相似理論與模型試驗(yàn) PPT

1、第二章第二章結(jié)構(gòu)相似理論結(jié)構(gòu)相似理論教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院2012年11月16日2.1 概述力學(xué)分析理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究原型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)是將發(fā)生在原型中的力學(xué)過(guò)程,在物理相似條件下，經(jīng)縮小(或放大)后在模型上重演。對(duì)模型中的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、記錄、分析，并根據(jù)相似關(guān)系換算到原型中去，達(dá)到研究原型力學(xué)過(guò)程的目的。模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)Akashi Kaikyo Bridge, Japan明石頭海峽大橋，日本模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)航空航天領(lǐng)域UCSD-NEES 室外振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)原型試驗(yàn)原型試驗(yàn)日本，E-Defense振動(dòng)系統(tǒng)，“足尺三維振動(dòng)破壞實(shí)驗(yàn)設(shè)施”模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

2、：經(jīng)濟(jì)性好模型尺寸小針對(duì)性強(qiáng)突出主要因素，略去次要因素?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)的應(yīng)用：代替大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)或作為大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的輔助試驗(yàn)。作為結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的輔助手段。驗(yàn)證和發(fā)展結(jié)構(gòu)計(jì)算理論。模型試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相似理論2.2 模型的相似物理量和物理現(xiàn)象的相似2. 物理現(xiàn)象相似是指除了幾何相似之外，在進(jìn)行物理過(guò)程的系統(tǒng)中，在相應(yīng)的地點(diǎn)（位置）和對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，模型與原型的各相應(yīng)物理量之間的比例應(yīng)保持常數(shù)。1. 物理量相似 各種物理量，如幾何，質(zhì)量，力等。在兩個(gè)系統(tǒng)中，所有向量在對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻方向相同、大小成比例，所有標(biāo)量也在對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻成比例2.2.1基本概念2.2.2 物理量的相似1.幾何相似要

3、求模型與原型結(jié)構(gòu)之間所對(duì)應(yīng)部分的尺寸成比例。幾何尺寸之比稱為幾何相似常數(shù)。mmmlppplbhSlbhlSlbhmp幾何相似常數(shù)、 、結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的線性尺寸、分別代表模型和原型2mmmAlpppAhbSSAhb對(duì)一矩形截面，模型和原型結(jié)構(gòu)的面積相似常數(shù)、截面抵抗矩相似常數(shù)和慣性矩相似常數(shù)分別為2321616mpmmpWplbhWWbShS343112112mpIlmmppbhIIbShS 面積相似常數(shù)截面抵抗矩相似常數(shù)慣性矩相似常數(shù)相似常數(shù)2.質(zhì)量相似要求模型與原型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)部分質(zhì)量成比例。質(zhì)量之比稱為質(zhì)量相似常數(shù)。pmmmmS對(duì)于具有分布質(zhì)量部分，用質(zhì)量密度表示。pmS3lSSSS

4、SmVm質(zhì)量密度相似常數(shù)3.荷載相似要求模型與原型在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的荷載方向一致，大小成比例。集中荷載相似常數(shù)線荷載相似常數(shù)面荷載相似常數(shù)彎矩或扭矩相似常數(shù)2lSSAAPPSPPmmpmplSSS3lMSSSqSS4.物理相似 要求模型與原型的各相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變、剛度和變形間的關(guān)系相似。數(shù)。應(yīng)變和泊松比的相似常剪應(yīng)力、剪切模量、剪應(yīng)變、正應(yīng)力、彈性模量、正SSSSSSSGE,mmmGpPPGSSSGmpSmmmEpPPESSSE5.時(shí)間相似 pmtttS 時(shí)間相似常數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問(wèn)題，在隨時(shí)間變化的過(guò)程中，要求模型與原型在對(duì)應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行比較，要求相對(duì)應(yīng)的時(shí)間成比例。6.邊界條件相似 要求模型與

5、原型在與外界接觸的區(qū)域內(nèi)的各種條件（支承條件、約束條件和邊界上的受力情況等）保持相似。7.初始條件相似動(dòng)力問(wèn)題 要求模型與原型在初始時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)相似。 初始幾何位置、質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度。模型上的速度、加速度和原型的速度和加速度在對(duì)應(yīng)的位置和對(duì)應(yīng)的時(shí)刻保持一定的比例，并且運(yùn)動(dòng)方向一致。與原型結(jié)構(gòu)構(gòu)造相同的條件2.3.結(jié)構(gòu)相似定理FmpFS F以牛頓第二定律為例來(lái)說(shuō)明第一相似定理性質(zhì)對(duì)于原型： (1)力相似常數(shù)如果模型與原型相似，則各對(duì)應(yīng)物理量成比例： 對(duì)于模型 (2)pppaMF mmmaMFmmpmS mmapaS a質(zhì)量相似常數(shù)加速度相似常數(shù) (3)2.3.1.第一相似定理pppam

