工學(xué)高等結(jié)構(gòu)力學(xué)PPT課件

1、參考書籍1. 包世華 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 武漢理工大學(xué)出版社2. 龍馭球 結(jié)構(gòu)力學(xué)教程（） 高等教育出版社3. 王煥定 結(jié)構(gòu)力學(xué)（） 高等教育出版社第1頁(yè)/共83頁(yè)動(dòng)力荷載第2頁(yè)/共83頁(yè)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.緒論 2.單自由度體系的振動(dòng)分析 3.多自由度體系的振動(dòng)分析 4.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的數(shù)值方法第3頁(yè)/共83頁(yè)1.緒論 1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征 1.2離散化方法 1.3振動(dòng)方程的建立第4頁(yè)/共83頁(yè)1.11.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 動(dòng)荷載：荷載的大小、方向和作用位置隨時(shí)間而變化。1、結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算的特點(diǎn) 靜荷載 :大小、方向或位置不隨時(shí)間而變，或變得很慢絕大多數(shù)實(shí)際荷

2、載都是動(dòng)荷載，但是： 變化的很慢 靜荷載 變化的很快 動(dòng)荷載第5頁(yè)/共83頁(yè)荷載隨時(shí)間變化的快和慢的標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)的自振周期荷載變化速度1秒之內(nèi)由零增大到最大：自振周期0.1秒的結(jié)構(gòu)： 靜荷載自振周期10秒的結(jié)構(gòu)： 動(dòng)荷載第6頁(yè)/共83頁(yè)2 2、動(dòng)荷載的分類、動(dòng)荷載的分類（1）周期荷載：隨時(shí)間周期性變化 代表荷載：簡(jiǎn)諧荷載（正弦或余弦表示） 如： 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力荷載， 打樁時(shí)的錘擊荷載。（機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)荷載） （打樁荷載） 1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征第7頁(yè)/共83頁(yè)偏心質(zhì)量m,偏心距e,勻角速度慣性力:P=m2e,其豎向分量和水平分量均為簡(jiǎn)諧荷載.tP(t )tPt簡(jiǎn)諧荷載（harmonic load

3、）一般周期荷載(periodic load)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的偏心力第8頁(yè)/共83頁(yè)（2）沖擊荷載：短時(shí)間內(nèi)荷載值急劇增大或減小 代表荷載：爆炸力產(chǎn)生的動(dòng)力荷載 車輪對(duì)軌道連接處的沖擊。PttrP突加荷載(Suddenly applied constant load)P(t )ttrP爆炸荷載第9頁(yè)/共83頁(yè)（3）隨機(jī)荷載：與時(shí)間呈非確定性的荷載 Taft波地震加速度時(shí)程曲線代表荷載：地震荷載、風(fēng)荷載波浪對(duì)船體的作用 P(t )t隨機(jī)荷載(random load)05101520-1.0-0.50.00.51.0地面加速度/m/s2時(shí)間/s第10頁(yè)/共83頁(yè)兩者都是建立平衡方程，但動(dòng)力計(jì)算，建立的是形

4、式上的平衡方程。力系中包含了慣性力(慣性力是必須考慮的重要問題)，考慮的是瞬間平衡，荷載內(nèi)力都是時(shí)間的函數(shù)。建立的方程是微分方程。3、動(dòng)力計(jì)算與靜力計(jì)算的區(qū)別涉及到內(nèi)外兩方面的因素： 1、結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性：自振頻率、阻尼、振 型。(自由振動(dòng)) 2、荷載的變化規(guī)律及其動(dòng)力反應(yīng)。 (強(qiáng)迫振動(dòng))1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征第11頁(yè)/共83頁(yè)4、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容第一類問題：響應(yīng)分析（正問題）第一類問題：響應(yīng)分析（正問題）輸出？輸出？（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）輸入輸入（動(dòng)荷載）（動(dòng)荷載）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）（系統(tǒng)）1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征+ +第12頁(yè)/共83頁(yè)第二類問題：參數(shù)（或系統(tǒng)）的識(shí)別第二類問題

