几何稳定性二力杆受力分析图？

点击联系发帖人 时间：2022-10-30 10:22

二力杆受力分析图

由郑哲敏院士领衔的多名院士起草的《自然科学学科发展之战略研究报告》中关于固体力学方面的研究现状和发展趋势，今天我们再来分享一下报告中给出的固体力学方面建议的着重研究的领域。

1. 材料的宏细微观本构理论与破坏过程

材料本构理论是固体力学的核心，是一切固体力学分析计算的基础。与流体力学中的湍流问题相类似，材料在外载作用下经变形、损伤到失稳或破坏过程是固体力学家自伽利略时代以来一直为之奋斗而尚未克服的难题。

该研究领域的主要难点在于破坏过程的跨学科性、多层次性和状态方程不清。宏、细、微观的结合为这项研究注入了新的生机。在某一细微观层次可初步封闭固体的状态方程，如利用原子结合力曲线的物理数据来封闭状态方程。在这一跨层次研究的认识下，固体力学家充分运用现代实验与计算技术的手段和近代数学的成就，将有希望解决这一难题。

首先，要针对不同材料及不同的加载条件和环境，发展相应的实验和测试的装置和手段，包括纳观和细观实验力学技术，在目标明确的实验观测中发现新现象和探索新规律；同时在理论上，发展非线性宏微观力学和分子固体力学等新分支学科领域；需要发展原子/连续介质的嵌套算法和细微观统计数值计算技术；还需要考虑辐射、磁场等因素作用的情况。

2. 制造工艺中的力学问题

在激光加工、金属连铸连轧、复合材料成型及多层微结构的封装等工艺中，需要考虑热、光、电、相变、固-流耦合变形等多种效应的变化和耦合，特别是对于将带来全球技术革命的微电子-微机械-微力学工程中微结构、微器件的封装和制作来说，更需要研究加工过程中及制成品的细观力学及智能行为，进行可靠性分析，才能设计出满意的制造工艺和技术。当然，传统的机械加工工艺中同样需要进行类似的研究。

材料与零件的表面处理，对改善其摩擦、磨损、防腐与疲劳性能有密切关系，而且对接触电阻也有重要影响。力学工作者可以在表面粗糙度、弹塑性接触问题、多层复合结构等方面，做出有价值的贡献。在有润滑液的情况下，还需考虑流体力学因素。

3. 岩土类材料的破坏与地质灾害的防治

岩土类材料多为具有群体不连续性的介质，其典型例子包括岩体介质、矿床介质、散体和混凝土。这些介质中由于缺陷、裂纹和裂隙的演化和串接，特别是伴随有水的渗流以及有地应力作用的情况下产生多种严重的地质灾害，如矿井崩塌、边坡失稳、地震发生、泥石流等等。这些现象所造成的灾害占全球尤其是我国国民经济损失的相当大的部分，如何认识其科学规律而进行安全防治对国计民生有重要影响。

这类灾害力学问题在科学问题上均可提炼成为具有群体缺陷、裂纹和裂隙的不连续介质、非均匀体的力学演化过程。研究的重点应放在现场观测和实验室模拟方面。研究的目的是为了识别灾害前的宏观可观测征兆，并为安全防范提供量测手段、理论基础与应用基础。

4. 结构的分析、优化、稳定性研究和安全评估

根据先进结构及重大工程要求，综合利用固体力学的基础理论和数据资料，探讨计算方法和数值仿真技术，分析和设计安全经济而优化的选材方案和结构形式，研究无损检测的理论和技术，并对老龄结构和工程(如飞机、建筑、桥梁、压力容器)的安全性提供评估和监测方法及规程，这里还包括基于检测到的信号进行反问题的分析。

结构稳定性的研究不仅要考虑平衡稳定性，而且要考虑动力稳定性。尤其对于受到冲击载荷或随时间变化的载荷作用下的系统，必须考虑惯性和应力波的效应。要借助非线性动力系统研究中关于Hopf分岔现象及奇异性分类的突变理论方面的进展，并且发展数值方法在多重奇点、多重分支的确定及再分岔的分支追踪等方面进行探讨。

5. 复合材料细观力学和性能控制

复合材料具有丰富的细观结构组合方式，对其细观力学的研究是当前复合材料力学研究的主要发展方向。研究内容包括界相力学、编织复合材料的细观力学建模、混凝土材料力学、灵敏复合材料力学，复合材料在拉伸、压缩、剪切、冲击、疲劳加载下的损伤演化过程，等等。

新一代结构复合材料采用结构承载层与敏感元件混排的方式，并利用敏感层的输出信号来监测复合材料的整体完整性。这为复合材料的力学计算及材料的优化设计提供了新的研究内容。

