结构力学 10. 结构的动力计算1

结构力学常用的三种计算方法
结构力学常用的三种计算方法是：
1. 力系平衡或运动条件――平衡方程。

2. 变形的几何连续条件――变形协调方程。

3. 应力应变关系――本构方程。

此外，结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。

结构力学通常有三种分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。

第一章概述1．动力荷载类型：根据何在是否随时间变化，或随时间变化速率的不同，荷载分为静荷载和动荷载根据荷载是否已预先确定，动荷载可以分为两类：确定性（非随机）荷载和非确定性（随机）荷载。

确定性荷载是荷载随时间的变化规律已预先确定，是完全已知的时间过程；非确定性荷载是荷载随时间变化的规律预先不可以确定，是一种随机过程。

根据荷载随时间的变化规律，动荷载可以分为两类：周期荷载和非周期荷载。

根据结构对不同荷载的反应特点或采用的动力分析方法不同，周期荷载分为简谐荷载（机器转动引起的不平衡力）和非简谐周期荷载（螺旋桨产生的推力）；非周期荷载分为冲击荷载（爆炸引起的冲击波）和一般任意荷载（地震引起的地震动）。

2．结构动力学与静力学的主要区别：惯性力的出现或者说考虑惯性力的影响3．结构动力学计算的特点：①动力反应要计算全部时间点上的一系列解，比静力问题复杂且要消耗更多的计算时间②于静力问题相比，由于动力反应中结构的位置随时间迅速变化，从而产生惯性力，惯性力对结构的反应又产生重要的影响4．结构离散化方法：将无限自由度问题转化为有限自由度问题集中质量法：是结构分析中最常用的处理方法，把连续分布的质量集中到质点，采用真实的物理量，具有直接直观的优点。

广义坐标法：广义坐标是形函数的幅值，有时没有明确的物理意义，但是比较方便快捷。

有限元法：综合了集中质量法与广义坐标法的特点，是广义坐标的一种特殊应用，形函数是针对整个结构定义的；有限元采用具有明确物理意义的参数作为广义坐标，形函数是定义在分片区域的。

①与广义坐标法相似，有限元法采用了形函数的概念，但不同于广义坐标法在全部体系(结构)上插值(即定义形函数),而是采用了分片的插值(即定义分片形函数)，因此形函数的公式(形状)可以相对简单。

②与集中质量法相比，有限元法中的广义坐标也采用了真实的物理量，具有直接直观的优点。

5．结构的动力特性：自振频率、振型、阻尼第二章分析动力学基础及运动方程的建立1．广义坐标：能决定质点系几何位置的彼此独立的量；必须是相互独立的参数2．约束：对非自由系各质点的位置和速度所加的几何或运动学的限制；(从几何或运动学方面限制质点运动的设施)3．结构动力自由度，与静力自由度的区别：结构中质量位置、运动的描述动力自由度：结构体系在任意瞬间的一切可能的变形中，决定全部质量位置所需要的独立参数的数目静力自由度：是指确定体系在空间中的位置所需要的独立参数的数目为了数学处理上的简单，人为在建立体系的简化模型时忽略了一些对惯性影响不大的因素确定结构动力自由度的方法：外加约束固定各质点，使体系所有质点均被固定所必需的最少外加约束的数目就等于其自由度4．有势力的概念与性质：有势力（保守力）：每一个力的大小和方向只决定于体系所有各质点的位置，体系从某一位置到另一位置所做的功只决定于质点的始末位置，而与各质点的运动路径无关。

结构力学的动力特性分析结构力学是工程学中重要的学科，它研究物体在外界作用力的作用下产生的力学行为及其相互关系。

动力特性分析是结构力学中的一个重要方向，它研究结构在外部激励下的振动特性以及对结构的影响。

本文将探讨结构力学的动力特性分析方法及其在实际工程中的应用。

一、动力特性分析的基本方法动力特性分析是研究结构振动行为的一种方法，它主要通过求解结构的固有频率、模态形态和频率响应等来描述结构对外界激励的响应情况。

以下是动力特性分析的基本方法：1. 固有频率分析：通过求解结构的本征值和本征向量，得到结构的固有频率和模态形态。

固有频率是结构在自由振动状态下的频率，也是结构振动的基本特性之一。

2. 频率响应分析：通过对结构施加外部激励，计算结构在不同频率下的响应特性。

频率响应分析可以帮助工程师了解结构对不同频率激励的响应情况，从而做出相应的优化设计。

3. 模态超几何分析：对于非线性结构或者多自由度结构，可以采用模态超几何分析方法来描述结构的动力特性。

该方法主要是在模态基础上引入非线性效应，研究结构在不同模态下的非线性行为。

二、动力特性分析的应用动力特性分析在工程实践中具有广泛的应用，以下是动力特性分析在各个领域的具体应用案例：1. 建筑工程：在建筑工程中，动力特性分析可以用于研究大楼、桥梁等结构的抗震性能。

