结构动力计算基础优秀PPT.ppt
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1、现在学习的是第1页,共56页10.1 动力计算的特点和动力自由度动力计算的特点和动力自由度1.1.动力荷载的概念动力荷载的概念 动动力力荷荷载载是是指指其其大大小小、方方向向和和作作用用位位置置随随时时间间变变化化的的荷荷载载,而而且且随随时时间变化较快,对结构产生的间变化较快,对结构产生的影响较大影响较大。一、动力荷载的概念及分类一、动力荷载的概念及分类 静力荷载是指随时间不变化(如恒载)或随时间变化很慢,对结构静力荷载是指随时间不变化(如恒载)或随时间变化很慢,对结构产生的影响较小,而且产生的影响较小,而且静力荷载只与作用位置有关静力荷载只与作用位置有关,而动力荷载的变化,而动力荷载的变化
2、是是坐标和时间的函数坐标和时间的函数。2.2.与静力荷载的区别与静力荷载的区别现在学习的是第2页,共56页(1 1)周期荷载周期荷载随时间作周期性变化随时间作周期性变化简谐荷载:最简单的周期荷载,随时间按简谐荷载:最简单的周期荷载,随时间按正弦或余弦正弦或余弦规律变化,如规律变化,如 机器转动时转子做匀速转动时就会产生这种荷载。机器转动时转子做匀速转动时就会产生这种荷载。非简谐荷载非简谐荷载:按其它规律周期性变化的荷载按其它规律周期性变化的荷载3.3.动力荷载的分类动力荷载的分类(2 2)非周期荷载非周期荷载冲击荷载:在很短时间内,荷载值急剧增大或减小,如各种爆炸荷载、冲击荷载:在很短时间内,
3、荷载值急剧增大或减小,如各种爆炸荷载、打桩机的锤头对桩柱的冲击等。打桩机的锤头对桩柱的冲击等。突加荷载突加荷载:突然施加在结构上并保持不变的荷载,如施工中吊起重物的突然施加在结构上并保持不变的荷载,如施工中吊起重物的 卷扬机突然开动时施加于钢丝绳上的荷载。卷扬机突然开动时施加于钢丝绳上的荷载。确定性确定性非确定性(随机荷载)非确定性(随机荷载)周期荷载周期荷载非周期荷载非周期荷载(3 3)随机荷载随机荷载荷载有很大的随意性,任一时刻的数值无法确定,荷载有很大的随意性,任一时刻的数值无法确定,如地震荷载、风荷载、海浪对堤岸、码头的冲击等。如地震荷载、风荷载、海浪对堤岸、码头的冲击等。现在学习的是
4、第3页,共56页二、结构动力计算的特点二、结构动力计算的特点1.1.结构动力学的主要特征结构动力学的主要特征 由于荷载随时间变化较快,所产生的惯性力不容忽视。因此,考虑由于荷载随时间变化较快,所产生的惯性力不容忽视。因此,考虑惯性力的影惯性力的影响响是结构动力学的最主要特征。是结构动力学的最主要特征。达朗伯原理达朗伯原理:在质点运动的任一瞬时,作用于质点上的所有的主动力、约束:在质点运动的任一瞬时,作用于质点上的所有的主动力、约束反力与虚加在质点上的惯性力在形式上构成一平衡力系(即主动力、约束反力反力与虚加在质点上的惯性力在形式上构成一平衡力系(即主动力、约束反力和质点的惯性力的矢量和等于零)
5、。和质点的惯性力的矢量和等于零)。动静法动静法:根据达朗伯原理,动力计算问题可以转化为:根据达朗伯原理,动力计算问题可以转化为静力平衡问题静力平衡问题来求解,来求解,这种方法称为动静法。这种方法称为动静法。2.2.结构动力计算的原理和方法结构动力计算的原理和方法现在学习的是第4页,共56页动力平衡动力平衡的特点的特点:与静力平衡不同,动力平衡只是形式上的平衡,:与静力平衡不同,动力平衡只是形式上的平衡,是在引进是在引进惯性力惯性力条件下的平衡条件下的平衡。(1)在所考虑的力系中要包括惯性力;)在所考虑的力系中要包括惯性力;(2)所谓的平衡是瞬间的平衡,荷载、内力、位移、速度、加速所谓的平衡是瞬
6、间的平衡,荷载、内力、位移、速度、加速 度等都是时间的函数。度等都是时间的函数。惯性力惯性力:当质点受力作用而改变其原来的运动状态时,由于质点的惯性产生对:当质点受力作用而改变其原来的运动状态时,由于质点的惯性产生对外界反抗的反作用力称为质点的惯性力。外界反抗的反作用力称为质点的惯性力。惯性力的方向与加速度方向相反,大小惯性力的方向与加速度方向相反,大小等于质点的质量与加速度的乘积。等于质点的质量与加速度的乘积。注意:注意:质点的惯性力并不是质点本身受到的力,而是质点作用于施质点的惯性力并不是质点本身受到的力,而是质点作用于施 力物体上的力。力物体上的力。现在学习的是第5页,共56页m m运动
