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[力学架构] No.7.1力学架构结构力学求解器(SM)使用教程

   软件讲解示例之理论(电算/手算)分析思路:

1、结构建模,并完成结构假定,如定义梁端弯矩释放(详见第二章)。

2、线性屈曲分析(是否失稳破坏分析);

3、强度/挠度计算;(构件本身强度是否达标)

4、材料非线性模拟破坏全过程。(结构的性能化设计)

结构力学求解器(SM Solver of Windows)

    结构力学求解器是一个关于结构力学分析计算的计算机软件,其功能包括求解平面杆件结构(体系)的几何组成、静定和超静定结构的内力、位移,影响线、自由振动的自振频率和振型,以及弹性稳定等结构力学课程中所涉及的绝大部分问题。对几何可变体系可作静态或动态显示机构模态;能绘制结构内力图和位移图;能静态或动态显示结构自由振动的各阶振型和弹性稳定分析的失稳模态;能绘制结构的影响线图。

    结力求解器2D在力学架构竞赛中主要求解可取一半的对称结构进行计算分析,一般常见计算分析内容包括:结构内力、位移,以及弹性稳定。

    结力求解器3D在力学架构竞赛中主要是求解空间结构中的内力和位移计算,对于空间结构体系的弹性稳定计算,目前该求解器还不能完成计算,可将结构定性简化为二维平面从而利用结力求解器2D进行弹性稳定分析,也可通过其他有限元软件进行分析。

    下面主要讲解结构力学求解器的两种在力构竞赛中需要的操作方法,一种是界面GUI的操作方法,另一种则是半代码式的快速编写计算方法。

结构力学求解器界面使用方法(一)

    本小节主要讲解结构力学求解器2D的简要界面操作方法,建议单位统一为N、mm。

    第一步:点击打开软件,软件中分为图示的观览器和输入的编辑器。

    第二步:对结构进行建模。(注意:对结构进行建模前,需要对题目要求进行深入剖析,通过本指南第三章的内容学习,进行结构的初步概念设计,可记录在CAD中或者纸张中)

    建模的开始应该从 结点→单元→支座→荷载→材料属性 依次进行定义。

1.结点定义方法:

    依次输入结点,并点击应用,可在观览器中观察到结点生成,也可在编辑器内直接输入如下图所示。(注意:结点5的目的是为了方便施加荷载,做模型时,在施加荷载的地方多些结点,方便于结点集中荷载的输入。)

2.单元定义方法:

    通过结点如1-2的方式,连接结点,并通过设计想法对节点进行刚接或者铰接的处理,具体详见指南中第六章节点设计与处理。也可直接在界面内输入。

3.支座定义方法:

    支座类型对应了上图,可以根据比赛要求进行约束,所示放置于台面的应选择支座类型4,若是比赛要求中,有柱脚约束之类的,可按支座类型6进行设计。

4.荷载定义方法:

    点击荷载输入,并填写荷载施加结点码,类型、大小,荷载方向。本例输入集中荷载50N为例。

5.材料定义方法:

    首先结构的变形以及变形后内力的终态都与材料的弹性模量、界面属性有关,根据本指南表4-1,进行对应输入,由于通常竞赛仅做高跨比相对较小的杆件,因此可不考虑剪切刚度,构件的极限破坏形式通常是拉压或者弯曲破坏。

    取弹性模量E=9500N/mm2。若竖向构件选取的是单层0.5mm厚的界面杆件,水平构件选取双层0.5mm厚的界面杆件,截面边长均为10mm。

图 杆件截面示意图

    根据本指南的第五章5.3条中,快速计算方法中,可以分别计算得到I和A为:

    水平构件I1=0.666×(a-t)3×t =0.666×(10-0.5×2)3×(0.5×2)=485.5 mm4

    A1=4×(a-t)×t = 4×(10-0.5×2)×(0.5×2)=36 mm2

    竖向构件I2=0.666×(10-0.5)3×0.5=285.5 mm4

    A2=4×(10-0.5)×0.5=19 mm2

    可以分别得到水平构件的EI1=46612250 、EA1=342000、EI2=2712250 、EA2=180500。

注:抗剪刚度可以忽略是因为99.9%的杆件是桁架和梁杆件,通常是由拉压和弯控制,对于抗剪影响非常微小,可以忽略!如果一定要计算可以代该公式求G。

    第三步:结构内力、位移计算

    结构的内力和位移如上两图相同可以调出查看,对于构件验算,需要提取最大弯矩,如上图191.43N·mm,则构件的压弯拉等的正应力验算(可参照本书第五章):

如:构件抗弯验算:

