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1、第9章 建筑力学的计算机软件简介,返回总目录,理论力学问题求解器简介 材料力学问题求解器简介 结构力学问题求解器,本章内容,教学要求：了解理论力学求解器、材料力学求解器和结构力学求解器的功能和基本操作方法，学会利用这些软件求解相应的结构计算问题。,常用的建筑力学的计算机软件基本上涉及三大力学，包括理论力学问题求解器、材料力学问题求解器以及结构力学问题求解器，本章将分别对它们做简要的介绍和举例说明。,本节介绍的理论力学问题求解器由上海交通大学工程力学系研制，该求解器包括运动学分析、动力学分析以及静力学分析三部分。 下面讲述理论力学问题求解器的菜单。,理论力学问题求解器简介,1. 文件,运动学、静
2、力学、动力学部分的文件扩展名分别为*.xyy、*.xh、*.hxh。,2. 系统参数,(1) 物体(静力学/运动学/动力学)。 (2) 铰(静力学/运动学/动力学)，如图9.1所示。 (3) 铰参数修改(静力学/运动学/动力学)。,图9.1 铰,3. 图形操作,(1) 图形单位(静力学/运动学/动力学)，可以选择千米，米，分米，厘米(默认)，毫米，如图9.2所示。,理论力学问题求解器简介,图9.2 图形单位,(2) 图幅定义(静力学/运动学/动力学)，整个绘图区域的大小。程序默认为16001600。 (3) 原点定义(静力学/运动学/动力学)，定义绘图区域的基点(原点)坐标x与y。这个值是关于
3、屏幕坐标系，以屏幕左上角为(0,0)，向右为x轴正向，向下为y轴正向。 (4) 图形放大，缩小，还原(静力学/运动学/动力学)，控制图形大小，以获得最佳视觉效果。,4. 仿真计算,(1) 参数设定(静力学/运动学/动力学)。单击“仿真计算”菜单中的“参数设定”项，将弹出“计算参数”对话框。在“计算参数”对话框中需要输入计算精度，计算步长，计算起始时刻，计算终止时刻。 (2) 自由度分析(静力学/运动学/动力学)。单击“仿真计算”菜单中的“自由度分析”项，将弹出“消息”框告知系统自由度，单击“确认”按钮后将弹出“初始条件”对话框，在运动学分析程序中，这时需要输入的参数有驱动铰号或物体号，初始角速
4、度，初始角加速度。在动力学分析与静力学分析程序中，“初始条件”对话框需要输入的参数有物体号、坐标选择、初始位置及速度输入。 (3) 构型数据恢复(静力学/运动学/动力学)。由于输入时必然有误差, 整个系统的初始位置不一定准确, 该程序能够在自由度分析过程中自动进行准确装配。但如果输入误差太大，可能会装配失败或位置错位。这个菜单命令就是用来使系统恢复装配前姿态的。 (4) 计算/平衡位置分析(静力学/运动学/动力学)。根据输入数据进行计算。 (5) 运动数据输出(运动学/动力学)。将指定物体的计算结果以数值形式输出。在“静力学分析”程序中没有此项。,理论力学问题求解器简介,(6) 动画仿真(运动
5、学/动力学)。用动画图形来演示系统的运动情况。 (7) 平衡位置构型(静力学)。在绘图板区域输出系统平衡时的整体构型。此项仅在静力学分析程序中有。用“构型数据恢复”菜单命令可以恢复系统输入时的构型。 (8) 运动曲线输出(运动学/动力学)。用坐标图来演示的单一物体运动学输出数据。 (9) 运动数据输出(运动学/动力学)。用二维表将物体的选定运动数据计算结果以数值表形式输出。 (10) 理想约束力曲线(运动学/动力学)。用坐标图来演示系统的约束力情况。 (11) 理想约束力数据(静力学/运动学/动力学)。用二维表将某个约束力结果以数值形式汇总输出。,理论力学问题求解器简介,材料力学问题求解器简介
