計算力學的一個分支。它以數值計算的方法,用電子電腦求解結構力學中的各類問題,所以又稱電腦化的結構力學。

  20世紀50年代以來,計算結構力學的發展,使人們求解結構力學問題的能力提高瞭幾個數量級。以靜力學問題為例,50年代求解結構力學問題的規模,大約隻是幾十個未知數;到80年代初,已達到數以萬計的未知數。以前求解整個結構的應力分佈,不得不作很多甚至是過分的簡化,所得結果往往不能令人滿意;現在則可以對整架飛機、整艘輪船、整整個建築物作詳細的應力分析,並得到令人滿意的結果。

  計算結構力學的基本方法是:先把結構作離散化處理,然後在計算機上進行各種結構分析和結構優化設計。所謂離散化處理,就是用有限個待求數去近似地表達待求的連續函數。為描述某一個結構,例如梁、框架、板、殼或它們的組合體上的每一點的應力或位移,需用定義該結構的連續函數。計算機雖不能準確地計算出這些連續函數,卻可以計算出它們在有限個點上的近似值。在計算結構力學中,應用最廣的離散化方法是有限元法、有限差分方法和加權殘數法。這些方法各有優點和局限性。

  不同的結構力學問題,在離散化後得到的方程具有不同的性質。在結構分析中,常遇到的問題是:

  ① 線性結構的靜力學問題 這類問題離散化後,得到的是一組線性代數方程,常見於結構的應力分析和位移計算。

  ② 線性結構的動力學和穩定性問題 這類問題可用離散化的方法變為求解特征值和特征矢量的問題,即求解AxλBx,式中ABn×n階矩陣;x為待求的n維非零矢量,稱為特征矢量;λ稱為特征值。根據矩陣AB的不同特點,特征值問題可分為:普遍特征值問題(矩陣A為對稱矩陣,B為單位矩陣)、廣義特征值問題(AB皆為對稱矩陣)和一般特征值問題(AB矩陣是非對稱的)。特征值問題常見於結構的振動分析(固有頻率和振型的計算)和臨界載荷計算,旋轉機械的臨界轉速計算以及流體同彈性體耦合問題中臨界速度(如飛機顫振)的計算等。

  ③ 非線性結構力學問題 這類問題的提出比較早。1744年L.歐拉就曾有關於桿彈性曲線微分方程的論述;1773年C.-A.de庫侖提出土壤的屈服條件;以後一些學者又提出越來越多的非線性結構力學問題。但是,除極簡單問題外,這些邊值問題和變分問題都很難用解析方法求解,所以長期以來沒有建立起普遍適用的解法。近年來,由於計算機和有限元法的廣泛使用,非線性的結構分析才取得較大進展。

  根據引起非線性反應的根源,非線性結構力學問題可分兩類:①材料非線性問題,或稱物理非線性問題。這類問題的非線性反應是由結構材料的非線性本構方程引起的。例如,對於用一般的金屬材料制成的結構,在應力超過比例極限點以後,結構的變形隨外載的變化就是非線性的。一般地說,材料性質不僅和應變狀態、應變速度有關,而且和變形的歷史有關。因此,即使在小變形條件下,有時也須考慮這種非線性的本構關系。②幾何非線性問題。這類問題的非線性反應是由結構的大變形和大位移梯度引起的。要解這類問題須考慮位移與應變的幾何關系中位移的二階導數項,並按照變形後的結構形狀建立平衡方程。這時,要引入初應力矩陣(或稱幾何矩陣)和初位移矩陣(或稱大位移矩陣)來修正結構的剛度矩陣。

  除結構分析外,計算結構力學比傳統的結構力學還多瞭結構優化設計方面的內容。結構優化設計的任務是在一定的約束條件下(例如滿足強度和剛度要求、適應某些工藝條件等),按某種目標尋找最優的設計方案,例如尋求重量最輕、成本最低、剛度最大的設計方案。

  為瞭更好地完成計算結構力學在結構分析和優化設計兩方面的任務,還需要建立專門的結構軟件系統。這類系統在70年代得到瞭迅速的發展和廣泛的應用。

  

參考書目

 鐘萬勰等著:《計算桿系結構力學》,水利電力出版社,北京,1982。

 錢令希著:《工程結構優化設計》,水利電力出版社,北京,1983。

 《1980年全國計算力學會議論文集》,北京大學出版社,北京,1981。