通过分析结构的固有频率和模态形态，可以对结构进行合理的抗震设计，提高结构的地震安全性能。

2. 车辆工程：在汽车、火车等交通工具的设计中，动力特性分析可以用于优化车辆的悬挂系统、减震器等部件。

通过分析车辆在不同频率下的响应特性，可以改善车辆的行驶平稳性和乘坐舒适度。

3. 航空航天工程：在航空航天领域，动力特性分析可以用于研究飞机、火箭等载具的结构振动特性。

通过对结构的固有频率和模态形态的研究，可以对飞行器的结构强度和稳定性进行评估和设计。

4. 机械工程：在机械设计中，动力特性分析可以用于优化机械系统的结构和参数。

结构力学教学大纲英文名称：Structure Mechanics课程编号：课程类型：学科基础必修课总学时：90 学分：5.5适用对象：土木工程专业本科先修课程：高等数学、线性代数、理论力学、材料力学、计算机程序语言使用教材：《结构力学》（第一版），文国治，重庆大学出版社，2011.10，高等学校土木工程本科指导性专业规范配套系列教材。

参考书：1)《结构力学》（第四版上、下册），李廉锟，高教出版社，2004.07，全国优秀教材2)《结构力学》（上、下册），朱慈勉，高教出版社，2004，全国优秀教材3)《结构力学》，胡兴国，武汉工业大学出版社，2002。

4)《结构力学》（第二版上、下册），罗固源，重关大学出版社，2003.09，21世纪高等学校本科系列教材一、课程性质、目的和任务本课程是土木工程专业必修的一门主要的专业基础课。

本课程的教学目的是使学生在理论力学和材料力学的基础上进一步掌握分析计算杆件体系的基本原理和方法，了解各类结构的受力性能，培养结构分析与计算(包括手算与电算)方面的能力，为学习有关专业课程及进行结构设计和科学研究打下基础。

二、教学基本要求1）绪论了解结构计算简图及简化要点，荷载分类，约束和结点的类型和力学特性。

2)几何组成分析掌握平面几何不变体系的基本组成规律及其应用。

3)静定结构的受力分析灵活运用截面平衡法，熟练掌握梁和刚架内力图的作法以及桁架内力的计算方法，掌握静定组合结构和拱的内力的计算方法。

了解静定结构的力学特性。

4)虚功原理与结构的位移计算理解变形体虚功原理的内容及其应用，熟练掌握静定结构位移的计算方法，了解互等定理。

5)影响线理解影响线的概念，掌握作静定梁和桁架内力影响线的静力法，了解机动法。

会用影响线求移动荷载下结构的最大内力。

6)力法掌握力法的基本原理和用力法典型方程计算超静定结构在荷载、支座移动、温变作用下的内力。

会计算超静定结构的位移。

了解超静定结构的力学特性。

概念题1.1结构动力计算与静力计算的主要区别是什么？答：主要区别表现在：(1) 在动力分析中要计入惯性力，静力分析中无惯性力；(2) 在动力分析中，结构的内力、位移等是时间的函数，静力分析中则是不随时间变化的量；(3) 动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法一般与荷载类型无关。

1.2什么是动力自由度，确定体系动力自由度的目的是什么？答：确定体系在振动过程中任一时刻体系全部质量位置或变形形态所需要的独立参数的个数，称为体系的动力自由度 (质点处的基本位移未知量)。

确定动力自由度的目的是：(1) 根据自由度的数目确定所需建立的方程个数(运动方程数=自由度数)，自由度不同所用的分析方法也不同；(2) 因为结构的动力响应(动力内力和动位移) 与结构的动力特性有密切关系，而动力特性又与质量的可能位置有关。

1.3结构动力自由度与体系几何分析中的自由度有何区别？答：二者的区别是：几何组成分析中的自由度是确定刚体系位置所需独立参数的数目，分析的目的是要确定体系能否发生刚体运动。

结构动力分析自由度是确定结构上各质量位置所需的独立参数数目，分析的目的是要确定结构振动形状。

1.4结构的动力特性一般指什么？答：结构的动力特性是指：频率(周期)、振型和阻尼。

动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数(质量、刚度) 所确定的、表征结构动力响应特性的量。