5、：參數(shù)（或系統(tǒng)）的識(shí)別 輸入輸入（動(dòng)荷載）（動(dòng)荷載）結(jié)構(gòu)？結(jié)構(gòu)？（系統(tǒng)識(shí)別）（系統(tǒng)識(shí)別）輸出輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）+ +第13頁(yè)/共83頁(yè)第三類問題：荷載識(shí)別（反問題）第三類問題：荷載識(shí)別（反問題） 輸入？輸入？（動(dòng)荷載）（動(dòng)荷載）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）（系統(tǒng)）輸出輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）+ +第14頁(yè)/共83頁(yè)第四類問題：控制問題第四類問題：控制問題 輸入輸入（動(dòng)荷載）（動(dòng)荷載）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）（系統(tǒng)）輸出輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（裝置、能量）（裝置、能量）+ + +第15頁(yè)/共83頁(yè)分析方法：理論建模和數(shù)值分析 正問題建模（分析模型） 反問題建模（統(tǒng)計(jì)模型）試驗(yàn)方法

6、：檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)性能 模態(tài)試驗(yàn) 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn) 模擬試驗(yàn)1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征5、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究方法第16頁(yè)/共83頁(yè)1.21.2離散化方法離散化方法自由度定義：在運(yùn)動(dòng)過程任一時(shí)刻，確定體系全部質(zhì)量的位置或變形狀態(tài)所需獨(dú)立參數(shù)的個(gè)數(shù)。實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量都是連續(xù)分布的，嚴(yán)格地說來都是無(wú)限自由度體系,都有無(wú)限個(gè)自由度。無(wú)限個(gè)自由度計(jì)算，十分困難，也沒有必要。1、動(dòng)力計(jì)算中體系的自由度(DOF)第17頁(yè)/共83頁(yè)mmm梁mII2Im廠房排架水平振動(dòng)時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖單自由度體系(single degree-of-freedom system)2、簡(jiǎn)化方法（1）集中質(zhì)量法(centralized mass

7、 method)： 把連續(xù)分布的質(zhì)量集中為n個(gè)集中的質(zhì)量 無(wú)限自由度簡(jiǎn)化為有限自由度問題。第18頁(yè)/共83頁(yè)水平振動(dòng)時(shí)的計(jì)算體系多自由度體系三個(gè)自由度三層平面剛架：考慮其側(cè)向振動(dòng)：把柱的質(zhì)量分到相鄰的橫梁上；各橫梁上的水平位移相等。 每個(gè)橫梁可用一個(gè)質(zhì)量替代，三個(gè)自由度。三個(gè)自由度體系第19頁(yè)/共83頁(yè)多自由度體系構(gòu)架式基礎(chǔ)頂板簡(jiǎn)化成剛性塊(t)v(t)u(t)三個(gè)自由度第20頁(yè)/共83頁(yè)懸臂剛梁確定質(zhì)量A的振動(dòng)在平面內(nèi)需要x、y兩個(gè)參數(shù)才能確定其位置。剛體質(zhì)量塊 確定質(zhì)量塊在平面內(nèi)的振動(dòng)需要水平位移y1 豎直位移y2轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)自由度才能確定其運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)論：自由度的數(shù)目與計(jì)算假定有關(guān)；自由度的

8、數(shù)目與集中質(zhì)量數(shù)目無(wú)關(guān)。1yyA第21頁(yè)/共83頁(yè)xy(x)（2）廣義坐標(biāo)法(generalized coordinate)將無(wú)限自由度體系化成有限自由度體系的另一種方法。niiixaxy1)()(12,.,n 其中 為滿足位移邊界條件已知函數(shù),稱為形狀函數(shù), a1, a2, an為待定的參數(shù)（廣義坐標(biāo)）。煙囪底部的位移條件:0,0,0dyxydx于是近似設(shè)變形曲線為:13221.)(nnxaxaxaxyn個(gè)自由度體系假設(shè)振動(dòng)曲線：第22頁(yè)/共83頁(yè)簡(jiǎn)支梁的位移條件：y(0)=0,y(l)=0于是近似設(shè)變形曲線為:nkklxkaxy1sin)(n個(gè)自由度體系分布質(zhì)量的簡(jiǎn)支梁撓曲線函數(shù)：niii