    第四步:结构稳定性计算

    点击其他参数中的临界荷载,并选择求解数目为5,并从1阶求解开始。

   取第一屈曲模态中的临界荷载,即为结构的失稳临界荷载。由此可见,该结构的破坏并不是强度破坏控制,是失稳破坏控制,临界荷载在5.54N左右。

    对比强度可见,该结构若只按强度计算,可在比赛中极有可能造成失稳破坏而与计算完全不符,因此需要重视结构稳定计算。

    第五步:结构重量估算

对于设计的结构的估算,可先算该结构的体积,根据节点板数量可扩大1.1-1.2倍,然后乘以材料密度,本系列【JY】No.4力学架构材料特性与工具已经说明。

结构力学求解器使用方法(二)

此处为力学求解器代码输入及查询
先对结构的结点及单元进行编码,然后按以下诸项输入数椐:
1.结点定义——N,Nn,x,y
说明:例:N,1,0,0(与结点,1,0,0相同)
Nn---结点编码;
x---结点的x坐标;
y---结点的y坐标.
结构整体坐标系为xoy,一般取结构左下支座结点为坐标原点(0,0).

2.结点生成(即成批输入结点坐标)
NGEN,Ngen,Nincr,N1,N2,N12incr,Dx,DY
Ngen---结点生成的次数;
Nincr---每次生成的结点码增量;
N1、N2---基础结点范围;
N12incr---基础结点的编码增量;
Dx,DY---生成结点的x,y坐标增量.

3.单元定义
E,N1,N2[,DOF11,DOF12,DOF13,DOF21,DOF22,DOF23]
N1,N2---单元两端的结点码;
以下连接方式:1为连接,0为不连接;
DOF11,DOF12---分别为单元在杆端1处的x、y方向自由度的连接方式,缺省值=1;
DOF13---单元在杆端1处的转角方向自由度的连接方式

缺省值=0;
DOF21,DOF22---分别为单元在杆端2处的x、y方向自由度的连接方式,缺省值=1;
DOF23---单元在杆端2处的转角方向自由度的连接方式

缺省值=0.

4.单元生成(即成批输入单元两端的连接方式)
EGEN,Ngen,E1,E2,Nincr
Egen---生成次数;
E1,E2---基础单元范围;
Nincr---生成中单元两端点对应的结点码增量.

5.支座约束定义
NSUPT,Sn,Stype,Sdir,[,Sdisx,Sdisy,SdisR]
Sn---支座的结点码;
Stype---支座类型码;
Sdir---支座方向,以图示方向为零,绕结点逆时针旋转为正;
Sdisx---x方向的支座位移,缺省值=0;
Sdisy---y方向的支座位移,缺省值=0;
SdisR---转角方向的支座位移,缺省值=0.
以上(1)~(6)为支座类型码.


6.单元材料性质
ECHAR,ElemStart,ElemEnd,EA,EI,m
ElemStart---单元起始码;
ElemEnd---单元终止码;
EA,EI---分别为单元的抗拉和抗弯刚度;
m---单元的均布质量(kg/m).


7.结点荷载
NLOAD,Ln,Ltype,Lsize[,Ldir]
Ln---荷载作用的结点码;
Ltype---荷载类型;
Ltype=1(-1),集中荷载,指向(背离)结点;
Ltype=2(-2),逆时(顺时)针方向的集中力矩;
Lsize---荷载大小(kn,kn-m);
Ldir---荷载方向(度),仅当Ltype=1或-1时入,缺省值=0.
说明:竖向集中力,作用在结点上方时,取=-90,反之,取=90;
水平集中力,作用在结点左方时,取=0,反之,取=180.

8.单元荷载
ELOAD,Ln,Ltype,Lsize1[,Lpos1[Lpos2[,Ldir]]]
Ln---荷载作用的单元码;
Ltype---荷载类型;s
Ltype=1(-1),集中荷载,指向(背离)单元;
Ltype=2(2),逆时(顺时)针方向的集中力矩;
Ltype=3(-3),均布荷载,指向(背离)单元;
Lsize1---荷载大小;
Lpos1---荷载起点至单元杆端1的距离与单元杆长的比值

缺省值=0;
Lpos2---荷载终点至单元杆端1的距离与单元杆长的比值

缺省值=1;
(仅对均布荷载输入Lpos2)
Ldir---荷载方向(度),仅当Ltype=1,3或-1,-3时输入,缺省值=0.
(注:按局部坐标系定义,其角度以逆时针方向为正)

9.频率计算参数
FREQ,Nfreq,FreqStart,Tol
Nfreq---欲求的频率数目;
FreqStart---频率起始阶数;
Tol---精度误差限,如0.0005.


10.影响线参数
IL,LoadDOF,En,pos,Fdof
LoadDOF---单位荷载的方向(整体坐标系):1为水平,2为竖直,3为转角;
En---单元码;
pos---单元上截面位置:距杆端1的距离与杆长的比值;
Fdof---欲求影响线的内力自由度(局部坐标系),1为轴力,2为剪力,
3为弯矩.

力学架构是一个体现 土建类学生 理论与实践 

完美结合的竞赛。

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