结构设计中的力学和构造基本原理.pptVIP

结构设计中的力学和构造基本原理第1页，共36页，星期日，2025年，2月5日力学分析中需要考虑的三种条件1、平衡条件：遵守经典物理世界运动基本原理,牛顿三大运动定律2、物理条件：本构关系（应力应变等）3、几何条件：几何构成、变形协调4、边界条件第2页，共36页，星期日，2025年，2月5日平衡条件1、不受外力作用的物体，永远将保持静止或匀速直线运动。牛顿第三运动定律：F＝ma2、物体处于静止状态的必要条件，所受合力为零：F＝03、动力学平衡条件：达朗贝尔原理F-ma＝0第3页，共36页，星期日，2025年，2月5日结构处于平衡的条件1、截取任一结构部件，作用于其上的荷载的合力在任一方向上均为零。2、据此，力学分析可以采用任意坐标系（但坐标分量需要相互独立），力系合成和分析可以在任意方向上进行。3、满足平衡条件要求的内力，不一定是结构所受的真实内力。故满足力学平衡条件条件。只是结构真实内力的必要条件。第4页，共36页，星期日，2025年，2月5日物理条件（本构关系）1、在经典物理世界，任何物质的运动均遵守牛顿三大运动定律。但各种介质表现出来的物理现象千差万别，主要原因在于介质的本构关系不同。2、一般地，本构关系大体可以归于两类:1)麦氏（麦克斯威尔）体2）开氏（开尔文）体详细可参考：《辛弹性力学》（中国科学技术大学出版社）或者粘弹性力学方面的教材。第5页，共36页，星期日，2025年，2月5日固、液体的界定1、传统认识中的这两类物质，其性状与荷载作用于其上的时间密切相关。2、任何物质都有蠕变和松弛特性，但各种物质的松弛时间各不相同。（Maxwell）3、举例：水下核爆炸、地质变迁4、现代力学统一将流体和固体称之为流变体。第6页，共36页，星期日，2025年，2月5日松弛和蠕变的力学定义松弛：材料在固定位移加载情况下，其应力随时间而减下的现象。蠕变：材料在固定应力荷载作用下，其应变随时间而增加的现象。上述两种非线性现象，还与与温度、应力水平等因素有密切关系。第7页，共36页，星期日，2025年，2月5日松弛时间松弛时间：定义为材料实际应力减小为初始应力的37%时，所需要的时间。几种典型材料的松弛时间：1、坚硬岩石：2、水：3、沥青：第8页，共36页，星期日，2025年，2月5日传统固、液体力学的部分共性1、两者动力学均遵守经典力学中的质量守恒和牛顿三大运动定律。它们的动力学平衡控制方程在形式上完全相同。两种物质遵守相同的客观运动物理规律第9页，共36页，星期日，2025年，2月5日1、在荷载作用时间很长的情况下，固体可能表现出液体的性状，2、而当荷载作用时间足够短时，液体也可表现出固体的性状。3、在荷载作用下，两者都会表现出平衡分叉现象，也可认为是混沌现象。固体力学中的失稳：稳定分叉流体力学中的湍流：不稳定分叉第10页，共36页，星期日，2025年，2月5日传统固、液体力学的部分异性1、物质不同，它们的本构也不同。导致虽然遵守相同的运动规律，但却表现出看似完全不同的物理现象2、在数学上，当把本构方程代入到完全相同的平衡控制方程后，得到的将是在形式和内容上均有显著差异的动量方程。3、传统固体，当作用于其上的荷载不发生变化时，在有限的时间里，物体就一般不再发生显著的变形，而液体则不同，只要荷载不移去，变形就会永远继续下去。第11页，共36页，星期日，2025年，2月5日4、固体在荷载作用下的各稳定状态间的间隔较大；例如压杆总是出现临界荷载较低的失稳模态。而液体的运动粘性系数很低，运动过程中表现出高度的几何非线性。5、由于物理现象的显著差别，固体力学和液体力学的研究方法存在很多差别。例如：计算力学中的很多数值方法，在流体动力学中不再具有适用性。即使在计算流体力学中，可压缩流体与不可压缩流体的数值研究方法均有很大的差异。第12页，共36页，星期日，2025年，2月5日固体力学中的本构关系1、广义本构方程：2、各向同性弹性材料：虎克定律3、非各向同性材料的本构关系，比较复杂：目前，岩土领域可查阅到的本构关系，有100种以上。4、本构关系，是一切力学分析的基础。在非线性（材料非线性、几何非线性）力学中，本构关系与结构内力水平、时间密切相关第13页，共36