9、xaxy1)()(梁的撓度曲線即由幾個(gè)廣義坐標(biāo)所確定，這時(shí)簡(jiǎn)支梁被簡(jiǎn)化為n個(gè)自由度體系。其中， 為滿足位移邊界條件已知函數(shù),稱為形狀函數(shù), a1, a2, an為待定的參數(shù)（廣義坐標(biāo)）。12,.,n 第23頁(yè)/共83頁(yè)（3）有限元法(FEM) 有限元可看作廣義坐標(biāo)法的一種特殊應(yīng)用。 把結(jié)構(gòu)分成若干單元（3個(gè)單元） 兩個(gè)單元聯(lián)結(jié)處設(shè)有結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）（4個(gè)） 結(jié)點(diǎn)位移參數(shù)： 撓度y、轉(zhuǎn)角 四個(gè)結(jié)點(diǎn)：共8個(gè)坐標(biāo) 每個(gè)結(jié)點(diǎn)位移僅在相鄰單元上產(chǎn)生影響 結(jié)點(diǎn)1的形狀函數(shù)、梁的撓度： 有限個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度。4321簡(jiǎn)支梁有限元模型niiixaxy1)()(第24頁(yè)/共83頁(yè)幾點(diǎn)注意：1）對(duì)于具有集中質(zhì)量的體系，其

10、自由度數(shù)并不一定等于集中質(zhì)量數(shù)，可能比它多，也可能比它少。2）體系的自由度與其超靜定次數(shù)無(wú)關(guān)。3）體系的自由度決定了結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算的精度。4）在幾何構(gòu)造分析中所說的自由度是剛體體系中剛體的運(yùn)動(dòng)自由度；動(dòng)力計(jì)算中討論的自由度是變形體系中質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)自由度。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)兩個(gè)自由度兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)一個(gè)自由度第25頁(yè)/共83頁(yè)1.31.3振動(dòng)方程的建立振動(dòng)方程的建立動(dòng)力問題主要是分析位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，描述動(dòng)力位移的數(shù)學(xué)表達(dá)式的振動(dòng)方程。建立振動(dòng)方程的方法主要有：（1）動(dòng)力平衡法基礎(chǔ)：達(dá)朗伯原理（dAlembert）慣性力：大小與加速度成正比，與加速度的方向相反。( )()ddyp tmdtdt22( )d yp

11、tmmydt第26頁(yè)/共83頁(yè)（2）虛功法基礎(chǔ)：虛功原理 虛位移上所作的總虛功為零 與平衡條件等價(jià)。 在建立體系的方程時(shí)，先確定作用于質(zhì)量上的所有力，包括慣性力，然后引入相應(yīng)于每個(gè)自由度的虛位移，并使所作的總虛功等于零，從而得出振動(dòng)方程，計(jì)算功時(shí)不需要考慮方向性。第27頁(yè)/共83頁(yè)（3）變分法基礎(chǔ)：哈密頓（Hamilton）原理原理表達(dá)式：T是體系的總動(dòng)能；V是體系的總勢(shì)能（應(yīng)變能+保守外力的勢(shì)能）。與上法相比，不涉及力和位移的方向。 2211()0ttncttTV dtW dt哈密頓（Hamilton）原理表明：在任何時(shí)間區(qū)間t1到t2內(nèi)，動(dòng)能和勢(shì)能的變分再加上非保守力（阻尼力和外載）所做的

12、功的變分為零。第28頁(yè)/共83頁(yè)（4）能量法基礎(chǔ)：能量守恒定律不僅可以建立體系的振動(dòng)方程，而且還可以直接計(jì)算體系的自振頻率。第29頁(yè)/共83頁(yè)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)基礎(chǔ) 線性代數(shù) 微分方程 變分原理 積分變換第30頁(yè)/共83頁(yè)The end第31頁(yè)/共83頁(yè)第32頁(yè)/共83頁(yè)迪拜塔迪拜塔 迪拜塔設(shè)計(jì)高度828米 總投資約15億美元。第33頁(yè)/共83頁(yè) 設(shè)計(jì)師：艾德里安設(shè)計(jì)師：艾德里安史密斯史密斯第34頁(yè)/共83頁(yè)“X-SEED 4000X-SEED 4000”巨塔巨塔第35頁(yè)/共83頁(yè)“X-SEED 4000”巨塔 “X-SEED 4000”巨塔，外形仿照富士山，將坐落東京，能源自給自足，高達(dá)4000米

