武汉理工大学结构力学教案-考研讲义.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流武汉理工大学结构力学教案-考研讲义.精品文档.2.1 基本概念 教学要求 理解几何可变体系(常变体系和瞬变体系)与几何不变体系、瞬铰、自由度的概念。2.1.1 体系的分类 前提:体系受到各种可能荷载作用,不考虑材料的应变。 (1) 几何可变体系: 体系保证几何形状、位置不变 (2) 几何可变体系: 体系不能保持几何形状、位置不变。 可分两种情况:(a)常变体系:可以发生大位移;(b)瞬变体系:经微小位移后成为几何不变。 图2-2a 几何可变体系示意图常变体系 图2-2b 几何可变体系示意图瞬变体系 注意: 结构设计应采用几何不变体系,不能采用
2、几何可变体系(常变体系和瞬变体系),也不应采用接近于瞬变体系的几何不变体系。2.1.2 运动自由度 体系运动时,可以独立变化的几何参数的数目,也就是确定该体系位置时所需的独立参数数目。 注释平面运动的特点:水平移动,竖向移动,转动 1动点=2自由度 1刚片=3自由度 图2-3a 1动点 图2-3b 1刚片2.1.3 约束 (1)概念:限制体系的运动减少体系自由度的装置 支杆(约束) 铰(约束) 固定端(约束) 铰(内部) 固定端(内部) (2)种类:多余约束和必要约束 多余约束:不能减少体系自由度的约束。 必要约束(必要约束):能减少体系自由度的约束。 图2-5a 必要约束 图2-5b 多余约
3、束 注释图2-5b中:杆(刚片)13中有一个是多余约束。注意: 多余约束与非多余约束是相对的,多余约束一般不是唯一指定的。2.1.4 铰 实铰:两链杆直接相交的铰; 瞬铰或虚铰:两链杆延长线相交的铰;特例:两链杆平行,相交点在无穷远。 图2-6a 实铰 图 2-6b 虚铰(延长线交于一点及交点在无穷远)注意: 关于无穷远点和无穷远线的四点结论:(在几何构造分析中必须注意) (1)每个方向有一个点(即该方向各平行线的交点); (2)不同方向上有不同的点; (3)各点都在同一直线上,此直线称为线; (4)各有限远点都不在线上。2.2 平面几何不变体系的组成规律教学要求 熟练掌握几何不变体系的三条基
4、本组成规律。2.2.1 一个点与一个刚片的联结方式二元体法则 一个刚片与一个点用两根链杆相连,且三个铰不在一直线上,则所组成几何不变体系,并且没有多余约束。 说明:以下把研究的对象简称“对象”,对象之间的联系简称“联系”。 图2-7a 几何不变无多余约束 图2-7b 瞬变 分析:图2-7a: 对象:刚片(1)与点A; 联系:链杆1和2;且A、B、C不共线。 特例:三个铰共线,则是瞬变体系。 图2-7b: 对象:刚片(1)与点A; 联系:链杆1和2;但A、B、C不共线。例: 图2-8 分析:图2-8 图a: 刚片(1)与点A; 联系:链杆1和2;且A、B、C不共线。组成大刚片1 图b: 大刚片1
5、与点B; 联系:链杆3和4;且A、C、D不共线。组成大刚片2 其他同理,见图2-8的图形描述。 引伸 二元体:单铰相连且不在同一直线上的两根链杆。如图2-8a中的1、2杆;3、4杆;5、6杆;7、8杆;9、10杆;11、12杆;。 二元体的性质:在一个体系上增加或减少1个二元体,不影响原体系的几何组成。 图2-8中,图a)、b)、c)、d)、e)、f)的几何组成是相同的,从图a)图f)为增加二元体;从图f)图a)为减少二元体。2.2.2 两个刚片之间的联结方式两刚片法则 (1)两个刚片用一个铰和一根链杆相连结,且三个铰不在一直线上,则所组成几何不变体系,并且没有多余约束。 图2-9 几何不变无
6、多余约束 分析:图2-9 对象:刚片(1)与(2);联系:链杆1和铰A;且A、B、C不共线。 特例:三个铰共线,为瞬变体系。 图2-10瞬变体系 分析:图2-10 对象:刚片(1)与大地; 联系:链杆1和铰A;且不共线组成大刚片(2)。 对象:大刚片(2)与刚片(3); 联系:链杆2和铰B;但共线。 (2)两刚片三链杆 对象:刚片(1)与(2); 联系:链杆1、2和3。 (a) 三链杆不共点,且不平行,几何不变体系(图2-11a)。图2-11 特例:三链杆平行等长:常变体系(图2-11b);三链杆平行不等长:瞬变体系(图2-11c); (b) 三链杆共点:常变体系(图2-12a);图2-12
