中南大学结构力学课件--2平面体系的机动分析

结构力学中南大学返回退出11:41第二章平面体系的机动分析§2-1引言§2-2平面体系的计算自由度§2-3几何不变体系的简单组成规则§2-4瞬变体系§2-5机动分析示例§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论§2-7几何构造与静定性的关系结构力学中南大学返回退出11:41§2-1引言一、几何不变体系(geometricallystablesystem)：弹性变形几何不变P一个杆系，在荷载作用下，若略去杆件本身的弹性变形而能保持其几何形状和位置不变的体系。可称之为结构结构力学中南大学返回退出11:41二、几何可变体系(geometricallyunstablesystem)：P几何可变一个杆系，在荷载作用下，即使略去杆件本身的弹性变形，它也不能保持其几何形状和位置，而发生机械运动的体系。只能称之为机构§2-1引言结构力学中南大学返回退出11:41三、杆系的机动分析：机动分析就是判断一个杆系是否是几何不变体系，同时还要研究几何不变体系的组成规律。又称:几何组成分析几何构造分析机动分析的目的：1、判别某一体系是否为几何不变，从而决定它能否作为结构。2、区别静定结构、超静定结构，从而选定相应计算方法。3、搞清结构各部分间的相互关系，以决定合理的计算顺序。§2-1引言结构力学中南大学返回退出11:41形状可任意替换四、刚片：将体系中巳经肯定为几何不变的部分看作是一个刚片。一根梁、一根链杆或者支承体系的基础也可看作是一个刚片。几何不变体系几何可变体系§2-1引言结构力学中南大学返回退出11:41一、平面体系的自由度(degreeoffreedomofplanarsystem)1.自由度数--确定物体位置所需要的独立坐标数体系运动时可独立改变的几何参数数目n=2xy平面内一点平面内一刚片xyn=3§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:412.平面刚片系的组成连接方式与基础相连。⑵各刚片用一定的支杆复铰简单铰⑴各刚片间用铰相连)(supportLink§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:413.联系(constraint)1根链杆为1个联系联系（约束）--减少自由度的装置。平面内一刚片n=3n=2(1)链杆1个单铰为2个联系单铰联后n=4xyαβ1个自由刚片3个自由度2个自由刚片有6个自由度铰(2)单铰§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41五个自由度：、、θ1、θ2、θ3AYAX3.联系(constraint)(1)链杆;(2)单铰;(3)复铰n个杆件组成的复铰，相当于(n－1)个单铰。复铰等于多少个单铰？§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41二、平面体系的计算自由度计算自由度=刚片总自由度数减总约束数m---刚片数h---单铰数r---单链杆数（支座链杆）W=3m-(2h+r)§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41平面链杆系的自由度(桁架):链杆(link)——仅在杆件两端用铰连接的杆件。一个链杆→一个约束即两点间加一链杆，则减少一个自由度。设一个平面链杆系：自由度：2j约束：b约束：r链杆数：b支座链杆数：r铰结点数：j则体系自由度：W=2j-(b+r)§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41例1：计算图示体系的自由度W=3×8-(2×10+4)=0ACCDBCEEFCFDFDGFG32311有几个单铰？有几个刚片？有几个支座链杆？§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41例2：计算图示体系的自由度W=3×9-(2×12+3)=0按刚片计算3321129根杆,9个刚片有几个单铰？3根支座链杆按铰结链杆计算W=2×6-(9+3)=0§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:411①2②3例3：计算图示体系的自由度4,2,3rhm1)422(33)2(3rhmw解:§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41解:j=9,b=15,r=30315922rbjW例4：计算图示体系的自由度§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41自由度的讨论：⑵W=0,具有成为几何不变所需的最少联系几何可变⑴W0,几何可变§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41(3)W0几何不变(4)W0几何可变§2-2平面体系的计算自由度自由度的讨论：结构力学中南大学返回退出11:41W0体系几何可变体系几何不变W0因此，体系几何不变的必要条件：W≤0W0,缺少足够联系，体系几何可变。W=0,具备成为几何不变体系所要求的最少联系数目。W0，体系具有多余联系。如果体系不与基础相连，即r=0时，体系对基础有三个自由度，仅研究体系本身的内部可变度V。§2-2平面体系的计算自由度结构力学中南大学返回退出11:41(Geometricconstructionanalysis(Kinematicsanalysis）)一、三刚片规则三个刚片用不在同一直线上的三个单铰两两相连，所组成的平面体系几何不变。§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41说明：1.刚片通过支座链杆与地基相联，地基可视为一刚片。Ⅱ§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:412.三刚片用位于同一直线上的三个铰相联，组成瞬变体系。(几何可变)不符合三刚片规则ABCC’§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41地基、AC、BC为刚片;A、B、C为单铰无多余联系的几何不变体§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41二、二元体规则在刚片上增加一个二元体，是几何不变体系。二元体:在刚片上增加由两根链杆连接而成的一个新的铰结点，这个“两杆一铰”体系，称为二元体。刚片1BDAC§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41几何不变体系中，增加或减少二元体，仍为几何不变体系。