6、,本节介绍的材料力学问题求解器由清华大学研制。该求解器采用独特的人机交互输入方式，避免了填写繁琐的数据文件，而且可以分别就杆件的截面几何性质、弯曲强度、弯曲切应力、等强度简支梁、梁的位移、应力状态、组合受力、超静定梁、超静定桁架、超静定刚架、压杆稳定以及疲劳强度等问题进行分类考虑。求解器有详细的中文菜单目录指导用户操作，并提供了丰富的图形输入功能，有效地帮助输入与计算。,一、模块功能简介,1.截面几何性质,(1) 弯曲强度：本模块由3个子块组成“强度校核”、“截面设计”、“许用载荷”。 (2) 弯曲切应力：本模块用于多种截面简支梁在各种载荷作用下的最大切应力强度校核，可同时绘制剪力图和横截面上
7、的切应力分布图。 (3) 等强度简支梁：本模块用于等强度简支梁的设计。 (4) 梁的位移：“等截面梁”可计算各种支承静定梁在集中力、集中力偶和均布力作用下的挠度和转角，同时显示弯曲变形图。,2. 应力状态,(1) 组合受力：本模块由3个子块组成“弯扭组合”(圆轴)、“斜弯曲”和“偏心拉压”。 (2) 超静定梁：本模块用于求解多跨(两个支座之间称为一跨)超静定连续梁在各种载荷作用下的弯矩图，也可用于绘制静定梁的弯矩图。 (3) 超静定桁架：本模块用于求解静定和超静定桁架杆内力。使用本程序前，需对桁架的各杆以及各杆的两端点(节点)加以编号。 (4) 超静定刚架：本模块用于求解平面静定和超静定刚架的
8、弯矩图。使用本程序前，需对刚架的各杆以及多杆的两端点(节点)加以编号。 (5) 压杆稳定：本模块由3个子块组成“临界力计算”、“稳定校核”、“截面设计”： “临界力计算”可计算各种支承压杆的临界力。对于弹性范围采用欧拉公式；对于弹塑性失稳采用直线公式。 “稳定校核”采用安全因数法，即工作安全因数大于许用安全因数。 “截面设计”采用试算法。,材料力学问题求解器简介,二、操作实例,【例9.1】 进行等强度简支梁设计，设计条件见如下操作步骤。 操作步骤： (1) 单击“等强度简支梁”，如图9.3所示，进入后单击“等强度简支梁设计”，如图9.4所示。,材料力学问题求解器简介,图9.3 等强度简支梁,图
9、9.4 等强度简支梁设计,(2) 单击“梁的类型”，这里只有简支梁可供选择，输入“梁的长度”5000mm，如图9.5所示。,图9.5 梁的类型,(3) 单击“截面类型”，有矩形和圆形可供选择，这里选择矩形，输入“截面参数”，宽度定为200mm，如图9.6所示。,图9.6 截面类型,(4) 单击“材料参数”，输入材料的许用应力为25MPa，如图9.7所示。,图9.7 材料参数,材料力学问题求解器简介,(5) 单击“载荷信息”，输入荷载，有多个荷载的可以分别“添加”上去，一定记得最后要单击“应用”按钮，这里设简支梁受满跨均布荷载作用，均布荷载的集度为20kN/m，如图9.8所示。,图9.8 载荷信
10、息,(6) 全部输入完毕以后，单击“设计”按钮，得出结果，如图9.9所示。 (7) 最后还可以对该数据进行保存，单击“保存”按钮，指定相应的路径即可。,图9.8 载荷信息,材料力学问题求解器简介,【例9.2】 偏心拉压时的应力计算。 操作步骤： (1) 首先进入“偏心拉压”，如图9.10所示。 (2) 选择“截面类型”，输入“截面参数”，如图9.11所示。,图9.10 偏心拉压,图9.11 截面类型,(3) 输入“载荷信息”，如图9.12所示。,图9.12 载荷信息,材料力学问题求解器简介,(4) 单击“计算”按钮，得出结果，如图9.13所示。,图9.13 计算,(5) 最后还可以单击“保存”
11、按钮，对该题中的数据进行保存。,材料力学问题求解器简介,结构力学问题求解器,本节介绍的结构力学问题求解器(SM Solver)由清华大学土木系结构力学教研室研制。该求解器包括“编辑器”与“观览器”两部分。求解器的主要功能包括自动求解功能、智能求解功能以及一些辅助功能。此外，求解时能够做到图形与对象编辑相互对应，非常直观。,一、程序功能简介与计算步骤,SM Solver是结构力学辅助分析计算的通用程序，其主要功能如下：,1. 自动求解功能,(1) 平面体系的几何组成分析，对于可变体系可静态或动画显示机构模态。 (2) 平面静定结构和超静定结构的内力计算和位移计算，并绘制内力图和位移图。 (3)
