什么是結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法
什么是結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法
結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科，那么你對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容，希望大家喜歡!
結(jié)構(gòu)力學(xué)的簡(jiǎn)介
結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門迅速發(fā)展的學(xué)科。新型工程材料和新型工程結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，向結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究?jī)?nèi)容并提出新的要求。計(jì)算機(jī)的發(fā)展，又為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了有力的計(jì)算工具。另一方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展也起了推動(dòng)作用。有限元法這一數(shù)學(xué)方法的出現(xiàn)和發(fā)展就和結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究有密切關(guān)系。在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)給結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了必要的基本知識(shí)，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。另外，結(jié)構(gòu)力學(xué)與流體力學(xué)相結(jié)合形成邊緣學(xué)科——結(jié)構(gòu)流體彈性力學(xué)。
評(píng)定結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，從力學(xué)角度看，主要是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，又要保證它有足夠的剛度。強(qiáng)度不夠，結(jié)構(gòu)容易破壞;剛度不夠，結(jié)構(gòu)容易皺損，或出現(xiàn)較大的振動(dòng)，或產(chǎn)生較大的變形。皺損能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)的變形破壞，振動(dòng)能夠縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，皺損、振動(dòng)、變形都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用性能，例如，降低機(jī)床的加工精度或減低控制系統(tǒng)的效率等。
觀察自然界中的天然結(jié)構(gòu)，如植物的根、莖和葉，動(dòng)物的骨骼，蛋類的外殼，可以發(fā)現(xiàn)它們的強(qiáng)度和剛度不僅與材料有關(guān)，而且和它們的造型有密切的關(guān)系。很多工程結(jié)構(gòu)是受到天然結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而創(chuàng)制出來(lái)的。人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)造型。加勁結(jié)構(gòu)(見加勁板殼)、夾層結(jié)構(gòu)(見夾層板殼)等都是強(qiáng)度和剛度比較高的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還要做到用料省、重量輕。減輕重量對(duì)某些工程尤為重要，如減輕飛機(jī)的重量就可以使飛機(jī)航程遠(yuǎn)、上升快、速度大、能耗低。
結(jié)構(gòu)力學(xué)的體系
一般對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)可根據(jù)其研究性質(zhì)和對(duì)象的不同分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)斷裂、疲勞理論和桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。
結(jié)構(gòu)靜力學(xué)
結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中首先發(fā)展起來(lái)的分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。靜載荷是指不隨時(shí)間變化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜載荷。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)和性能的分支學(xué)科。動(dòng)載荷是指隨時(shí)間而改變的載荷。在動(dòng)載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及位移也必然是時(shí)間的函數(shù)。由于涉及時(shí)間因素，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜的多。(見結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué))
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是研究工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分支?，F(xiàn)代工程中大量使用細(xì)長(zhǎng)型和薄型結(jié)構(gòu)，如細(xì)桿、薄板和薄殼。它們受壓時(shí)，會(huì)在內(nèi)部應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)(皺損或曲屈)，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會(huì)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他要求，例如影響飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論中最重要的內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。(見板殼穩(wěn)定性)
結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論
結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論是研究因工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可避免地存在裂紋，裂紋會(huì)在外載荷作用下擴(kuò)展而引起斷裂破壞，也會(huì)在幅值較小的交變載荷作用下擴(kuò)展而引起疲勞破壞的學(xué)科。我們對(duì)斷裂和疲勞的研究歷史還不長(zhǎng)，還不完善，但斷裂和疲勞理論發(fā)展很快。
在結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)于各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)研究對(duì)象還形成了一些研究領(lǐng)域，這方面主要有桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論三大類。整體結(jié)構(gòu)是用整體原材料，經(jīng)機(jī)械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，它對(duì)某些邊界條件問(wèn)題特別適用，常用作變厚度結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，又涌現(xiàn)出許多新型結(jié)構(gòu)，比如20世紀(jì)中期出現(xiàn)的夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法
結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法主要有工程結(jié)構(gòu)的使用分析、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算三種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究中，這三方面往往是交替進(jìn)行并且是相輔相成的進(jìn)行的。
使用分析在結(jié)構(gòu)的使用過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析比較和總結(jié)，這是易行而又可靠的一種研究手段。使用分析對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)起著重要作用。新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也需要通過(guò)使用來(lái)檢驗(yàn)性能。
實(shí)驗(yàn)研究能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計(jì)算方法的主要手段。實(shí)驗(yàn)研究分為三類：①模型實(shí)驗(yàn)：將真實(shí)結(jié)構(gòu)或者它的一部分簡(jiǎn)化為模型，然后按照設(shè)計(jì)要求或研究要求進(jìn)行加力實(shí)驗(yàn);②真實(shí)結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)：它有兩個(gè)任務(wù)，一是驗(yàn)證模型實(shí)驗(yàn)中所用簡(jiǎn)化模型的可靠性，二是驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性;③真實(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)：例如，飛機(jī)地面破壞實(shí)驗(yàn)、飛行實(shí)驗(yàn)和汽車的開車實(shí)驗(yàn)等。(見結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn))
結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常要耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力，因此只能有限度地進(jìn)行，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段，一般多依靠對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行理論分析和計(jì)算。
理論計(jì)算主要有兩方面內(nèi)容：
?、儆?jì)算模型工程結(jié)構(gòu)的形式很多，它們的聯(lián)結(jié)方式也各不相同。并且，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中還存在局部的加強(qiáng)和削弱。因此，在理論計(jì)算時(shí)必須采用一些假設(shè)，把實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成理想的典型結(jié)構(gòu)，即簡(jiǎn)化成計(jì)算模型，然后再進(jìn)行理論計(jì)算。如果簡(jiǎn)化得合理，而且數(shù)學(xué)方法選用得當(dāng)，計(jì)算就比較容易，結(jié)果也能較接近實(shí)際。計(jì)算模型的選定，與所要采用的計(jì)算方法和計(jì)算工具有關(guān)。使用古典方法和解析數(shù)學(xué)，計(jì)算模型就不能太復(fù)雜;若使用有限元法和電子計(jì)算機(jī)，計(jì)算模型就可以包含更多的因素。目前，對(duì)于計(jì)算模型的選取尚無(wú)統(tǒng)一的方法，大多憑經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)對(duì)類似結(jié)構(gòu)的比擬分析來(lái)確定，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證并改進(jìn)。
?、谟?jì)算方法計(jì)算模型確定后，就要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)部件的基本設(shè)計(jì)計(jì)算，即運(yùn)用各種力學(xué)方法，求出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力和變形狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)的破壞極限載荷，用以檢驗(yàn)真實(shí)結(jié)構(gòu)是否滿足工程設(shè)計(jì)的要求。最基本的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法是位移法和力法。位移法適于編制通用程序，在大型電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后發(fā)展較快;力法可以直接求出內(nèi)力，且誤差較小，也在發(fā)展中。
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