6. 流体-固体的非线性强耦合问题

考虑完全非线性的流固强耦合问题。在固体中考虑材料非线性与材料破坏，考虑大变形引起的几何非线性问题以及屈曲现象等。在流体中采用纳维-斯托克斯方程，考虑流体的分层、旋涡、晃动、空化、飞溅的复杂流动行为。在界面描述上需要融合欧拉坐标与拉格朗日坐标，在计算格式上力图兼顾有限元和差分法在处理流体运动和固体变形中的特长。发展真实、高效、高精度的流固界面模型。在流体激发振动问题上考虑复杂的结构阵列的复杂流体流动。发展可应用于典型工程流固耦合问题的分析软件。岩土是一类具有复杂裂纹和孔隙分布且有液、气占据裂隙的材料，其骨架的变形、破坏和裂隙中的流动是一类特殊的流、固耦合问题。

弹性波在层状介质中的折射和反射以及在含孔洞或裂隙介质中的衍射现象在地球物理勘探、无损检测及结构抗震和抗冲击等方面起着重要的作用，当物体受到冲击载荷的作用，因材料及载荷强度的不同，除了弹性波外还可能发生粘弹性波、弹塑性波、粘弹塑性波和间断波等，需要研究这些波的传播以及引起的损伤、破坏或其他效应。

近年来许多工程领域提出了结构在冲击载荷作用下的动力响应和破坏的问题，叫做“结构的耐撞性”(structural crashworthiness)。轻工业产品及农产品的包装运输是工业中损失严重的部分，实际上也属于这方面的问题。需要发展描述冲击变形和失效的力学模型和计算方法及软件，建立满足工程要求的结构耐撞性准则，并需要开发和设计各类耐撞材料和结构。

这里的一个基本问题属于材料的动态本构关系和破坏准则。需要发展各类冲击实验装置、高速摄影和超声技术以及具有高的时、空分辨率的测量应力和温度的探头；同时在理论上采用宏、细观结合的方法研究损伤的演化，从而提供实用的本构关系。

所有的运动机械部件普遍存在摩擦和磨损问题，材料的表面处理也和摩擦、磨损相关。它涉及很多基本的力学现象，包括：考虑弹塑性变形的接触问题、材料的疲劳、微细裂缝的失稳发展，碎末的形成和碎末垫层的缓冲作用、热塑性和相变效应等；在有润滑流体的情形是流固耦合的问题，而在高速运动的情况则有局部的冲击力学问题等。

本文由正脉科工摘录自郑哲敏院士领衔的多名院士起草的《自然科学学科发展之战略研究报告》。

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1. 建立墙单元时，膜和板两个选项有何区别？

墙单元（膜）：沿局部坐标系x轴方向的轴向刚度，沿局部坐标系z轴方向的剪切刚度以及绕局部坐标系y轴方向的面内抗弯刚度；

墙单元（板）：除具有墙单元（膜）所具有的三个刚度以外，还具有绕局部坐标系x轴和z轴方向的面外抗弯刚度。

墙单元（膜）用于模拟只受面内荷载的剪力墙，而墙单元（板）可用于模拟承受面内荷载和面外弯矩的一般墙体。

2. 能否用板单元模拟剪力墙？用板单元和墙单元建模有何差异？

可以用板单元模拟剪力墙。

midas Gen中的板单元可以考虑平面内及平面外刚度。当用板单元模拟剪力墙时，需将板单元细分，板单元划分的越细，计算结果越准确。

用板单元和用墙单元建立剪力墙，二者区别如下：

a．建立剪力墙时，节点连接顺序必须从底部两点开始沿顺时针或逆时针方向连接，剪力墙的上部或下部节点必须落在楼层所在的平面内。剪力墙只能为矩形，其所在的平面必须与整体坐标系Z轴平行。
与剪力墙相比，板单元要求则相对宽松。连接时只要按顺序依次连接即可，其形状不一定为矩形，其平面方向可以为任意方向。