7、特例:延长线交于一点:瞬变体系(图2-12b);2.2.3 三个刚片之间的联结方式三刚片法则 三刚片用不共线的三铰两两相连组成体系几何不变且无多余约束。图2-13几何不变无多余约束 分析:图2-13a和b 对象:刚片(1)、(2)与(3); 联系:刚片(1)和(2)铰A;刚片(1)和(3)铰B;刚片(2)和(3)铰C;且三铰不共线。 分析:图2-13c 对象:刚片(1)、(2)与(3); 联系:刚片(1)和(2)铰A(虚铰,杆1、2延长线的交点);刚片(1)和(3)铰B;刚片(2)和(3)铰C;且三铰不共线。 分析:图2-13d 对象:刚片(1)、(2)与(3); 联系:刚片(1)和(2)铰A
8、(虚铰,杆5、6延长线的交点);刚片(1)和(3)铰B(虚铰,杆1、2延长线的交点);刚片(2)和(3)铰C(虚铰,杆3、4延长线的交点);且三铰不共线。特例:若三铰共线,则为瞬变体系图2-14 瞬变体系对象:刚片(1)、(2)与(3); 联系:刚片(1)和(2)铰A;刚片(1)和(3)铰B;刚片(2)和(3)铰C;但三铰共线。注意1. 三铰为两两相交的铰;2. 所有规则可以统一为三角形法则:由三个链杆组成的三角形为几何不变体系且无多余约束。2.3 构造分析方法与例题教学要求熟练掌握几何构造分析的各种方法。2.3.1 基本分析方法1. 组装法规律:一点、两片、三片、三链杆;基本装配格式:固定一
9、个结点;固定一个刚片;固定两个刚片;固定三个刚片;(1) 从基础开始例1:图2-15分析:对象:刚片(1)与大地; 联系:铰A和链杆1且三铰不共线;组成大刚片1;对象:大刚片1与刚片(2); 联系:铰B和链杆2且三铰不共线;组成大刚片2;对象:大刚片2与刚片(3); 联系:铰C和链杆3且三铰不共线;几何不变无多余约束(2) 从内部例2:图2-16分析:对象:刚片(1)与(2)(三角形法则); 联系:铰A和链杆1且三铰不共线;组成大刚片1;对象:大刚片1与大地; 联系:铰B和链杆2且三铰不共线; 几何不变无多余约束2. 减二元体例3:图2-17分析:对象:杆1、2和杆3、4和杆5、6和杆7、8和
10、杆9、10和杆11、12和杆13、14; 联系:二元体;去掉二元体,剩下大地几何不变无多余约束图2-18分析:对象:杆1、2和杆3、4和杆5、6; 联系:二元体;去掉二元体,剩下图2-16c几何不变无多余约束3. 约束等效代换 (1) 曲(折)链杆等效为直链杆 (2) 联结两刚片的两链杆等效代换为瞬铰图2-19分析:图2-19a等效图2-19b对象:大地与刚片(1)和(2); 联系:大地与刚片(1):虚铰B;大地与刚片(2):虚铰C;刚片(1)与刚片(2):虚铰A;三铰不共线几何不变无多余约束2.3.2 复杂体系 1. 运用瞬铰并使对象拉开距离注释“拉开距离”是指三刚片之间均由链杆形成的瞬铰相
11、连,而尽量不用实铰。图2-20分析:对象:大地与刚片(1)和(2);刚片(2)为三角形。联系:大地与刚片(1):虚铰A(链杆1、2);大地与刚片(2):虚铰C(链杆5、6);刚片(1)与(2) 虚 铰B(链杆3、4);三铰不共线几何不变无多余约束 图2-21分析:对象:刚片(1)、(2)和(3);刚片(1)、(2)为三角形。联系:刚片(1)与(2):虚铰A(链杆1、2);刚片(1)与(3):虚铰B(链杆3、4);刚片(2)与(3):虚铰C(链杆5、6);三铰不共线几何不变无多余约束2. 三刚片由三铰两两相连,其中两瞬铰在无穷远处。若此两瞬铰在不同方向,则体系几何不变, 反之几何可变。图2-22
12、分析:图2-22a对象:刚片(1)、(2)和(3);联系:刚片(1)与(2):铰A;刚片(1)与(3):虚铰B(无穷远);刚片(2)与(3):虚铰C(无穷远);两瞬铰在不同方向几何不变无多余约束分析:图2-22b对象:刚片(1)、(2)和(3);联系:刚片(1)与(2):铰A;刚片(1)与(3):虚铰B(无穷远);刚片(2)与(3):虚铰C(无穷远);两瞬铰在同一方向几何可变图2-23分析:对象:刚片(1)、(2)和(3);联系:刚片(1)与(2):铰A;刚片(1)与(3):虚铰B(无穷远);刚片(2)与(3):虚铰C(无穷远);两瞬铰在不同方向组成大刚片1对象:大刚片1与大地; 联系:铰D和
13、链杆5且三铰不共线;几何不变无多余约束3. 三刚片由三瞬铰两两相连,若三瞬铰均在无穷远处,则体系几何可变。注释无穷远处所有点均在一无穷远直线上图2-23分析:图2-24a对象:刚片(1)、(2)和(3);联系:刚片(1)与(2):铰A(无穷远);刚片(1)与(3):虚铰B(无穷远);刚片(2)与(3):虚铰C(无穷远);链杆36在同一平行线间常变体系分析:图2-24b对象:刚片(1)、(2)和(3);联系:刚片(1)与(2):铰A(无穷远);刚片(1)与(3):虚铰C(无穷远);刚片(2)与(3):虚铰B(无穷远);瞬变体系2.4 平面杆件体系的自由度计算 教学要求掌握实际自由度分析方法,了解
