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结构动力学(土木工程核心课程)

时间:2020-11-02 21:56:28     发布者:

结构动力学

0814土木工程一级学科研究生核心课程指南

一、课程概述

结构动力学是土木工程、工程力学等专业的一门主要的专业技术基础课。本课程在结构力学基础上进一步研究杆件结构在动荷载作用下的受力分析,为进一步学习有关专业课、进行科学研究等奠定基础。通过本课程的学习,要求对结构动力学的研究对象、研究内容有深刻的认识,全面系统地掌握结构动力学的基本概念、基本理论和基本方法,明确其在工程学科中的地位和作用,能综合运用结构动力学的理论和方法分析解决工程中的复杂问题。

二、先修课程

高等数学,理论力学,材料力学,结构力学。

三、课程目标

通过本课程的学习,能够深入理解结构动力学的基本原理和分析方法;熟练掌握简单结构的动力学模型和运动方程的建立方法;具备定性识别结构动力特性和动力工作性能的能力;具备独立应用各种动力学理论与方法进行单自由度和多自由度体系动力分析的能力;培养提出和归纳复杂结构动力学问题的能力;初步接触结构动力学研究领域前沿,为研究生日后的课程学习、理论研究和工程实践奠定基础。

四、适用对象

结构工程、道路桥梁工程、岩土工程、工程力学等专业的硕士研究生与博士研究生。

五、授课方式

采用课堂教学与辅导课、讨论课相结合的教学方式。课堂教学为主要教学方式,重点讲授结构动力学的重要概念、基本原理和分析方法;辅导课和讨论课为辅助教学方式,重点解答学生在课堂教学和解决具体问题过程中的疑惑,启发学生对结构动力学问题的深入思考,激发学生对相关领域的研究兴趣。

六、课程内容(建议48 学时)

第一章绪论


序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

动荷载及分类




2

振动系统及分类




3

动力自由度确定及简化




4

结构离散化方法:集中质量法、广义坐标法、有限单元法





*重点:结构动力计算相比于静力问题的特点;抽象并简化结构动力问题,确定其动力自由度;结构离散化方法的基本概念。

*难点:集中质量法、广义坐标法和有限单元法的异同辨析。

第二章 结构运动方程的建立

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

分析动力学基础




2

运动方程的建立:达朗贝尔原理,虚功原理,

哈密顿原理,拉格朗日方程




3

单自由度体系的运动方程




4

多自由度体系的运动方程




5

连续体系的运动方程




6

重力的影响




7

地面运动的影响





*重点:分析动力学的基本概念;利用基本力学原理建立动力问题的运动方程;重力和地面运动对动力问题产生影响的原理。

*难点:复杂动力问题的运动方程建立。

第三章 单自由度体系的振动分析

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

无阻尼单自由度体系自由振动分析,频率和周期的计算




2

黏滞阻尼理论,阻尼比及其确定




3

有阻尼单自由度休系自由拆动分析




4

筒谐荷载作用下单自由度体系的受迫振动分析,动力系数




5

阻尼影响,复阻尼理论,库仑阻尼理论




6

一般动荷载作用下单自由度体系振动的时域分析和频域分析,杜哈梅积分




7

冲击荷载作用下单自由度体系反应的计算




8

非线性系统的振动特点及求解方法,线加速度法




9

支座扰动的影响




10

广义单自由度体系的振动分析





重点:单自由度体系的自由振动分析;单自由度体系的受迫振动分析;杜哈梅积分的原理和

应用。

难点:单自由度体系的受迫振动分析;几种阻尼理论的异同辨析;时城分析方法和频域分析方法的关系与区别。

第四章多自由度体系的振动分析

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

多自由度体系的自由振动,自振频率和振型的性质及

计算,频率谱




2

振型的正交性及其物理意义




3

广义质量、广义刚度




4

振型矩阵及振型的标准化和规格化




5

阻尼矩阵、正交阻尼矩阵的构造、振型阻尼比




6

多自由度体系自由振动分析的振型分解法




7

正交阻尼体系受迫振动分析的振型分解法




8

非经典阻尼体系的受迫振动分析




9

静力修正方法




10

振型加速度法





重点:多自由度体系的自由振动分析,自振频率和振型的计算;振型正交性的原理和应用多自由度体系受迫振动的振型分解法。

难点:振型分解法的具体计算过程。

第五章结构动力反应的数值计算方法

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

激励插值法,中心差分法。




2

威尔逊一日法、纽马克-B




3

结构非线性反应的数值计算




4

显式积分算法和隐式积分算法




5

算法的效率、精度与稳定性





重点:威尔逊-④法、纽马克法的推导和应用;简单问题的结构非线性反应数值计算。

难点:几种结构动力反应数值计算方法特点和优劣的理解辨析;

第六章 无限自由度体系的振动分析

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

梁的偏微分运动方程,梁的自振和振型,振型的正交性




2

梁的受迫振动分析,梁横向振动的影响因素分析




3

杆的轴向振动分析




4

薄板的弯曲振动




重点:梁的几种常见的振动方程;梁的振型正交性的原理和应用。

难点:梁的振型叠加法的具体计算过程;移动荷载问题的梁振动分析。

第七章连续体系的离散化与近似分析

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

集中质量法,变分直接法,加权残值法




2

动力有限元法




3

单元刚度矩阵,单元几何刚度矩阵,单元质量矩阵,结构质量矩阵





重点:几种连续体系离散化和近似分析方法的基本思想;有限元分析基本要素的理解和应用。

难点:单元刚度矩阵、单元质量矩阵和等效节点荷载的具体计算方法。

第八章 结构动力特性的实用计算方法

序号

知识点

能力层次

记识

理解

简单应用

综合应用

1

特征值问题,迭代法,逆迭代法




2

瑞利法,瑞利一里兹法,子空间迭代法




3

动力自由度的缩减:静力凝聚法,里兹向量法





重点:几种结构动力特性实用计算方法的理解和应用。

难点:几种结构动力特性实用计算方法特点和优劣的理解辨析。  

七、考核要求

本课程采用平时成绩和期未成绩相结合的考核方式,旨在考查学生对结构动力学基本和分析方法的掌握情况,独立或合作解决结构动力学实际问题和深入思考的能力。具体际如下:

成绩组成

具体形式

权重

平时成绩

习题作业

20%

大作业

10%

课程报告

10%

期末成绩

卷面考试

60%


八、编写成员名单

吕大刚(哈尔滨工业大学)、周广春(哈尔滨工业大学)、马晓儒(哈尔滨工业大学)、惠宽堂(西安建筑科技大学)、刘晶波(清华大学)、聂鑫(清华大学)、陆新征(清华大学)、陈盈(北京工业大学)、吕朝锋(浙江大学)、赵宪忠(同济大学)