§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41减二元体简化分析加二元体组成结构§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41如何减二元体？§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41三、两刚片规则：两个刚片用一个铰和一个不通过该铰的链杆连接，组成几何不变体系。Ⅱ链杆铰§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41虚铰实铰铰刚片2刚片1DE刚片1刚片2ABCDOEFABC三、两刚片规则：两个刚片用三根不全平行也不交于同一点的链杆相联，组成无多余联系的几何不变体系。§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41IIOO是虚铰吗？有二元体吗？是什么体系？O不是有无多不变§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41有虚铰吗？有二元体吗？是什么体系？无多余几何不变没有有试分析图示体系的几何组成§2-3几何不变体系的简单组成规则结构力学中南大学返回退出11:41瞬变体系(instantaneouslyunstablesystem)--原为几何可变，经微小位移后即转化为几何不变的体系。ABCPC1微小位移后，不能继续位移不能平衡铰结三角形规则——条件：三铰不共线§2-4瞬变体系结构力学中南大学返回退出11:41瞬变体系——小荷载引起巨大内力（图1）——工程结构不能用瞬变体系•例：（图2-17）二刚片三链杆相联情况•（a）三链杆交于一点；•（b）三链杆完全平行（不等长）；•（c）三链杆完全平行（在刚片异侧）；•（d）三链杆完全平行（等长）几何可变体系:瞬变,常变§2-4瞬变体系结构力学中南大学返回退出11:41例2-1对图示体系作几何组成分析。方法一:从基础出发;结论:无多余联系的几何不变体.扩大刚片;反复利用两刚片规则;利用两刚片规则;方法二:加、减二元体§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41例2-2对图示体系作几何组成分析。1.去支座后再分析体系本身，为什么可以这样？2.有二元体吗？有瞬变体系§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41加、减二元体无多几何不变§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41找出三个刚片无多余联系的几何不变体例2-3对图示体系作几何组成分析。§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41行吗？它可变吗？瞬变体系找刚片、找虚铰例2-4对图示体系作几何组成分析。ⅠⅡⅢ行吗？§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:411.可首先通过自由度的计算，检查体系是否满足几何不变的必要条件(W≤0)。对于较为简单的体系，一般都略去自由度的计算，直接应用上述规则进行分折。3.如果体系仅通过三根既不完全平行，又不完全相交的支座链杆与基础相联接的体系，则可直接分析体系内部的几何组成。如果体系与基础相连的支座连杆数多于三根，应把基础也看成刚片作整体分析。2.在进行分折应时，宜先判别体系中有无二元体，如有，则应先撤去，以使体系得到简化。机动分析步骤总结：§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:414.已知为几何不变的部分宜作为大刚片。7.各杆件要么作为链杆，要么作为刚片，必须全部使用，且不可重复使用。5.两根链杆相当于其交点处的虚铰。6.运用三刚片规则时，如何选择三个刚片是关键，刚片选择的原则是使得三者之间彼此的连接方式是铰结。§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41DEFG唯一吗？如何变静定？§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41ABCDEF找刚片内部可变性§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41ABCDE可变吗？有多余吗？如何才能不变？ABCDE§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41加减二元体§2-5机动分析示例结构力学中南大学返回退出11:41§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论(a)一铰无穷远情况几何不变体系不平行结构力学中南大学返回退出11:41几何常变体系平行等长§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论结构力学中南大学返回退出11:41四杆不全平行几何不变体系(b)两铰无穷远情况§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论结构力学中南大学返回退出11:41四杆全平行几何瞬变体系§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论结构力学中南大学返回退出11:41四杆平行等长几何常变体系§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论结构力学中南大学返回退出11:41三铰无穷远如何?请大家自行分析!§2-6三刚片虚铰在无穷远处的讨论结构力学中南大学返回退出11:41§2-7几何构造与静定性的关系静定结构FFBFAyFAx无多余联系几何不变。如何求支座反力?结构力学中南大学返回退出11:41FFBFAyFAxFC超静定结构有多余联系几何不变。能否求全部反力?§2-7几何构造与静定性的关系结构力学中南大学返回退出11:41体系几何不变体系几何可变体系有多余联系无多余联系常变瞬变可作为结构静定结构超静定结构不可作结构小结:§2-7几何构造与静定性的关系结构力学中南大学返回退出11:41结论与讨论当计算自由度W0时，体系一定是可变的。但W≤0仅是体系几何不变的必要条件。分析一个体系可变性时，应注意刚体形状可任意改换。按照找大刚体（或刚片）、减二元体、去支座分析内部可变性等，使体系得到最大限度简化后，再应用三角形规则分析。超静定结构可通过合理地减少多余约束使其变成静定结构。正确区分静定、超静定，正确判定超静定结构的多余约束数十分重要。结构的组装顺序和受力分析次序密切相关。结构力学中南大学返回退出11:413.图示体系作几何分析时，可把A点看作杆1、杆2形成的瞬铰。A12一、判断题1.瞬变体系的计算自由度一定等零。2.有多余约束的体系一定是几何不变体系。╳╳╳╳4.图示体系是几何不变体系。题3图题4图本章自测题结构力学中南大