《结构分析中的内力与位移》课件

结构分析中的内力与位移本课程将带领大家深入了解结构分析中的内力与位移，并探讨其在工程实践中的应用课程导学为什么学习内力与位移结构安全优化设计了解内力与位移对于保障结构安全至关重要通过计算和分析，可内力与位移分析可以帮助工程师优化结构设计，减少材料使用，降以预测结构在荷载作用下的响应，并采取措施防止结构失效低成本，提高效率，从而实现经济效益和社会效益的双赢结构分析的基本概念与意义结构分析是工程领域的基础学科，旨在研究结构在荷载作用下的力学行为它涉及内力的计算、位移的预测、结构刚度和稳定性的评估等方面结构受力的基本类型集中荷载分布荷载动态荷载作用在结构上很小的区域，例如机器、吊作用在结构上较大的区域，例如自重、风随时间变化的荷载，例如地震荷载、车辆车等荷载、雪荷载等荷载等静定结构与不静定结构静定结构不静定结构结构的内力可以直接通过平衡方程求解，不需要考虑变形结构的内力不能直接通过平衡方程求解，需要考虑变形，并引入变形协调条件内力的定义与基本特征内力是指结构内部各部分之间相互作用的力它反映了结构在荷载作用下的内在受力状态，是结构分析中的重要概念内力的分类轴力1作用在杆件轴线方向的内力，又称拉力或压力剪力2作用在杆件截面上的内力，与截面垂直弯矩3作用在杆件截面上的内力，使杆件发生弯曲扭矩4作用在杆件截面上的内力，使杆件发生扭转剪力、轴力、弯矩的概念剪力轴力弯矩是指截面两侧结构对截面的作用力，与截是指截面两侧结构对截面的作用力，沿着是指截面两侧结构对截面的作用力矩，使面垂直杆件轴线方向杆件发生弯曲内力图的绘制方法内力图是将结构在不同截面处的内力大小和方向以图形的形式表示出来，它可以直观地反映结构的受力状态，便于分析和设计内力图的基本步骤确定截面在结构上选取若干个代表性截面分析荷载分析截面两侧的荷载，包括集中荷载、分布荷载等平衡方程根据平衡方程，求解截面处的内力绘制图形将不同截面处的内力大小和方向绘制在坐标轴上，形成内力图剪力图的解读剪力图可以反映结构在不同截面处的剪力大小和方向，从而判断结构的剪力强度和剪切变形情况轴力图的解读轴力图可以反映结构在不同截面处的轴力大小和方向，从而判断结构的拉伸强度和压缩强度，以及拉伸和压缩变形情况弯矩图的解读弯矩图可以反映结构在不同截面处的弯矩大小和方向，从而判断结构的弯曲强度和弯曲变形情况，以及可能出现裂缝的位置位移的基本概念位移是指结构在荷载作用下发生的形状和位置变化它反映了结构的变形程度，是结构分析的重要指标位移的类型线位移角位移是指结构上某一点在空间中的移动距离是指结构上某一点绕空间某一轴的旋转角度平移位移与转动位移平移位移转动位移是指结构上某一点沿直线方向的移动距离是指结构上某一点绕某一轴的旋转角度位移的测量方法直接测量法1使用尺子、钢尺等工具直接测量结构的位移间接测量法2使用位移传感器、应变片等仪器间接测量结构的位移变形与应变的关系变形是指结构在荷载作用下发生的形状和尺寸变化，而应变是指材料在变形过程中产生的相对长度变化，是变形量的度量指标结构变形的基本规律胡克定律叠加原理在弹性范围内，应力和应变成正多个荷载作用下，结构的变形是比各个荷载单独作用下变形之和互易定理作用在结构上的两个荷载，其位移互为倒数杆件受拉压时的变形特点拉伸压缩杆件长度增加，横截面尺寸减小杆件长度减小，横截面尺寸增加梁的挠曲变形分析梁在弯矩作用下，会产生挠曲变形，即横截面发生弯曲，梁的轴线不再直线，形成曲线应力应变关系曲线-应力应变关系曲线反映了材料在受力过程中的应力与应变之间的关系，可以用来-判断材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等性能指标弹性变形与塑性变形弹性变形塑性变形荷载去除后，材料能够恢复原状的变形荷载去除后，材料不能完全恢复原状的变形结构刚度的概念结构刚度是指结构抵抗变形的能力刚度越大，结构在荷载作用下发生的变形越小应力集中的影响应力集中是指在结构的某些部位，应力值显著高于其他部位的现象应力集中会导致结构的强度降低，甚至发生断裂结构内力计算的基本原理结构内力计算的基本原理是平衡原理，即结构在荷载作用下，处于平衡状态，内力与外力相互平衡平衡方程的建立根据平衡原理，可以建立结构的平衡方程，即力矩平衡方程和力平衡方程，用来求解结构的内力静力学平衡条件力的平衡作用在结构上的所有力的合力为零力矩的平衡作用在结构上的所有力的合力矩为零解析法计算内力解析法是利用平衡方程直接求解结构的内力，适用于静定结构的内力计算图解法计算内力图解法是利用力多边形和力矩图来求解结构的内力，适用于静定结构和某些简单的不静定结构的内力计算计算机辅助内力分析随着计算机技术的发展，计算机辅助内力分析软件越来