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结构设计原理课程
目录
CONTENTS
02.
04.
05.
01.
03.
06.
结构设计基本原理
结构体系设计方法
荷载与力学模型
稳定性与破坏分析
材料力学性能
工程应用与实践
01
结构设计基本原理
定义与核心范畴
结构设计是工程设计的核心部分，指通过计算和分析确定结构在各种作用下的效应，并用合理的构造措施将效应传递和抵抗。
包括力学和材料科学，力学主要研究结构在荷载作用下的平衡、稳定性和变形，材料科学则提供材料的性能、特点和制造工艺等方面的知识。
按几何形状可分为杆系结构、板壳结构、实体结构等，每种结构类型都有其独特的受力特点和适用范围。
结构设计定义
核心范畴
结构类型
基本假设与适用范围
假定结构在受力时是连续的，即忽略材料中的微观缺陷和空隙，以便应用连续介质力学理论进行分析。
连续性假设
假定结构材料在各个方向上的性能是相同的，即材料是均匀和各向同性的。
结构设计原理适用于各种工程结构，如建筑、桥梁、机械、船舶等，但具体应用时需根据实际情况进行适当简化和假设。
均匀性假设
假定结构在受力后产生的变形远小于其原始尺寸，以便应用线性弹性理论进行计算。
小变形假设
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适用范围
设计流程标准化
需求分析
详细设计
初步设计
验证与优化
明确结构的功能需求，包括承载、传递、耗散等，以及使用环境、材料等方面的要求。
根据需求分析结果，选择合适的结构类型和材料，确定结构的基本布局和主要尺寸。
进行结构分析和计算，确定结构的细部构造和连接方式，并绘制详细的设计图纸。
通过试验、仿真或类比等方法验证设计的可行性和可靠性，并根据验证结果对设计进行优化和改进。
02
荷载与力学模型
荷载分类
按照时间、空间、性质等因素，将荷载分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载等。
荷载分类与组合原则
荷载组合原则
根据不同荷载同时出现的概率及其可能造成的结构效应，确定荷载组合的原则，包括承载力极限状态组合和正常使用极限状态组合等。
荷载代表值
规定了各类荷载的代表值，用于结构设计和分析，如标准值、准永久值、组合值等。
力学模型建立规范
根据实际情况和力学原理，对结构进行简化和假设，如材料的连续性、均匀性、各向同性等。
根据结构类型、受力特点和分析目的，选择合适的力学模型，如静力分析模型、动力分析模型、弹塑性分析模型等。
根据结构尺寸、材料性能、边界条件等，确定力学模型中的各项参数，如刚度、质量、阻尼等。
基本假设
力学模型选择
模型参数确定
静动力分析基础
静力分析
研究结构在静荷载作用下的内力、变形和稳定性，包括平衡条件、静力平衡方程、静力平衡图等。
动力分析
稳定性分析
研究结构在动态荷载作用下的响应，包括动力方程的建立、自由振动分析、受迫振动分析等，以及阻尼、频率、振型等动力特性参数的计算。
研究结构在特定荷载作用下的稳定性，包括平衡稳定性分析、屈曲分析等，以确定结构的稳定承载能力和防止失稳的措施。
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材料力学性能
材料强度与刚度指标
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材料在拉伸试验中承受最大应力时的抵抗能力。
拉伸强度
材料在弹性变形范围内，应力与应变的比例常数。
弹性模量
材料在塑性变形时，应力达到一定值后不再增加，而是产生塑性流动。
屈服强度
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02
材料在受力时抵抗变形的能力，与弹性模量相关。
刚度
04
变形特性与失效机理
弹性变形
材料在受力后发生可逆的变形，卸载后能恢复原状。
01
塑性变形
材料在受力后发生不可逆的变形，卸载后不能恢复原状。
02
韧性断裂
材料在断裂前发生大量塑性变形，断裂面呈纤维状。
03
脆性断裂
材料在断裂前几乎不发生塑性变形，断裂面呈银白色光面。
04
耐久性影响因素
温度、湿度、压力、腐蚀等环境因素对材料耐久性的影响。
环境因素
长期静载荷或交变载荷作用下，材料的耐久性会受到影响。
材料内部的裂纹、夹杂物等缺陷会成为裂纹扩展的起点，影响材料的耐久性。
对材料进行表面强化、涂层等处理，可提高材料的耐久性。
载荷特性
材料内部缺陷
表面处理
04
结构体系设计方法
静态力学原理
结构在静止状态下受力的分析和计算方法，包括平衡条件、内力分析、应力应变关系等。
结构动力学
研究结构在动力荷载作用下的响应，包括自由振动、受迫振动和响应谱分析等。
强度理论
研究材料在外力作用下的破坏机理，包括弹性变形、塑性变形和断裂等。
传统结构形式
如梁柱式、拱形、穹顶等，这些形式在历史上有着广泛的应用和验证。
传统结构设计理论
现代优化设计策略
有限元分析
形状优化
拓扑优化
尺寸优化
利用数值方法对结构进行离散化，通过计算得到结构的应力、位移等响应，进而对结构进行优化设计。
在一定约束条件下，寻求结构的最优拓扑形式，即材料分布的优化。
在给定拓扑形式下，通过改变