7、方程运动方程运动方程运动方程施施施施力力力力物物物物体体体体惯性力惯性力惯性力惯性力m m形式上的平衡方程,实质上的运动方程。形式上的平衡方程,实质上的运动方程。形式上的平衡方程,实质上的运动方程。形式上的平衡方程,实质上的运动方程。由牛顿第二定律可得由牛顿第二定律可得由牛顿第二定律可得由牛顿第二定律可得牛顿第二定律牛顿第二定律牛顿第二定律牛顿第二定律:质点受外力作用时,将产生运动加速度,加速度的方向与外质点受外力作用时,将产生运动加速度,加速度的方向与外质点受外力作用时,将产生运动加速度,加速度的方向与外质点受外力作用时,将产生运动加速度,加速度的方向与外力合力方向一致,其大小与合力的大小成
8、正比,与质点的质量成反比。即力合力方向一致,其大小与合力的大小成正比,与质点的质量成反比。即力合力方向一致,其大小与合力的大小成正比,与质点的质量成反比。即力合力方向一致,其大小与合力的大小成正比,与质点的质量成反比。即现在学习的是第6页,共56页 在在动动荷荷载载作作用用下下,结结构构的的动动力力反反应应(动动内内力力、动动位位移移等等)都都随随时时间间变变化化,它它除除与与动动力力荷荷载载的的变变化化规规律律有有关关外外,还还与与结结构构的的固固有有特特性性(自自振振频频率率、振振型和阻尼)有关。型和阻尼)有关。不同的结构,如果它们具有相同的阻尼、频率和振型,则在相同的荷不同的结构,如果它
9、们具有相同的阻尼、频率和振型,则在相同的荷载下具有相同的反应。可见,结构的固有特性能确定动力荷载下的反应,载下具有相同的反应。可见,结构的固有特性能确定动力荷载下的反应,故称之为故称之为结构的动力特性结构的动力特性。3 3动力反应的特点动力反应的特点4 4结构动力计算的目的结构动力计算的目的 研究结构在动荷载作用下的反应规律,找出动荷载作用下结构的研究结构在动荷载作用下的反应规律,找出动荷载作用下结构的最大动最大动内力内力和和最大动位移最大动位移,为结构的动力可靠性设计提供依据。,为结构的动力可靠性设计提供依据。现在学习的是第7页,共56页 1940 1940年美国西海岸华盛顿州建成了一座当时
10、位居世界第三的年美国西海岸华盛顿州建成了一座当时位居世界第三的TacomaTacoma大桥,大桥中央跨距为大桥,大桥中央跨距为853853米,为悬索桥结构,设计可以抗米,为悬索桥结构,设计可以抗6060米米/秒秒的大风,但不幸的是大桥刚建成四个月就在的大风,但不幸的是大桥刚建成四个月就在1919米米/秒的小风吹拂下整体塌毁。秒的小风吹拂下整体塌毁。其根本原因在于风旋涡脱落的频率与悬索桥板的固有频率一致,从而产其根本原因在于风旋涡脱落的频率与悬索桥板的固有频率一致,从而产生了强烈的生了强烈的共振共振。因此尽管桥塌毁的这天风并不是很大,但却吹垮了整座大桥。因此尽管桥塌毁的这天风并不是很大,但却吹垮
11、了整座大桥。现在学习的是第8页,共56页强迫振动强迫振动:结构在动荷载作用下产生的振动。研究结构的强迫振结构在动荷载作用下产生的振动。研究结构的强迫振 动,可得到结构的动力反应。动,可得到结构的动力反应。三三、自由振动和强迫振动自由振动和强迫振动自由振动自由振动:结构在没有动荷载作用时,由初速度、初位移所引起的结构在没有动荷载作用时,由初速度、初位移所引起的 振动。研究结构的自由振动,可得到结构的自振频率、振动。研究结构的自由振动,可得到结构的自振频率、振型和阻尼参数。振型和阻尼参数。现在学习的是第9页,共56页四四、动力计算中体系的自由度动力计算中体系的自由度1.1.自由度的定义自由度的定义