越广泛地应用于结构分析领域，可以快速、高效地进行内力计算和位移预测位移计算的基本方法位移计算的基本方法包括解析法、能量法、数值法等，根据结构类型和荷载类型选择合适的方法进行计算能量法计算位移能量法是利用结构的应变能来计算位移，适用于弹性范围内结构的位移计算最小势能原理最小势能原理指出，结构的平衡状态对应于结构势能的最小值该原理是能量法计算位移的理论基础虚功原理虚功原理指出，结构在平衡状态下，作用在结构上的外力做的虚功等于内力做的虚功该原理可以用来计算结构的位移和内力应变能计算应变能是指结构在变形过程中存储的能量，可以用来计算结构的位移结构内力与位移的关系结构内力与位移之间存在着密切的关系内力的大小和方向决定了结构的变形程度，而位移的大小和方向又影响了结构的内力分布本构关系与材料特性本构关系是指材料的应力与应变之间的关系，它反映了材料在受力过程中的力学特性，是结构分析的重要依据线弹性理论基础线弹性理论是结构分析的基础理论之一，它假设材料在弹性范围内，应力和应变之间呈线性关系，并忽略材料的塑性变形结构承载力分析结构承载力分析是用来判断结构在荷载作用下是否能安全承受，即结构在失效之前能够承受的最大荷载值结构极限状态强度极限状态稳定极限状态12结构的材料强度不足，发生断结构丧失稳定性，发生倾覆或裂或屈服失稳疲劳极限状态3结构在反复荷载作用下发生疲劳破坏安全系数的概念安全系数是指结构的实际承载能力与设计荷载之比，用来衡量结构的安全裕度安全系数的取值应根据结构类型、荷载类型、材料特性等因素确定位移约束条件位移约束条件是指结构在荷载作用下，其位移受到限制的条件约束条件会影响结构的内力分布和变形情况结构变形的容许值结构变形的容许值是指结构在荷载作用下，其变形可以接受的最大值容许值的取值应根据结构类型、使用功能、荷载类型等因素确定内力计算中的简化假设在内力计算中，为了简化计算，会做出一些假设，例如材料的线弹性假设、截面形状的假设、荷载作用形式的假设等这些假设会影响计算结果的精度，因此需要根据实际情况选择合适的假设结构分析中的计算软件目前，市场上有很多结构分析软件，如、、等，它们可ANSYS ABAQUSSAP2000以帮助工程师进行结构内力计算、位移预测、结构优化设计等工作在结构分析中的应用ANSYS是一款功能强大的有限元分析软件，在结构分析领域应用广泛，可以用于ANSYS各种结构的内力计算、位移预测、结构优化设计等有限元分析基本原理有限元分析是将结构划分为多个小的单元，然后利用单元的力学特性和节点的位移关系，建立方程组，求解结构的内力与位移内力与位移的数值模拟利用有限元分析软件进行数值模拟，可以获得结构的内力分布、位移情况、应力集中等信息，从而对结构进行分析和评估实验测量与理论分析实验测量是验证理论分析结果的一种重要手段，通过实测结构的内力、位移等参数，可以验证理论分析的准确性，并为结构设计提供更可靠的依据应变测量技术应变测量技术是利用应变片来测量结构的应变，从而间接计算结构的内力应变片是一种敏感的应变传感器，可以将应变转换成电信号，方便测量和分析位移传感器的使用位移传感器是用来测量结构的位移的装置，可以分为接触式和非接触式两种接触式位移传感器需要与结构接触，而非接触式位移传感器则可以远程测量结构的位移实际工程中的内力分析案例内力分析在实际工程中有着广泛的应用，例如桥梁结构内力分析、建筑结构的位移控制、工程结构安全评估等桥梁结构内力分析桥梁结构内力分析是桥梁设计和施工的重要环节，需要考虑桥梁的自重、车辆荷载、风荷载等因素，确保桥梁结构的安全可靠建筑结构的位移控制建筑结构的位移控制是保证建筑结构安全和使用功能的重要方面，需要根据建筑物的用途、高度、荷载等因素进行设计，确保建筑物在荷载作用下不会发生过大的变形工程结构安全评估工程结构安全评估是用来判断结构的安全状况，并提出安全建议的活动评估方法包括现场勘察、资料查阅、理论分析、实验测试等结构分析的发展趋势随着科技的发展，结构分析领域不断涌现新的理论和技术，例如人工智能、大数据、云计算等技术的应用，将为结构分析带来新的发展方向新材料与新技术的影响新材料的应用会带来新的结构分析问题，需要开发新的理论和方法来进行分析和评估同时，新技术的应用也会推动结构分析领域的发展课程总结与关键知识点内力与位移的概念了解内力和位移的定义、类型、测量方法和计算方法结构分析的基本原理掌握平衡原理、能量法、有限元分析等结构分析方法结构安全和变形控制了解结构的极限状态、安全系数、位移约束条件和变形容许值实际工程中的应用能够将结构分析理论应用于实际工程案例，进行内力计算、位移预测和结构评估思考与讨论本课程结束后，希望大家能够积极思考，将所学的知识应用于实际问题，并与同学进行讨论，共同进步。