板殼力學dsm2-01

1、董董 世世 明明 Mechanics of Plates and Shells板殼力學板殼力學/理論理論 板殼理論是彈性力學基本理論具體應用板殼理論是彈性力學基本理論具體應用到板殼結構中的一種工程簡化理論。板到板殼結構中的一種工程簡化理論。板殼理論是以彈性力學與若干工程假設殼理論是以彈性力學與若干工程假設（KIRCHHOFF假設，等等）為基礎，假設，等等）為基礎，研究工程中的板殼結構在外力作用下的研究工程中的板殼結構在外力作用下的應力分布、變形規(guī)律和穩(wěn)定性的學科。應力分布、變形規(guī)律和穩(wěn)定性的學科。 課程教學目的課程教學目的 板殼力學是為工程力學專業(yè)高年級學生開設的一板殼力學是為工程力學專業(yè)高年

2、級學生開設的一門提高性課程。門提高性課程。目的是使本專業(yè)學生在目的是使本專業(yè)學生在修完經典彈性力學修完經典彈性力學之后能夠之后能夠對一些對一些專題性專題性的問題，特別是與工程聯(lián)系比較密切的問題，特別是與工程聯(lián)系比較密切的彈性力學問題有進一步的認識，這既能深化學生的彈性力學問題有進一步的認識，這既能深化學生的固體力學知識，又能提高學生運用力學理論解決的固體力學知識，又能提高學生運用力學理論解決工程實際問題的能力。工程實際問題的能力。教材教材( (Textbook) )：彈性力學：彈性力學( (下下) ) 徐芝綸徐芝綸 參考書參考書( (Reference) )：高等板殼理論：高等板殼理論 韓強韓

3、強 等等考核方式：考核方式： 課堂考核課堂考核+ +課程課程/ /文獻講讀文獻講讀+ +作業(yè)作業(yè)教學方式：教學方式： 研討性教學研討性教學 講授講授(第第13章、章、15章、章、19章章），自學，交流討論），自學，交流討論 專題學研，專題學研， 收集資料，收集資料， 研讀報告研讀報告專題報告專題報告2-3次次課程考核課程考核： 選一專題選一專題/章節(jié)章節(jié), 準備準備ppt 半小時半小時 報告講授報告講授/討論討論 自自查查選一刊物論文選一刊物論文,ppt 報告報告20分鐘分鐘/討論討論 2-3人一組人一組緒 論(Introduction)固體力學固體力學(Solid Mechanics) -主

4、要研究可變形固體在外界因素主要研究可變形固體在外界因素(如載荷、溫度、如載荷、溫度、濕度等濕度等)作用下，其內部各個質點所產生的位移、運作用下，其內部各個質點所產生的位移、運動、應力、應變以及破壞等的規(guī)律。動、應力、應變以及破壞等的規(guī)律。 固體力學三大分支固體力學三大分支:材料力學、彈性力學、結構力學材料力學、彈性力學、結構力學彈性力學彈性力學(Theory of Elasticity) -研究彈性體由于受外力作用或溫度改變等原因研究彈性體由于受外力作用或溫度改變等原因而發(fā)生的應力、形變和位移。研究對象為塊體、而發(fā)生的應力、形變和位移。研究對象為塊體、板、板、殼殼等等。緒緒 論論1. 學科介紹

5、：研究任務：研究任務：解決所研究對象的解決所研究對象的強度、剛度、穩(wěn)定性問題強度、剛度、穩(wěn)定性問題緒緒 論論1. 學科介紹：學科學科研究對象研究對象研究方法研究方法材料力學材料力學桿件桿件 bar element靜力學靜力學 Equilibrium aspects幾何學幾何學 Geometrical aspects物理學物理學 Physical aspects（力平衡（力平衡/位移位移-應變應變/應力應力-應變關應變關系）系）結構力學結構力學桿件系統(tǒng)：桁架，剛架桿件系統(tǒng)：桁架，剛架 truss, rigid frame彈性力學彈性力學(板殼力學板殼力學)塊體塊體blocks:桿件桿件(精確分析