12、 确定体系运动过程中任一时刻确定体系运动过程中任一时刻全部质量全部质量位置所需的位置所需的独立几何参数数目独立几何参数数目,称,称为体系的自由度。为体系的自由度。根据自由度的数目,结构可分为单自由度体系,多自由度体系和无根据自由度的数目,结构可分为单自由度体系,多自由度体系和无限自由度体系。限自由度体系。2.2.实际结构自由度的简化方法实际结构自由度的简化方法 为分析计算方便,往往将具有无限自由度体系的实际结构简化为为分析计算方便,往往将具有无限自由度体系的实际结构简化为有限自由度。常用的简化方法有:有限自由度。常用的简化方法有:现在学习的是第10页,共56页 将连续分布的结构质量按一定的力学
13、原则集中到若干几何点上,使结构只将连续分布的结构质量按一定的力学原则集中到若干几何点上,使结构只在这些点上有质量在这些点上有质量,除这些点之外物体是无质量的除这些点之外物体是无质量的。从而把一个无限从而把一个无限自由度问题简化为有限自由度问题。自由度问题简化为有限自由度问题。(1 1)集中质量法)集中质量法本章主要讨论集中质量法。本章主要讨论集中质量法。现在学习的是第11页,共56页(2 2)广义坐标法广义坐标法 -广义坐标广义坐标广义坐标广义坐标-满足位移边界条件的形状函数满足位移边界条件的形状函数(3 3)有限元法)有限元法 综合了集中质量法和广义坐标法的特点综合了集中质量法和广义坐标法的
14、特点,将实际结构离散为有限个单元的集合,以结点将实际结构离散为有限个单元的集合,以结点位移作为广义坐标,将无限自由度问题化为有位移作为广义坐标,将无限自由度问题化为有限自由度问题。限自由度问题。广义坐标个数即广义坐标个数即为自由度个数为自由度个数结点位移个数即结点位移个数即为自由度个数为自由度个数现在学习的是第12页,共56页3.3.自由度的确定自由度的确定 1)1)平面上的一个质点平面上的一个质点W=2W=22)2)2)2)W=2W=2弹性支座不减少动力自由度弹性支座不减少动力自由度3)3)3)3)计轴变时计轴变时W=2W=2不计轴变时不计轴变时 W=1W=1为减少动力自由度,梁与刚架不为减
15、少动力自由度,梁与刚架不计轴向变形。计轴向变形。4)4)4)4)W=1W=15)5)5)5)W=2W=2现在学习的是第13页,共56页7)7)7)7)W=1W=1自由度数与质点个数无关,但自由度数与质点个数无关,但不大于质点个数的不大于质点个数的2 2倍。倍。6)6)6)6)W=2W=28)8)8)8)平面上的一个刚体平面上的一个刚体平面上的一个刚体平面上的一个刚体W=3W=39)9)9)9)弹性地面上的平面刚体弹性地面上的平面刚体弹性地面上的平面刚体弹性地面上的平面刚体W=3W=3W=2W=210)10)10)10)现在学习的是第14页,共56页W=1W=111)11)11)11)12)12
16、)12)12)W=13W=13自由度为自由度为自由度为自由度为1 1 1 1的体系称作单自由度体系;的体系称作单自由度体系;的体系称作单自由度体系;的体系称作单自由度体系;自由度大于自由度大于自由度大于自由度大于1 1 1 1的体系称作多(有限)自由度体系的体系称作多(有限)自由度体系的体系称作多(有限)自由度体系的体系称作多(有限)自由度体系;自由度无限多的体系为无限自由度体系。自由度无限多的体系为无限自由度体系。自由度无限多的体系为无限自由度体系。自由度无限多的体系为无限自由度体系。现在学习的是第15页,共56页 W=3 W=3W=1W=1不计轴向变形不计轴向变形:W=1:W=1W=1W=
17、1现在学习的是第16页,共56页结论:结论:结构自由度数目与质点的个数无关结构自由度数目与质点的个数无关 结构自由度数目与超静定次数无关结构自由度数目与超静定次数无关考虑轴向变形后各计算简图的动力自由度数是多少?考虑轴向变形后各计算简图的动力自由度数是多少?思考:思考:现在学习的是第17页,共56页10.2 单自由度体系的自由振动(不计阻尼)单自由度体系的自由振动(不计阻尼)实际上,工程中很多问题可化成单自由度体系进行动力分析或进实际上,工程中很多问题可化成单自由度体系进行动力分析或进行初步估算。单自由度体系的动力分析是多自由度体系动力分析的基行初步估算。单自由度体系的动力分析是多自由度体系动
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