b. 施加荷载时，板单元上可以施加面外荷载，如垂直于板单元平面的压力荷载，但剪力墙不能施加。

c. 墙单元作为建筑结构分析用单元，可以节省分析时间，但分析精度未必比将板单元细分的结果精确。

3. 薄板单元和厚板单元有何区别？

建立板单元时，板单元类型可以选择厚板和薄板。程序对于薄板和厚板进行计算时分别采用了两种不同的板理论。两种理论的主要差别是厚板理论考虑了剪切变形。

对于薄板，需要遵循一些假定：

a. 原垂直于板中面的线段仍垂直于变形后的中面；

b. 垂直于中面的剪应力远小于平行于中面的应力分量，故可以忽略；

c. 在垂直于板中面的荷载作用下发生弯曲时，板中面不受拉伸。

而对于厚板，由于考虑了剪切角，因而原垂直于板中面的线段变形后并不垂直于变形后的中面。

薄板是指板厚远小于平面尺寸的板，一般当板厚h与平面尺寸L之比小于1/10时，即认为薄板。由于其在计算时做了一些假定，因而如果按照厚板来计算，结果会更加准确。

4. 弹性连接中的刚性与刚性连接有何区别？

弹性连接是具有六个自由度的弹簧单元，由两个节点构成，这两个节点作用相同，节点之间相对位移由弹性连接的刚度决定。

刚性连接是一种边界条件，是节点自由度耦合的一种方式。一个刚性连接由一个主节点由一个或者多个从属节点构成。强制从属节点从属于主节点，即其约束与主节点相同，从主节点间的相对位移由刚性连接的约束决定。

弹性连接中的刚性连接：约束所有的自由度
刚性连接：可以选择自由度进行约束

弹性连接中的刚性连接：连接的两个节点没有主从关系
刚性连接：连接的节点有主从关系，从属节点的自由度从属于主节点，从属节点的其他节点属性（节点质量、节点荷载）转换为主节点的节点属性分量

c. 进行施工阶段分析
弹性连接中的刚性连接：可以任意激活或钝化
刚性连接：只能激活，不能钝化

5. 节点质量和节点荷载有何区别

节点质量主要用于构建质量矩阵，进行特征值分析和反应谱分析；

节点荷载作为荷载，和其它荷载一样，将影响其所在荷载工况下的结果，包括节点位移以及构件内力等。如果模型中已经定义过将荷载转换为质量，则该质量会在结构总信息计算书中体现。

6. 程序中可以进行哪些稳定性分析

结构的破坏可归结于两个方面：材料破坏或者结构失稳。前者与材料强度有关，后者与结构的几何形状和尺寸有关。对于大跨空间结构，其稳定性分析是很重要的一个方面。结构的失稳可以分为分支点失稳和极值点失稳两类。

对于第一类失稳问题，可以直接通过程序的特征值屈曲分析功能进行计算。

对于第二类失稳问题，需要考虑结构的几何非线性或者材料非线性特性，可以通过几何非线性分析或Pushover分析来实现。

7. 进行特征值分析时，如何考虑索单元的初始刚度

特征值分析属于线性分析，如果模型中存在索单元这种非线性单元，在进行特征值分析时，程序会将索单元等价于桁架单元，由于索单元截面很小，不考虑初拉力的情况下，其刚度值很小，如果不进行任何处理，则计算得到的结构动力特性值会与实际值有很大出入。

可以在菜单“荷载>初始荷载>小位移>初始单元内力”中输入初始张力，则可以考虑该拉力对于索单元刚度的影响。

8. 分析时提示奇异的可能原因

midas Gen中进行分析时，可能出现如下几种错误提示或警告信息：

整体刚度矩阵的对角线项中有个别数值太小，使结构变得不稳定，矩阵计算时可能发生数值误差，给出该警告。与单元本身的刚度相比，由于边界条件输入错误发生的可能性更大。
满足刚度矩阵的容差，但刚度过小或荷载过大时，导致位移结果非常大（超过100m）时，给出该警告。

无法保证单元的刚度时经常出现该种错误。
其产生原因，可归纳为如下几种：
1）构件的材料和截面信息输入有误
3）边界条件中约束不够
该问题常见于桁架结构，例如某桁架结构底端铰接，在某一节点处施加桁架平面外方向节点荷载。此时结构为可变机构，因而会出现奇异。
另外，如果结构中存在交叉分割的桁架单元，会出现奇异。
如果结构中出现“零杆”，程序会提示奇异。
该问题常用于当结构中某一层考虑了刚性楼板假定，又定义了其他约束，二者矛盾，程序会自动解除这些约束。例如某模型的1F处考虑刚性楼板假定时，程序会自动解除该层所有的从属节点的两个评议自由度DX，DY和绕Z轴的扭转自由度，导致分析奇异。

9. 分析时提示内存不足的解决办法？

Windows系统中，一个软件可以使用的内存的默认值为2GB，可以通过下文方法进行设置后，将其增加到3GB。因而，如果用户电脑的内存容量为2G，不能应用该方法。对于32位的Win7系统，内存为4G的电脑将其内存容量增加到3GB的方法如下：