6、精確分析)板，殼板，殼plates and shells彈性力學（板殼力學）表現(xiàn)了力學問題的數(shù)學建模過程，其基彈性力學（板殼力學）表現(xiàn)了力學問題的數(shù)學建模過程，其基本方程的建立為進一步的數(shù)值方法奠定了基礎。本方程的建立為進一步的數(shù)值方法奠定了基礎。緒緒 論論1. 學科介紹：工程力學問題的建模過程工程力學問題的建模過程建模過程中三個簡化：l結構簡化空間向平面問題 軸對稱問題實體結構向板、殼l受力簡化復雜力系 向等效力系l材料簡化向各向同性、連續(xù)、均勻性等簡化緒緒 論論1. 學科介紹：位移位移形變形變應力應力體力體力面力面力幾何方程幾何方程物理方程物理方程平衡方程平衡方程邊界條件邊界條件研究方法（

7、三大關系方程）：研究方法（三大關系方程）：技術路線：技術路線：研究方法：研究方法：總體上采用理論分析、實驗室研究和數(shù)值總體上采用理論分析、實驗室研究和數(shù)值模擬模擬/ /仿真相結合的方法（仿真相結合的方法（2/32/3）。）。理理 論論數(shù)數(shù) 值值實實 驗驗分分 析析數(shù)數(shù)值值計計算算數(shù)數(shù)值值仿仿真真反反饋饋修修正正細細觀觀實實驗驗材材料料實實驗驗整整體體實實驗驗對對比比分分析析宏宏觀觀分分析析微微觀觀分分析析理理論論模模型型分分析析方方法法反反饋饋修修正正研究路線：研究路線：緒緒 論論2. 固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：萌芽時期萌芽時期 3000-5000年前，文明古

8、國年前，文明古國-力學思想的建筑物、力學思想的建筑物、 簡單的車船和狩獵工具簡單的車船和狩獵工具 發(fā)展時期發(fā)展時期1600-1700 牛頓，牛頓， 實踐經驗的積累和實踐經驗的積累和17世紀物理學的成就世紀物理學的成就 v1678年，年， 胡克（英）：物體的變形與所受外載荷成正比胡克（英）：物體的變形與所受外載荷成正比-胡克定律胡克定律v17世紀末，伯努利（瑞）：彈性桿的世紀末，伯努利（瑞）：彈性桿的撓度曲線撓度曲線的概念的概念 v1744年，年， 歐拉（瑞）歐拉（瑞） ：受壓柱體失穩(wěn)臨界值受壓柱體失穩(wěn)臨界值的公式，微分方程的公式，微分方程穩(wěn)定性穩(wěn)定性Isaac NewtonRobert Hoo

9、ke (1635-1703)Leonard Euler (1744)Jacob Bernoulli 1654-1705緒緒 論論2. 固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：v1773年，庫侖（法）年，庫侖（法）-材料強度理論，材料強度理論，土的屈服條件土的屈服條件-塑性問題塑性問題v1804年，啟拉第尼（法）年，啟拉第尼（法）-薄板振動實驗薄板振動實驗v1820年，年， 納維（法）納維（法）- 薄板彎曲問題的基本方程薄板彎曲問題的基本方程-彈性力學彈性力學v1822年，年， 柯西（法）柯西（法）-應力和應變的嚴格定義應力和應變的嚴格定義 -數(shù)學彈性理論數(shù)學彈性理論v182