14、计算自由度的计算方法。2.4.1 平面杆件体系自由度 (1)实际自由度S(即前面讲的“运动自由度”):体系运动时,可以独立变化的几何参数数目,也就是确定该体系运动所需要的独立参数数目。之所以称之为实际自由度,是为了与下面讲的计算自由度相区别。 S = (各部件自由度总和a)(必要约束数总和c) (2-1)(2)计算自由度W W = (各部件自由度总和a)(全部约束数总和d) (2-2)由上式可见,计算自由度是由体系部件的自由度和全部约束计算而得,但没有区别非多余约束和多余约束。因此,一般地说,计算自由度不一定就是实际自由度。多余约束数n:等于实际自由度与计算自由度之差,即: n = S W (
15、2-3)图2-25分析: 自由度S=ac=22=0; 计算自由度W=ad=24=2讨论: W 0 则 S 0 几何可变 W = 0 则 S = n 若 n = 0 几何不变 W = 0 则 S = n 若 n 0 几何可变 W 0 体系有多余约束,但不一定几何不变。结论: W 0只是几何不变的必要条件,不是充分条件。 各部件自由度总和a=2(1个自由点);约束总数d=4;其中:非多余约束c=2;2.4.2 约束的计算(1) 刚片内部多余约束。 n=0 n=1 n=2 n=3图2-8 刚片内部多余约束注释自由端n=0;一根链杆n=1;一个铰n=2;一个刚结n=3;(2) 单约束和复约束 a 铰结
16、点 图2-9a 单铰 图2-9b 复铰1单铰=2个约束复铰=(n1)单铰2(n1)个约束 b 刚结点 图2-11a 单链 图2-11b 复链1单链杆=1个约束 1复链杆= (2n-3)单链=(2n-3)个约束杆2.4.3 平面体系的计算自由度 W 的求法(1) 刚片法:体系看作由刚片组成,铰结、刚结、链杆为约束。 刚片数 m ; 约束数:单铰数 h ,简单刚结数 g ,单链杆数 b 。 W = 3m - 2h - 3g - b (2-4)(2) 节点法:体系由结点组成,链杆为约束。 结点数 j ; 约束数:链杆(含支杆)数 b 。 W = 2j b (2-5)(3) 组合算法 约束对象:刚片数
17、 m ,结点数 j 约束条件:单铰数 h ,简单刚结数 g ,单链杆(含支杆)数 b W = (3m + 2j)-(3g + 2h + b) (2-6)例:求如下图示刚片系的计算自由度。题1:图2-12解: 方法1 方法2 方法3方法1:(刚片法) m = 7,h = 4,g = 2,b = 6 W = 37 - 24 - 32 - 6 = 1 方法2:(刚片法) m = 5,h = 4,g = 0,b = 6 W = 35 - 24 - 6 = 1 方法3:(节点法)最好 j=6,b=11 =2-=2*6-111题2:图2-13解:方法1 方法2方法1:(节点法)最好 j=7,b=14 =2
18、-=2*7-140方法2:(刚片法) m = 7,h = 9,g = 0,b = 3 W = 37 - 29 - 3 = 0题3:图2-14解:方法1:(刚片法) m = 1,h = 0,g = 3,b = 4 W = 31- 33- 4 = -10方法2:(节点法)最好 j=0,b=10 =2-=0-1003.1 梁的内力计算回顾教学要求 回顾材料力学中的内力概念和计算方法,梁的内力图的画法,熟练掌握各种荷载作用下的梁的内力图画法,掌握叠加法画弯矩图。3.1.1 截面的内力分量及其正负号规定 内力:指由于杆件受外力作用后,在其内部所引起的各部分之间的相互作用。力学中把构件对变形的抗力称为内力
19、。在平面杆件的任意截面上,一般有三个内力分量:轴力FN、剪力FQ和弯矩M(图3-1)。轴力FN-截面上应力沿杆轴切线方向的合力。方向规定:以拉力为正。剪力FQ-截面上应力沿杆轴法线方向的合力。方向规定:剪力以绕微段隔离体顺时针转者为正。弯矩M-截面上应力对截面形心的合力矩,在水平杆件中,当弯矩使杆件下部受拉时,弯矩为正。注意:作内力图时,轴力图、剪力图要注明正负号。弯矩图规定画在杆件受拉的一侧,不用注明正负号。(与材料力学中规定稍有不同)3.1.2 内力的计算方法 计算指定截面内力的基本方法是截面法。截面法求解内力的过程可归纳为以下三个步骤:1、截开在需求内力的截面处,用假想的截面将其截开为两
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