10. 如何利用地震波数据生成器计算地震波特征周期

1978年美国ATC-3规范中将阻尼比为5%的加速度反应谱取周期为0.1~0.5s之间的平均值为Sa，将阻尼比为5%的速度反应谱取周期为0.5~2s之间的平均值为Sv，之后按公式（1）、（2）、（3）即求得EPA、EPV、Tg。公式中常数2.5为阻尼比为0.05的加速度反应谱的平均放大系数。

下面以1940，el-centro 270Deg为例，说明如何利用地震波数据生成器校审地震波。

Import：可以导入人工波，仅支持*.dbs格式文件。可用记事本生成后保存为.bds格式。格式要求为，第一列为时间，第二列为加速度。中间用半角状态的逗号隔开。
Spectrum：谱类型，包括拟加速度，绝对加速度，拟速度，相对速度，相对位移，组合位移-速度-加速度；

（1）计算有效峰值加速度EPA
B．将文件保存为*.sgs格式文件
C．新建Excel表格，导入刚刚保存的拟加速度谱数据，并计算0.1-0.5s范围内的平均值并除以2.5，得到有效峰值加速度（2）计算有效峰值速度EPV

（2）计算有效峰值速度，计算方法同有效峰值加速度EPA，有两个区别：
A．生成谱数据为相对速度谱
B．计算有效峰值速度EPV时，取值为周期在0.5~2s范围内相对速度平均值除以2.5，得到有效峰值速度

（3）计算特征周期Tg，根据公式（3）计算可得。

1. 用户是否可以修改键盘快捷命令？

可以，可在菜单的窗口>工具栏>用户自定义工具栏>键盘中定义和设置。

2. PKPM中有荷载标准层和结构标准层，结构大师中的标准层与PKPM的概念有什么区别，操作时应注意什么？

结构大师中的结构标准层比PKPM的更自由开放一些，只要平面布置相同即可定义为一个结构标准层，构件截面尺寸和材料强度等级可以不同。结构大师的结构标准层概念涵盖了PKPM的结构标准层概念又提供了更自由方便的定义。

3. 如何设置局部错层结构？

当错层高度较大时，可以按两个楼层进行定义；错层高度较小时，可按同一楼层定义并降板。注意降板只影响施工图结果，不影响分析和设计结果。

4. 对于在坡地上的建筑，底层柱不等高如何建模，底层嵌固问题如何考虑？

可在不等高位置建立节点，然后建立构件时利用两点方法定义不等高柱，并将这些节点用边界>支承命令固接即可。

5. 程序遮挡面是指什么？与背风面有什么区别？

遮挡面是指定不受风荷载的面。指定遮挡面时，程序将从总的风荷载大小中扣除相当于遮挡面的面积×在荷载控制>风荷载中定义的背风面遮挡体型系数的风荷载。

6. 怎么考虑土刚度对地下室的影响？

程序自动约束地下室顶板的平动位移和平面内转动位移。如果要考虑真实的约束效果，需要解除该楼层的地下室横向约束（在结构>标准层和楼层中解除），然后在地下室周边建立节点，并用弹性连接进行约束。弹性连接的刚度输入真实的土的刚度即可。一般土的刚度很难准确确定，所以建议采用程序中提供的自动约束的方法。

7. 活荷载不利布置程序是如何实现的？

将每个房间的楼面荷载都作为一个荷载工况计算，所谓不利布置就是计算出所有可能的荷载组合取其最不利的结果。

8. 结构大师中风荷载是施加在层的刚心还是质心？程序是如何判断的？

当指定为刚性楼板时，风荷载的合力作用在层几何中心上，然后再换算到刚心上；当指定为弹性板时，风荷载将均匀分布在楼层竖向构件的节点上。

9. 用双偏压计算柱时，轴力和两个方向的弯矩是否取的都是各种组合下的最大值？

程序是取同一种荷载组合的结果内力进行设计的，即计算每一种荷载组合的结果，最终输出最不利的配筋结果。

10. 梁的弹性绝对挠度、弹性相对挠度和绝对挠度的概念和应用分别是什么？

梁的弹性绝对挠度是按梁的弹性刚度来计算的，该挠度值是按有限元方法分析的构件竖向位移值，且该值没有考虑梁的实配钢筋的影响，但对于钢梁可以直接使用；

梁的长期挠度是按照《混规》第7.2节的方法计算的，且考虑了实配钢筋的影响，实配钢筋是通过超配筋系数考虑的，这个挠度值对于混凝土梁可以直接使用；

梁的弹性相对挠度是指以梁两个支座位移连线为基线，在得到绝对挠度的基础上计算出跨中相对基线的位移值，梁的长期挠度计算时，是按梁支座不发生位移考虑的。

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