10、9年，泊松（法）年，泊松（法）-受橫向載荷平板的撓度方程受橫向載荷平板的撓度方程 02,2ikikifuuCClande-Louis-Marie-Henri Navier (1821)Simon Denis PoissonAugustin-Louis CauchyC.A.Coulomb1736-1806緒緒 論論2. 固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：v1855年，圣維南（法）年，圣維南（法）-柱體扭轉和彎曲問題柱體扭轉和彎曲問題-圣維南原理圣維南原理 v1884年，恩蓋塞（德）年，恩蓋塞（德）-余能余能的概念的概念v1903年，普朗特（德）年，普朗特（德）-扭轉問題

11、的扭轉問題的薄膜比擬法薄膜比擬法v20世紀初，鐵木辛柯用能量原理解決了許多桿板、殼的穩(wěn)定性問題世紀初，鐵木辛柯用能量原理解決了許多桿板、殼的穩(wěn)定性問題v19111911年年, , 馮馮卡門（美），板的大撓度方程卡門（美），板的大撓度方程v1933年，年， 穆斯赫利什維（蘇）穆斯赫利什維（蘇）-彈性力學彈性力學復變函數(shù)方法復變函數(shù)方法 v20世紀中，固體的力學理論不斷滲透到其他領域世紀中，固體的力學理論不斷滲透到其他領域 -飛行器、艦艇、飛行器、艦艇、 原子反應堆和大型建筑等結構原子反應堆和大型建筑等結構 ，紡織纖維、紡織纖維、 人體骨骼、人體骨骼、 心臟、血管等心臟、血管等 S.P.Timos

12、henko Theodore Von KarmanKolosovMuskhelishivili緒緒 論論2. 固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：固體力學（板殼力學）發(fā)展簡史：國內固體力學的大師國內固體力學的大師 錢偉長錢偉長(1912-2010) 著名力學家、應用數(shù)學家、教育家和社會活動家。著名力學家、應用數(shù)學家、教育家和社會活動家。特別在彈性力學、變分原理、攝動方法等領域有重要成就。特別在彈性力學、變分原理、攝動方法等領域有重要成就。早年提出的薄板薄殼非線性早年提出的薄板薄殼非線性內稟統(tǒng)一理論內稟統(tǒng)一理論對歐美的固體力學和理性力學有過對歐美的固體力學和理性力學有過重大的影響。重大的影響。版權的爭

13、論版權的爭論:美國特魯斯德爾（美國特魯斯德爾（Truesdell)板殼大擾度問題的攝動解和奇異攝動解等。板殼大擾度問題的攝動解和奇異攝動解等。淺殼方程為淺殼方程為“錢偉長一般方程錢偉長一般方程”，淺圓柱殼方程為，淺圓柱殼方程為“圓柱殼的錢偉長方程圓柱殼的錢偉長方程” 蘭州大學力學系教授蘭州大學力學系教授( (1953-19871953-1987年年) )， 加快收斂的修加快收斂的修正迭代法和減少推導工作的解析電算法等求解大撓度方程的方法。正迭代法和減少推導工作的解析電算法等求解大撓度方程的方法。提出了用階梯折算法處理一維非均勻規(guī)則彈性構件。提出了用階梯折算法處理一維非均勻規(guī)則彈性構件。-板殼理

14、論及結構工程特別是圓環(huán)殼、彎管的強度、屈曲、振板殼理論及結構工程特別是圓環(huán)殼、彎管的強度、屈曲、振動及其工程應用。解析法、數(shù)值計算等方法對結構進行強度、穩(wěn)定性分析動及其工程應用。解析法、數(shù)值計算等方法對結構進行強度、穩(wěn)定性分析劉人懷劉人懷 謝和平，謝和平， 楊衛(wèi)楊衛(wèi)3. 工程應用實例工程應用實例杭州灣大橋杭州灣大橋上海楊浦大橋上海楊浦大橋緒緒 論論Bridge failure緒緒 論論3. 工程應用實例工程應用實例緒緒 論論工程應用實例工程應用實例工程應用實例工程應用實例Why Did the World Trade Center Collapse? 緒緒 論論3. 工程應用實例工程應用實例工

