簡介

:本書是普通高等教育“十五”國家級規劃教材,在第1版(教育部“高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計畫”的研究成果和教育部面向21世紀課程教材和教育部工科力學“九五”規劃教材)的基礎上修訂而成,並保留了第1版的體系和特色。?全書分(I)、(II)兩冊。第(I)冊為結構靜力分析篇,共7章,包括現有各結構力學中的經典內容;第(II)冊為結構計算機分析篇和結構動力分析篇,共10章。本書也是《結構力學》立體化教學包的主教材,與本書配套的有《結構力學電子教案》(光碟)(已出版)、《結構力學網路課程》(光碟)(已出版)。本書可作為高等學校土木工程、交通工程、水利水電工程和力學等各專業的教材,也可作為工程技術人員的參考書,本書第(I)冊還可作為非結構類等專業和各層次有關土木類等專業的教材。

圖書6

圖書信息

圖書信息
書名:結構力學(多學時)
ISBN:9787302133315
作者:王煥定等
定價:33元
出版日期:2006-8-1
出版社:清華大學出版社

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