结构力学是固体力学的一个分支,它主要研究工程结构受力和传力的规律,以及如何进行结构优化的学科,它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。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。
结构力学是一门古老的学科,又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量出现,向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。计算机的发展,又为结构力学提供了有力的计算工具。另一方面,结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就和结构力学的研究有密切关系。在固体力学领域中,材料力学给结构力学提供了必要的基本知识,d性力学和塑性力学是结构力学的理论基础。另外,结构力学与流体力学相结合形成边缘学科——结构流体d性力学。
评定结构的优劣,从力学角度看,主要是结构的强度和刚度。工程结构设计既要保证结构有足够的强度,又要保证它有足够的刚度。强度不够,结构容易破坏;刚度不够,结构容易皱损,或出现较大的振动,或产生较大的变形。皱损能够导致结构的变形破坏,振动能够缩短结构的使用寿命,皱损、振动、变形都会影响结构的使用性能,例如,降低机床的加工精度或减低控制系统的效率等。
观察自然界中的天然结构,如植物的根、茎和叶,动物的骨骼,蛋类的外壳,可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关,而且和它们的造型有密切的关系。很多工程结构是受到天然结构的启发而创制出来的。人们在结构力学研究的基础上,不断创造出新的结构造型。加劲结构(见加劲板壳)、夹层结构(见夹层板壳)等都是强度和刚度比较高的结构。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度,还要做到用料省、重量轻。减轻重量对某些工程尤为重要,如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。
结构静力学
结构静力学是结构力学中首先发展起来的分支,它主要研究工程结构在静载荷作用下的d塑性变形和应力状态,以及结构优化问题。静载荷是指不随时间变化的外加载荷,变化较慢的载荷,也可近似地看作静载荷。结构静力学是结构力学其他分支学科的基础。
结构动力学
结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。在动载荷作用下,结构内部的应力、应变及位移也必然是时间的函数。由于涉及时间因素,结构动力学的研究内容一般比结构静力学复杂的多。(见结构动力学)
结构稳定理论
结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支。现代工程中大量使用细长型和薄型结构,如细杆、薄板和薄壳。它们受压时,会在内部应力小于屈服极限的情况下发生失稳(皱损或曲屈),即结构产生过大的变形,从而降低以至完全丧失承载能力。大变形还会影响结构设计的其他要求,例如影响飞行器的空气动力学性能。结构稳定理论中最重要的内容是确定结构的失稳临界载荷。(见板壳稳定性)
结构断裂和疲劳理论
结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不可避免地存在裂纹,裂纹会在外载荷作用下扩展而引起断裂破坏,也会在幅值较小的交变载荷作用下扩展而引起疲劳破坏的学科。我们对断裂和疲劳的研究历史还不长,还不完善,但断裂和疲劳理论发展很快。
在结构力学对于各种工程结构的理论和实验研究中,针对研究对象还形成了一些研究领域,这方面主要有杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论三大类。整体结构是用整体原材料,经机械铣切或经化学腐蚀加工而成的结构,它对某些边界条件问题特别适用,常用作变厚度结构。随着科学技术的不断进展,又涌现出许多新型结构,比如20世纪中期出现的夹层结构和复合材料结构。(见复合材料力学)
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