6、FamFSSSpmppmmFFidemm am a將(3)代入(2)，與(1)相比有：稱這一無(wú)量綱量為相似準(zhǔn)數(shù)，也稱相似判決，相似系統(tǒng)相似準(zhǔn)數(shù)相同emFmaid1FmaSS S無(wú)量綱值相似指標(biāo)(4)將(3)代入(4)（4）式為判別模型與原型是否相似的條件，稱為相似指標(biāo)，若兩個(gè)物理系統(tǒng)現(xiàn)象相似，則它們的相似指標(biāo)為1。去掉角標(biāo)，寫成一般形式:已知系統(tǒng)相似確定相似條件第一相似定理:彼此相似的現(xiàn)象，以相似常數(shù)組成的受現(xiàn)象制約的相似指標(biāo)等于1或相同文字組成的相似準(zhǔn)數(shù)為一不變量。相似常數(shù):在兩相似現(xiàn)象中，兩個(gè)對(duì)應(yīng)的物理量之比為常數(shù)。相似指標(biāo):由彼此相似現(xiàn)象中各相似常數(shù)組成的無(wú)量綱量,彼此相似的現(xiàn)象都滿足相

7、似指標(biāo)等于1的條件。相似準(zhǔn)數(shù):在所有相似的現(xiàn)象中是一個(gè)不變量，無(wú)量綱量,所有相似的系統(tǒng)相似準(zhǔn)數(shù)應(yīng)相等。幾個(gè)重要概念小結(jié)2.3.2 方程分析法 利用描述現(xiàn)象的基本微分方程組導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)（判據(jù)）。具體步驟：第一步：將方程對(duì)于原型寫出，加角標(biāo) p；第二步：將方程對(duì)于模型寫出，加角標(biāo) m；第三步：定義模型和原型同名物理量間的相似常數(shù)；第四步：將模型方程中各物理量以相似常數(shù)和原型中對(duì)應(yīng)物理量表示。第五步：比較原型與模型方程，消去原型方程中的各物理量，即得到無(wú)量綱形式的相似指標(biāo)和相應(yīng)的相似準(zhǔn)數(shù)（判據(jù)）。例1：?jiǎn)巫杂啥认到y(tǒng)有阻尼受迫振動(dòng)相似準(zhǔn)數(shù)的導(dǎo)出。振動(dòng)微分方程如下： 22d ydymckypdtdt解：

8、對(duì)于原型系統(tǒng)振動(dòng)微分方程22pppppppppd ydymck ypdtdt22mmmmmmmmmd ydymck ypdtdt對(duì)于模型系統(tǒng)振動(dòng)微分方程,mmmmmmmckytpppppppmckytpSSSSSSmckytp 各物理量的相似常數(shù)為,mmpmcpmkpmppmt pmppmS mcS ckS kyS ytS tpS p模型系統(tǒng)各物理量為將上式代入模型系統(tǒng)，得：222ypypmpcpkypppptptpSd ySdySmScS Sk ySpSdtSdt2yymckypttSSSSS SSSS222ypypmpcpkypppptptpSd ySdySmScS Sk ySpSdtSd

9、t與原型系統(tǒng)相比較，得：由上式得222mycyttmykytmyptS SS SSSS SS SSS SSS122222311, 1,ctmktmptmyS SSS SSS SSctSmktmptmy22pppppppppd ydymck ypdtdtPLa()()pppppppppppMP LaMPLaWW例2：一懸臂梁結(jié)構(gòu)，在梁端作用一集中荷載 P，截面高 h，寬 b，求相似準(zhǔn)數(shù)。解：對(duì)于原型結(jié)構(gòu)，在任意截面 a處彎矩、正應(yīng)力和撓度為：2(3)6pppppppP afLaE I()()mmmmmmmmmmmMP LaMPLaWW2(3)6mmmmmmmP afLaE I模型方程,mmmmm

10、EpMfpppppEPMfSSSSSEPMf22()()(3)6mmmmmmmMPllpfmmmmElpmmmmmSS SS SSS S SMP LaPLaWP afLaESI將以上各式代入原型系統(tǒng)方程，則相似系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似常數(shù)為34,mmllmmmmlwIpppppplahbSSSlahWISSIbW將上式并與模型系統(tǒng)相比較，得相似準(zhǔn)數(shù)如下2111MPllpfElpSS SS SSS S SS1223MPLLPfELP2mmpMplmlpmpmElpmfpMMMSS SSSSfS SffSS由相似條件得到原型受力分布323(2)24()2()2q xyLLxxEIq xMLxq xLxW例3