12、平面结构的自由振动和弹性稳定分析，计算前若干阶频率和屈曲荷载，并静态或动画显示各阶振型和失稳模态。 (4) 平面结构的极限分析，求解极限荷载，并可静态或动画显示单向机构运动模态。 (5) 平面结构的影响线分析，并绘制影响线图。,2. 智能求解功能,(1) 平面体系的几何构造分析：按三刚片法则求解，给出求解步骤。 (2) 平面桁架的截面法：找出使指定杆为截面单杆的所有截面。 (3) 平面静定组合结构智能求解：给出求解步骤。 结构力学辅助分析计算的通用程序的计算步骤如下所述： (1) 在“命令”菜单中选择问题定义，确定开始一个新问题，并输入问题标题。 (2) 在“命令”菜单中输入有关结点坐标、单元
13、组成、单元有关参数、载荷参数及支座参数。 (3) 可在“命令”菜单选择变量定义。 (4) 在“求解”菜单中设置求解路径(一般不用设置，采用默认值即可)。 (5) 在“求解”菜单中选择几何组成、内力计算或位移计算等命令，可进行分析计算。 (6) 若欲观看结构图，可在“查看”菜单中选择“观览器”命令。 (7) 若欲保存文档，可在“文件”菜单中选择“保存”或“另存为”命令将该文件保存。 (8) 若欲对存在磁盘文件中的某设计做修改，可在“文件”菜单中选择“打开”命令将该文件调入，然后可仿照上述步骤对设计参数进行修改更新。,结构力学问题求解器,二、SM Solver通用程序的命令文档编辑器简介,命令文档
14、编辑器包括菜单命令和工具栏，其中菜单命令包括“文件”菜单、“编辑”菜单、“查看”菜单、“命令”菜单、“求解”菜单、“窗口”菜单以及“帮助”菜单；在应用程序窗口上端，菜单栏之下，可使鼠标更为方便地使用SM Solver许多工具。为隐藏或显示工具栏，可从“查看”菜单上选择“工具栏”命令。,三、操作实例,【例9.3】 以一个2跨2层的一榀框架计算为例来说明SM Solver的操作方法。该框架的左跨为8m，右跨为6m，层高均为4m，横梁上作用均布荷载，大小为1kN/m，如图9.14所示。,图9.14 框架结构,结构力学问题求解器,操作步骤 (1) 首先双击“SM Solver.exe”文件，然后双击看
15、到的界面即可进入操作，这时屏幕上显示出了“编辑器”和“观览器”，“编辑器”用来进行基本操作，“观览器”主要用于显示操作后的图形结果。 (2) 单击“编辑器”中的“命令”菜单，进行结点的定义，即输入各结点的坐标，单击“应用”以后在“观览器”中会有显示，输入完成以后单击“关闭”按钮，如图 9.15所示。,图9.15 结点定义,结构力学问题求解器,(3) 定义单元，根据已有的结点编号将单元用相应的连接方式连接起来，连接方式有铰接、刚接、自由等多种选择，这里所有的单元连接方式均为刚接，如图9.16所示。,图9.16 单元定义,(4) 定义约束条件，如图9.17所示。,图9.17 位移约束,结构力学问题
16、求解器,(5) 定义荷载，有多种荷载可供选择，本例中为均布荷载，如图9.18所示。,图9.18 荷载条件,(6) 定义材料性质，如图9.19所示。,图9.17 位移约束,结构力学问题求解器,(7) 单击“编辑器”中的“求解”菜单，单击“几何构造分析”，马上得到分析结果为有12个多余约束的几何不变体系，如图9.20所示。,图9.20 几何构造分析,结构力学问题求解器,(8) 在“求解”菜单中，单击“内力计算”，即可得出任一横截面的轴力、剪力和弯矩，要显示内力图，则在“内力显示”中选择“结构”(整体显示)或“单元”(分单元显示)，在“内力类型”中可选择显示“轴力图”、“剪力图”或“弯矩图”，如图9.21所示。,图9.21 内力分析,结构力学问题求解器,(9) 在“求解”菜单中，单击“位移计算”，即可得出任一横截面的位移，其中正号表示方向与 “观览器”中坐标系方向一致，负号则相反，转角位移以逆时针转动为正。可以在“位移显示”中选择“结构”显示整体的位移图，如图9.22所示。,图9.22 位移计算,结构力学问题求解器,(10) 计算完成以后可以