15、程應用實例工程應用實例重慶奧林匹克體育重慶奧林匹克體育中心體育場跨度直中心體育場跨度直線距離線距離312 312 米，網米，網殼縱向寬度殼縱向寬度7878米，米，最大懸挑梁長度最大懸挑梁長度68 68 米，主拱高度米，主拱高度70.3 70.3 米，網殼為雙層，米，網殼為雙層，上下弦桿高度為上下弦桿高度為 4.5 4.5 米，單塊網殼米，單塊網殼為為 17400 17400 平方米，平方米，兩塊網殼由兩塊網殼由 3672 3672 只焊接球、只焊接球、 16500 16500 根鋼管桿件組成。根鋼管桿件組成。 有湖北有湖北“鳥巢鳥巢”之稱的黃石新體育館新近亮相。它像一顆大之稱的黃石新體育館新近

16、亮相。它像一顆大“鉆石鉆石”，43個個切面在冬日陽光下熠熠生輝，成為黃石的切面在冬日陽光下熠熠生輝，成為黃石的“新地標新地標”。 湖北湖北“鳥巢鳥巢”總建筑面積總建筑面積38000平方米，可容納平方米，可容納6000名觀眾，乒乓球館、羽毛名觀眾，乒乓球館、羽毛球館、游泳館等，是一座集體育比賽、體育休閑、體育球館、游泳館等，是一座集體育比賽、體育休閑、體育 商業(yè)等于一體的綜合性商業(yè)等于一體的綜合性室內體育中心。據(jù)施工方中建三局一公司介紹，這顆室內體育中心。據(jù)施工方中建三局一公司介紹，這顆“鉆石鉆石”有有43個切面，形態(tài)個切面，形態(tài)各異。其屋蓋為空間折板式結構，最大跨度各異。其屋蓋為空間折板式結構

17、，最大跨度111米，米，“建造難度甚至大于鳥巢建造難度甚至大于鳥巢”。該體育館造型具有不規(guī)則、多面、薄殼的特點，是全國第二座薄殼結構設計建筑。該體育館造型具有不規(guī)則、多面、薄殼的特點，是全國第二座薄殼結構設計建筑。工程應用實例工程應用實例工程應用實例工程應用實例天津博物館天津博物館 廣州廣州星海音樂廳星海音樂廳建筑面積建筑面積11296，分交響樂演奏大廳、室內樂演奏廳，分交響樂演奏大廳、室內樂演奏廳及音樂資料館附屬用房三個部分，主體大廳采用及音樂資料館附屬用房三個部分，主體大廳采用48m48m雙曲拋物面鋼筋混凝土薄殼結構。雙曲拋物面鋼筋混凝土薄殼結構。亞洲最大規(guī)模的鋼筋混凝土殼體工程；亞洲最大

18、規(guī)模的鋼筋混凝土殼體工程；廣東省科技進步三等獎廣東省科技進步三等獎 緒緒 論論3. 工程應用實例工程應用實例工程應用實例工程應用實例非洲聯(lián)盟會議中心，非洲聯(lián)盟會議中心，2012年年1月月28日建成日建成Comet jet aircraft緒緒 論論3. 工程應用實例工程應用實例緒緒 論論3. 工程應用實例周志成周志成 (80級級): 中國空間技術設計中國空間技術設計院院 總設計師?？傇O計師。 “東方紅四號” 衛(wèi)星 總指揮兼總設計師，“北斗一號” 衛(wèi)星 主任設計師、副總設計師。獲國防科技進步一等獎和國家科技進步一等獎 。鑫諾鑫諾2號衛(wèi)星號衛(wèi)星 (2006-10-29): 總設計師總設計師Titalic緒緒 論論3. 工程應用實例工程應用實例工程應用實例工程應用實例緒緒 論論3. 工程應用實例工程應用實例ElsevierElsevier數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫( (ScienceDirectScienc