11、：受均布載荷 q 作用的簡(jiǎn)支梁在截面 x 處的撓度、彎矩和正應(yīng)力如下，求相似準(zhǔn)數(shù)。解：原型系統(tǒng)方程323(2)24()2()2pppppppppppppppppppq xyLL xxE Iq xMLxq xLxW相似系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)各物理量的相似常數(shù)為：43,mmmmmyMqlpppppmmmmlEIlWlppppyMqxSSSSSyMqxLEIWSSSSSSLEIW模型系統(tǒng)方程323(2)24()2()2mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmq xyLL xxE Iq xMLxq xLxW將模型系統(tǒng)各物理量代入上式43234223(2)24()2()2qlElqlqllppypppppppppM

12、PPPppppppS S q xS yLL xxS S E IS S q xS MLxS S q xSLxSW43,mypmMpmpmpmlpqmlpmEpmlpmlpyS yMS MSqS qxS xLS LES EIS IWS W模型系統(tǒng)各物理量為1223EyqMq llq整理得2111EyqMlqlqS SSSS SS SS3223(2)24()2()2EqqlqyMlpppppppppppPPPppppppS SSSS Sq xyLL xxE Iq xMLxq xS SSLxW則相似條件為2.4.1.基本概念量綱：物理量的種類量綱表示：麥克斯韋爾符號(hào)，比如L,M,T，表示長(zhǎng)度，質(zhì)量和時(shí)

13、間的量綱。2.4 量綱分析法量綱只區(qū)分物理量得種類，而不區(qū)分同一物理量得不同量度單位，如：5m，500cm。同名物理量具有相同的量綱。質(zhì)量系統(tǒng)：長(zhǎng)度L、時(shí)間T、質(zhì)量M絕對(duì)系統(tǒng)：長(zhǎng)度L、時(shí)間T、力F無(wú)量綱量：物理量無(wú)量綱，用1表示。基本量綱:具有獨(dú)立性的量綱，任何一個(gè)量綱不可能由其他量綱組成。導(dǎo)出量綱:所研究物理過(guò)程中全部有關(guān)物理量都可由這組基本量綱表示，任何物理量B的量綱可寫成B=FLT速度=長(zhǎng)度/時(shí)間 V=LT-1力=質(zhì)量加速度=質(zhì)量長(zhǎng)度/時(shí)間 F=MLT-2常用物理量的量綱2.4.2.2.4.2.第二相似定理（第二相似定理（ 定理）定理）物理方程量綱均勻性：物理方程是反映客觀物理現(xiàn)象規(guī)律的

14、各物理量的關(guān)系式，方程中各項(xiàng)的量綱必須相相等，并應(yīng)使用同一度量單位。只有相同的量綱才能相加減，并用算術(shù)符號(hào)連接起來(lái)。（量綱和諧原理）物理方程量綱的齊次性：當(dāng)量度單位發(fā)生改變時(shí)，方程的結(jié)構(gòu)形式不變的性質(zhì)稱為物理方程量綱的其次那性。u 量綱的均勻性，齊次性若在一個(gè)物理方程中共有n個(gè)物理參數(shù)x1, x2, , xn和k個(gè)基本量綱，則可組成(n-k)個(gè)獨(dú)立的無(wú)量綱組合。無(wú)量綱參數(shù)組合簡(jiǎn)稱“ 數(shù)”，則此方程可改寫為(n-k)個(gè)數(shù)的方程，即：0),(21nxxxf12(,.,)0n kF 把表示物理過(guò)程的方程轉(zhuǎn)換成由相似準(zhǔn)數(shù)表示的方程。u 第二相似定理 假設(shè)一物理現(xiàn)象的關(guān)系方程為：f(x1,x2,xn)=

15、0,式中x1, x2, xn為n個(gè)物理量，其中k個(gè)為基本量綱，(n-k)個(gè)為導(dǎo)出量綱。k個(gè)基本量綱為：100112.kxx xx00112.kkxx xx010212.kxx xx11111212.nknknkkknkxxxxxxxxn-k 個(gè)導(dǎo)出量的量綱可用基本量綱表示：若把物理量 x1, x2, xk 的度量單位各縮小1/a1, 1/a2, , 1/ak，并取 a1, a2, ak 為任意數(shù)值，則在新的單位系統(tǒng)中各物理量的數(shù)值變?yōu)椋?11111121 1211n kn kn kkkkkknknkxa xxa xxxa aaaxaax將它們代入到物理方程中，則有：0).,.,.,.,(111

16、11211212211nkkkkkxaaaxaaaxaxaxafkn111112.kkxx xx為減少自變量數(shù)目，取 a1=1/x1, a2=1/x2, , ak=1/xk12(,1,1,.,1.,)0n kf 111112112.n kn kn kknn kkkx xxxxxxx這樣基本量量綱之比、數(shù)值之比都等于1；導(dǎo)出量數(shù)值之比為1，量綱之比等于無(wú)量綱數(shù) i 。12( , ,.,) 0n kF 12(1 ,1 ,.,1 , , ,.,) 0n kf 可寫成如果表示物理現(xiàn)象的方程中，包含 n 個(gè)物理量，其中k個(gè)具有或包含獨(dú)立量綱，于是 k 個(gè)可選為基本量，經(jīng)過(guò)變換，該物理現(xiàn)象可由 n-k 個(gè)

