光盘程序应用的准备工作,哈工大结构力学课件,王焕定.ppt

光盘程序应用的准备工作计算简图的数据化 为了利用配书光盘应用软件做习题或对实际结构进行受力、变形分析，首先必须掌握如何将要计算问题的几何参数、荷载情况和结构的物理特性等按程序要求组织成数据文件，由于各编程者的考虑出发点不同，对如何组织计算程序所需的数据文件也就不同，也即数据化的结果是不同的。这一用数据来描述需计算结构的工作，即所谓计算简图的数据化。 为了便于读者结合教材循序渐进地掌握本书所配软件的应用，没有采用统一的一个程序进行计算，而是根据不同结构的特点，用专用程序进行分析，因此下面将按不同结构分别介绍其数据化问题。 抛物线三铰拱受力分析的数据化为了对抛物线三铰拱进行受力计算，需要给程序提供如下数据信息：首先是提供几何尺寸信息（单位：m）:跨度，矢高。接着需要给出三铰拱所受的荷载信息(均布荷载单位：kN/m，向下为正；集中力单位：kN，竖向集中力向下为正，水平集中力向右为正；集中力偶单位:kN.m，顺时针转向为正）： 均布荷载为了描述它需要给出荷载集度、荷载作用起始点水平坐标（原点在左拱趾铰）和荷载分布长度。集中力不管是竖向还是水平的集中力，描述它需要两个数据：荷载的值，荷载作用点的水平坐标。集中力偶与集中力一样，需要两个数据：力偶矩的值，力偶作用点的水平坐标。 最后，根据所需计算内容，给出计算信息：如果是求指定截面内力，需要给出要求内力截面个数及截面的水平坐标；如果是计算并作内力图，这时可任意输入坐标值。 平面桁架受力分析的数据化对于桁架来说，在进行数据化之前，首先得对全部铰结点（以后统称为结点——node）进行编号，称为结点编码（或结点编号），对连接结点的桁架杆（以后统称为单元——element）也进行编号，称为单元编码（或单元号）。从后面的说明可以看出，为了减少数据化的作图或交互输入工作量，结点、单元编号应该尽可能规则。 桁架结构的数据化首先是结构图形的数据化，也即给出其几何描述。这包括需要给出各结点的坐标、约束信息和单元所连接的结点编号信息。对于实际桁架结构，结点较多而结间距是相等的，为了减少交互输入工作量，只要输入“控制结点”的坐标即可，那些沿直线等距离的“规则”结点坐标则只要给出其生成规律：生成类的起始结点号，终止结点号，需要生成的结点数，相邻两结点的点号差值，即可让程序自行自动生成。具体操作结合例题来说明。 对于连接结点的单元，程序要求将单元分类，凡属于同类的单元要求满足如下条件：编号相邻的单元两端结点编号的差值相同，也即起点号差值等于终点号差值，单元的材料弹性模量和截面面积相同。为了减少单元描述数据化工作量，在进行结点和单元编号时要考虑尽可能使单元可归类。在合理编号的基础上，对每一类单元通过交互输入该类信息：本类起始单元号，该单元起始点号和终止点号，同类相邻单元的点号差值，单元弹性模量和截面面积的类型号（对静定平面桁架受力分析，类型号均为1）。由于程序用最后一个单元号作判别条件，因此必须交互输入最后一各单元的信息。 有了结点、单元，还必须要有支座约束，为此必须输入支撑约束信息：约束结点的结点号和约束类型号。约束类型号结合例题说明。每类荷载始点的结点号，结点荷载的两坐标方向分量（沿坐标正向为正，顺序为先x向后y向，某方向无荷载为零，单位同拱中的说明），本类荷载终点结点号，本类任两相邻荷载的点号差值。除结构图形数据化外，为进行受力分析还必须给出结构所受的荷载信息。所需交互获取的信息为：结点荷载的类数； 对于受力分析来说，各单元的材料物理性能（弹性模量）和截面积和特性（横截面面积）可都取为1，且全部单元均为一类。当作位移计算和今后做超静定桁架分析时，如何数据化将届时再补充。完成上面的全部工作后，平面桁架受力分析的数据化工作全部完成。 多跨静定梁、静定刚架和组合结构受力分析的数据化多跨静定梁、静定刚架和组合结构等的数据化与桁架相似，因此相同的地方这里不再重复，只指出不同之处。首先说明一下本专用程序的一些约定：结构以结点可直观地分割成杆段，也即单元。凡支撑点、杆件交汇点均作为结构的结点，因此结点可分成铰结点、刚结点和组合结点三类。平面结构铰结点能发生两个沿坐标方向的独立位移，刚结点能发生两个坐标方向位移和一个绕结点转动的位移，总共三个独立位移，组合结点就位移数来说程序中当作刚结点处理。 对于单元根据其两端结点类型不同可以分成如下几类：1、两端铰结的二力杆单元；4、两端刚结的弯曲单元；5、起点铰结终点刚结的弯曲单元；6、终点铰结起点刚结的弯曲单元；9、两端铰结的弯曲单元。这里所以类型编号不连续，所缺类型单元是因为它们在这里三种结构中不用。 对这三类结构来说，除可能在结点处作用有荷载外（称为结点荷载，单位同拱中的说明，下同），在单元（杆件）上还可能作用有荷载（称为单元荷载）。