13、，800層樓，乘客從底樓坐到頂樓，將需要花上35分鐘的時(shí)間，預(yù)料建成后可容納100萬(wàn)人居住，成為東京的“城中之城”。 預(yù)計(jì)總投資約9000億美元。 據(jù)專家稱，建造科技目前已經(jīng)存在，只是天文數(shù)字般的造價(jià)成了主要障礙物。 第36頁(yè)/共83頁(yè)第37頁(yè)/共83頁(yè)伯瓷酒店（帆船酒店伯瓷酒店（帆船酒店 ） 第38頁(yè)/共83頁(yè)伯瓷酒店（帆船酒店伯瓷酒店（帆船酒店 ） 酒店裝飾 900美金 20000美金 10億美元 第39頁(yè)/共83頁(yè)第40頁(yè)/共83頁(yè)第41頁(yè)/共83頁(yè)臺(tái)北101大樓(508m, 101f)第42頁(yè)/共83頁(yè)吉隆坡雙子塔(452m, 88f)第43頁(yè)/共83頁(yè)芝加哥西爾斯大廈(442m, 1

14、08f)第44頁(yè)/共83頁(yè)曾經(jīng)的世貿(mào)雙子星(417m, 110f)第45頁(yè)/共83頁(yè)上海金茂(421m, 88f)第46頁(yè)/共83頁(yè)香港國(guó)際金融中心(415m, 88f)第47頁(yè)/共83頁(yè)廣州中信廣場(chǎng)(391m, 80f)第48頁(yè)/共83頁(yè)美國(guó)帝國(guó)大廈(381m, 102f)返回第49頁(yè)/共83頁(yè)杭州灣跨海大橋杭州灣跨海大橋第50頁(yè)/共83頁(yè)第51頁(yè)/共83頁(yè)杭州灣跨海大橋杭州灣跨海大橋 世界最長(zhǎng)的跨海大橋杭州灣跨海大橋于5月1日正式通車。這座全長(zhǎng)36公里的大橋是一座由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行管理、自行建造、自行投資的特大型交通設(shè)施。杭州灣跨海大橋北起嘉興市海鹽縣，南止寧波慈溪市，全長(zhǎng)36公里，雙向

15、六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為100公里。大橋通車后，寧波至上海間的陸路距離將縮短120余公里，預(yù)算投資118億元。實(shí)際花費(fèi)160億元。第52頁(yè)/共83頁(yè)第53頁(yè)/共83頁(yè)第54頁(yè)/共83頁(yè)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋 第55頁(yè)/共83頁(yè)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋 連接揚(yáng)州和鎮(zhèn)江兩市的長(zhǎng)江公路大橋，2005年建成通車。 總長(zhǎng)：35.66公里； 造價(jià)：57.8億元人民幣； 特大基坑尺寸：69m50m50m 第56頁(yè)/共83頁(yè)第57頁(yè)/共83頁(yè)第58頁(yè)/共83頁(yè)第59頁(yè)/共83頁(yè)第60頁(yè)/共83頁(yè)第61頁(yè)/共83頁(yè)第62頁(yè)/共83頁(yè)日本明石海峽大橋第63頁(yè)/共83頁(yè)日本明石海峽大橋 日本明石海峽大橋，位于本州島與四國(guó)之間，主跨1991米，全長(zhǎng)3910米，雙向六車道，抗震強(qiáng)度按1/150的頻率，承受8.5級(jí)強(qiáng)烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴風(fēng)設(shè)計(jì)，為目前世界上跨度最大的懸索橋。 大橋1988年5月動(dòng)工，歷時(shí)10年，耗資5000多億日元，約合40億美元，于1998年4月建成通車，創(chuàng)造了本世紀(jì)世界建橋史的新紀(jì)錄。第64頁(yè)/共83頁(yè)金門大橋金門大橋 第65頁(yè)/共83頁(yè)金門大橋 金門大橋于1933年動(dòng)工，1937年5月竣工，用了4年時(shí)間和10萬(wàn)多噸鋼材，耗資達(dá)3550萬(wàn)美元。 鋼塔之間的大橋跨度達(dá)