17、物理量綜合數(shù)群關(guān)系式來(lái)表示，這就是 定理，又稱第二相似定理。例4：?jiǎn)巫杂啥认到y(tǒng)有阻尼受迫振動(dòng)導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù) ( , , , , , )0f m y t c k p 解1：設(shè)現(xiàn)象中各物理量的關(guān)系方程如下：1111cm y t取m，y，t為量綱獨(dú)立的物理量，有：2222kmy t3333pm y t各物理量的量綱： Mm 2 MLTp 2 MTk 1 MTc Tt Ly 由無(wú)量綱量 1、2 、3 得比較可得 111222333122MTMLTMTMLTMLTMLT 1112223331,0,11,0,21,1,2 22123,ctktptmmmy所以由于 數(shù)對(duì)于相似的物理現(xiàn)象具有不變的形式，故模型設(shè)

18、計(jì)時(shí)需模型物理量與原型物理量滿足下式，即：2222,p pm mmpp pm mmpp pm mmmppc tc tmmk tk tmmp tp tm ym y將各物理量的相似常數(shù)代入上式，即得相似條件221, 11,ctmktmptmyS SSS SSS SS S解2：設(shè)現(xiàn)象中各物理量的關(guān)系方程如下：( , , , , , )0f m y t c k p 物理量個(gè)數(shù) n=6, 用絕對(duì)系統(tǒng)，基本量綱3個(gè)，則 函數(shù)為：123(,)0 所有物理量組成無(wú)量綱形式的 數(shù)的一般形式為：356124aaaaaam c ky tp1211 , , , , mFL TcFL TkFLyLtTpF查表得物理量的

19、量綱代入上式得35612412111 aaaaaaFL TFL TFLLTF根據(jù)量綱和諧要求，對(duì)量綱 F、L、T 有123123412560200aaaaaaaaaaa假若確定a1 , a4, a5,則：2153145642aaaaaaaaa 故無(wú)量綱 數(shù)可寫為：15141455415422aaaaaaaaaaaamkkytkcpcm cky tp，可得三個(gè)獨(dú)立 數(shù)：451511445,0,00,00,0,111aaaaaaaaa分別取22123,ctktptmmmy與方法1結(jié)果比較：根據(jù)第一相似定理，故模型設(shè)計(jì)時(shí)需模型物理量與原型物理量滿足下式，即：22,ppmmmpppmmmpp pm m

20、mpm km kcck yk yppk tk tcc將各物理量的相似常數(shù)代入上式，即得相似條件2, 1,11mkcmypktcS SSS SSS SS例5：對(duì)受集中載荷的簡(jiǎn)支梁導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù) ( , , ,)0PlfMW解：受豎向荷載作用的梁的正截面應(yīng)力 是梁的跨徑 l，截面抗彎模量 W，梁上作用荷載 P 和彎矩 M 的函數(shù)，這些物理量的之間關(guān)系可寫成一般形式：物理量個(gè)數(shù) n=5, 基本量綱 k=2個(gè)，則 函數(shù)為：123(,)0 所有物理量組成無(wú)量綱形式的 數(shù)的一般形式為：abc deP M l W23 , , FLMFLWLlLpF查表得各物理量的量綱則量綱矩陣 根據(jù)量綱和諧要求，對(duì)量綱 L、

21、F 有2300acdeabc確定a、b、d，則1133cabeabd a b c d e P M l WL -2 0 1 1 3F 1 1 1 0 0 故無(wú)量綱 數(shù)可寫為：11331313abdababbdadWPP Ml WWlMMW 可得三個(gè)獨(dú)立 數(shù)：1312313,WPWlMMW1,0,00,1,00,0,1abdabdabd分別取圖示為欄河水壩在動(dòng)力作用下，考慮結(jié)構(gòu)的自重及彈性力、慣性力、動(dòng)水壓力影響后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、振幅、頻率、加速度、幾何尺寸、材料密度、液體密度、重力加速度、材料彈性模量、泊松比的關(guān)系應(yīng)滿足：例6：分析如圖示的動(dòng)力模型實(shí)驗(yàn)的相似準(zhǔn)數(shù) 0),(EgLafuf解：取 , f, L 為量綱獨(dú)立的物理量，則十個(gè)物理量的量綱為：122332112 , , , , , , 1 , ML TuLaLTMLgfTMLTEMLTLLL，7776665554443332221117654321,fLfLEfLgfLfLafLufL解得