本程序包含如下单元荷载类型：1、从起点开始，均布长度为（为单元长度）沿坐标方向（单元轴线为轴的右手系，称为单元局部坐标系）为正的横向（垂直杆轴）均布荷载；2、离起点处沿坐标方向为正作用的横向集中力；3、离起点处沿坐标方向为正作用的轴向集中力；4、从起点开始，均布长度为沿轴的轴向均布荷载，沿坐标正向为正；5、从起点开始，分布长度为的横向三角形分布荷载，沿坐标正向为正；6、离起点处沿右手系正向为正的集中力偶荷载。 基于这三点约定，显然和桁架将有所区别，下面就开始介绍数据化过程中与桁架不同之处。由于桁架全是铰结点，而现在这三类结构有多类结点，因此在考虑控制结点和由控制结点自动生成沿直线其他结点时，自然只能生成同类结点。所谓同类结点，其独立位移数必须相同。 同样，做单元所连结点描述时，所谓同类的单元除桁架时所指出的外，还必须单元类型号是相同的。单元描述的交互信息为：本类起始单元号，该单元起始点号和终止点号，同类相邻单元的点号差值，单元性质（弹性模量等）的类型号(对受力分析均为一类),单元类型号（这是有别于桁架的，如上所述对平面结构有5类单元）。 对于荷载来说，分结点荷载和单元荷载分别加以说明。结点荷载每结点可能有三个分量：沿对整个结构所建立的坐标、方向为正的集中力，到逆时针旋转为正的集中力偶（单位同拱中的说明）。对同类、规则结点荷载可由交互输入：始结点号，按上述顺序排列的三个结点荷载值（没有填零），终结点号，同类两结点荷载中相邻两点的点号差。 对于单元荷载，首先说明对于可由上述6类单元荷载叠加组成时，此单元上的荷载数目等于所参加叠加的荷载类数（书上习题一般不会出现这种情况，但是实际结构所受的荷载往往是这里所说的情况）。在交互描述每个单元荷载时所需输入的信息为：荷载值（单位同拱中说明，沿局部坐标正向为正），荷载位置系数，荷载所在的单元号，荷载类型号。 各单元的性质数据，因为现在有受弯单元，所以对每一类单元需要交互输入：弹性模量，截面惯性矩，截面面积。对组合结构中的桁架杆，其截面惯性矩可输入零。与桁架相似，由于现在只讨论静定结构受力分析，并不关心具体变形情况，所以弹性模量、惯性矩、面积均可输入为1，而且所有杆件均一样。 第三章中对数据化的补充说明因为变形和杆件（单元）的刚度（抗拉压、抗弯刚度）有关，因此交互输入单元性质和单元描述时，与第二章有所不同。为了正确绘制出结构的变形图形状，应该以某一单元的刚度为基准，其他单元的刚度以相对它的比值（称为相对刚度）来表示，结果的位移量应该除以基准实际刚度值。要同时考虑抗拉压、抗弯刚度时，还得考虑将抗拉压刚度以抗弯刚度来表示。对于手算习题中有不考虑轴向变形的条件，或个别体杆件抗弯刚度无穷大的情况，只要使其相对刚度为一很大值即可。 除此方法外，也可利用程序所提供的“相等位移”处理功能，通过交互信息输入为计算提供实现此条件的数据信息。具体交互获取的信息为：相等位移的局部编号，局部位移编号顺序为向位移、向位移和转角位移；相等位移的结点号集合（当是与支座某位移相等时，支座结点号必需是集合中第一个结点号）。必须说明的是，这一信息交互错误并不影响计算简图的正确性，但是它却要影响计算结果的正确性，因此必须很好检查，确保交互信息的正确。 如果想直接获得结构实际的变形大小，就不能只用刚度相对值，而必须用实际材料的弹性模量、截面惯性矩、截面面积等。此时实际变形的图形是很小的，后处理软件做出的变形图是放大后的结果，如不放大，因为变形很小，在屏幕上显示的变形图将和计算简图重合。 因为对静定结构支座移动（包括弹性支座）、温度改变虽不引起内力，但是将引起结构的位移，因此数据化时还需要补充相关信息。对于有已知支座位移的计算问题，在交互式作图安排约束时，需要通过交互获取如下信息：有位移支座结点的位移值，结点号，结点位移局部编号。结点位移局部编号的顺序为：1、x向位移，2、y向位移，3、转角位移（桁架时没有3）。对于弹性支撑，在交互式作图安排约束时，需要通过交互获取如下信息：支座弹簧刚度值，结点号，结点位移局部编号。 对于温度改变问题程序是作为单元荷载处理的，如果单元上下两侧温度分别为和，需事先将其变成两组单元荷载，一组为两侧等温，另一组为两侧温差，上侧下侧，其中。做了这样处理后，两侧等温作为第7种单元荷载，两侧温差作为第8种单元荷载。这时交互获取的信息为：温度值，线膨胀系数值，单元号，荷载类型号。 第四章对数据化的补充说明如果只关心最终结果，并不关心中间环节（单位内力图，力法、位移法得系数等），只要按第三章补充的进行数据化即可。如果反之，需要作出单位内力图及给出柔度或刚度系数值等，则首先需要确定基本结构对基本结构在单位荷载、广义荷载下按多工况（工作情况）进行数据化。这时对基本结构的数据化只要一次即可，而对于单位荷载、广义荷载等信息要按多工况进行循环，按工况号（基本未知量号，最后为广义荷载工况）分别交互输入相关信息。 本版本程序出于以免读者不再进行手算习题的演练，没有按力法、位移法给出手算过程的后处理结果，要想获得手算中间步骤结果，得从RES_DATA文件中去获得，要求出未知量值，还得要手算解方程。可见，目前还是不方便的。我们也不希望读者只利用计算机程序做习题，而忽略通过手算加深对结构力学原理、方法理解的倾向发生。因此建议读者不要试多工况计算分析。