动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。

1.5什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？答：振动过程的能量耗散称为阻尼。

产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。

当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。

阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假想力。

粘滞阻尼理论假定阻尼力与质量的速度成比例。

粘滞阻尼理论的优点是便于求解，但其缺点是与往往实际不符，为扬长避短，按能量等效原则将实际的阻尼耗能换算成粘滞阻尼理论的相关参数，这种阻尼假设称为等效粘滞阻尼。

（完整版）结构力学问答题总结概念题1.1 结构动力计算与静力计算的主要区别是什么？答：主要区别表现在：(1) 在动力分析中要计入惯性力，静力分析中无惯性力；(2) 在动力分析中，结构的内力、位移等是时间的函数，静力分析中则是不随时间变化的量；(3) 动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法一般与荷载类型无关。

1.2 什么是动力自由度，确定体系动力自由度的目的是什么？答：确定体系在振动过程中任一时刻体系全部质量位置或变形形态所需要的独立参数的个数，称为体系的动力自由度（质点处的基本位移未知量）。

确定动力自由度的目的是：(1) 根据自由度的数目确定所需建立的方程个数（运动方程数=自由度数），自由度不同所用的分析方法也不同；(2) 因为结构的动力响应（动力内力和动位移）与结构的动力特性有密切关系，而动力特性又与质量的可能位置有关。

1.3 结构动力自由度与体系几何分析中的自由度有何区别？答：二者的区别是：几何组成分析中的自由度是确定刚体系位置所需独立参数的数目，分析的目的是要确定体系能否发生刚体运动。

结构动力分析自由度是确定结构上各质量位置所需的独立参数数目，分析的目的是要确定结构振动形状。

1.4 结构的动力特性一般指什么？答：结构的动力特性是指：频率（周期）、振型和阻尼。

动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数（质量、刚度）所确定的、表征结构动力响应特性的量。

动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。

1.5 什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？答：振动过程的能量耗散称为阻尼。

产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。

当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。

阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假想力。

粘滞阻尼理论假定阻尼力与质量的速度成比例。

粘滞阻尼理论的优点是便于求解，但其缺点是与往往实际不符，为扬长避短，按能量等效原则将实际的阻尼耗能换算成粘滞阻尼理论的相关参数，这种阻尼假设称为等效粘滞阻尼。

结构力学的动力响应分析结构力学是研究物体在受力下产生变形和破坏的学科，而动力响应分析是结构力学的一个分支，专注于分析结构在动力载荷下的响应行为。

动力响应分析是工程领域中非常重要的研究内容之一，在设计和评估建筑物、桥梁、飞机等结构时起着关键作用。

本文将介绍结构力学的动力响应分析的基本原理和常用方法。

1. 动力响应分析的基本原理动力响应分析是基于动力学原理，通过建立结构的动力学方程，求解结构在动力载荷下的响应。

根据牛顿第二定律，结构的动力学方程可以描述为:m*a + c*v + k*u = F其中，m是结构的质量矩阵，a是结构的加速度，c是结构的阻尼矩阵，v是结构的速度，k是结构的刚度矩阵，u是结构的位移，F是结构的外力。

通过求解动力学方程，可以得到结构的加速度、速度和位移响应。

2. 动力响应分析的常用方法在实际应用中，有多种方法可以进行动力响应分析，下面介绍两种常用的方法：模态分析和时程分析。

2.1 模态分析模态分析是一种线性分析方法，通过求解结构的固有值和固有向量来描述结构的振动特性。

首先，通过求解结构的本征值问题，得到结构的固有值和固有向量。

然后，根据输入的外载荷，通过模态叠加的方法计算结构的动力响应。

模态分析适用于求解结构的频率响应和模态形态，对于周期性动力载荷较为有效。

2.2 时程分析时程分析是一种非线性分析方法，基于结构的动力学方程和具体的外载荷时程，通过数值积分的方法求解结构的动力响应。

时程分析可以模拟结构在任意形式的非线性动力载荷下的响应，适用于研究地震荷载、爆炸荷载等非周期性动力载荷。

3. 动力响应分析的应用动力响应分析在工程实践中有广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域。

3.1 地震工程地震是一种非常具有破坏性的动力载荷，对结构的安全性和可靠性提出了极高的要求。

动力响应分析可以用于评估结构在地震荷载下的响应，进而指导地震设计和加固措施。

3.2 桥梁工程桥梁是承受交通载荷和风载等多种动力载荷的结构，其动力响应分析可以用于评估桥梁的振动稳定性、疲劳寿命等性能，指导桥梁的设计和检测。