结构力学求解器教程.docx

1、结构力学求解器教程SM Solver 简明教程编者: Local HUST 2009年3月31号第一部分：绪论在绪论里我想说明两个问题，一个是一些题外的话，一个就是求解器的功能的说明。结构力学求解器即SM Solver是一个很轻巧的计算软件，但是其功能相对来说来是比较强大的，其实它的操作并不复杂（相对其它一些工程上常用的计算软件来说，如ANSYS），但是我在学习的过程中却发现结构力学求解器的教程还真的是不多，在校图书馆里查找了一下没有相关的书籍，在网上XX了一下没有发现在什么有用的东西，我想是因为这个软件很简单没有必要专门写个教程，但是我想一个教程对一个初学者来说还是很有用的，我便有这样一个自

2、己试着去写一个简教程的想法，于是我就小小的研究了下这个程序。来给出一些简单的供初学者入门的指导。当然由于我个人的水平有限再加上研究的时间也不长可能给大家写的东西只是一些很粗糙的很表面的，希望大家在读的过程中能够够给我多多提提宝贵的意见和建议帮助我进步，也帮助进一步的完善这个教程。对于结构力学求解器有很多的版本，为了明确期间，这里先简单的介绍一下我用的这个求解器的版本。这个版本的相关信息：SM Solver for student 版本1.5（学生版）ISBN 7-900015-23-X清华大学土木系结构力学考研室研制高等教育出品为什么要选择这个版本有以下几个原因：一：因为这个教程我主要面对学生

3、的，所以在些选这个版本还是比较合适的。二：这个版本的求解器是我们在学习阶段比较好的一个选择，简单易学。三：这个版本的功能还是可以的，能够解决我们平时学习中遇到的问题。四：软件之间都是相通的，精通一个其它的自己完全可以去学习，因为已经有了基础。 这个教程容不多，为了更好的帮助大家理解，在编排的过程中我在其中插入了好多截取的实例图片，这个能够更好的的去让大家学习实际的操作以及每一步操作人机交互的结果界面。程序功能SM Solver是结构力学辅助分析计算的通用程序。其主要功能如下。自动求解功能：(1) 平面体系的几何组成分析，对于可变体系可静态或动画显示机构模态；(2) 平面静定结构和超静定结构的力

4、计算和位移计算，并绘制力图和位移图；(3) 平面结构的自由振动和弹性稳定分析，计算前若干阶频率和屈曲荷载，并静态或动画显示各阶振型和失稳模态； (4) 平面结构的极限分析，求解极限荷载，并可静态或动画显示单向机构运动模态；(5) 平面结构的影响线分析，并绘制影响线图；智能求解功能：(1) 平面体系的几何构造分析：按三刚片法则求解，给出求解步骤； (2) 平面桁架的截面法：找出使指定杆为截面单杆的所有截面； (3) 平面静定组合结构智能求解：给出求解步骤；其它辅助功能：(1) 强大的命令文档编辑及文件读写功能。 (2) 二维结构的图形显示； (3) 分析求解结果的数值显示、图形显示和动画显示。几

5、何组成几何组成”和“几何构造”子菜单功能上的异同按下编辑器中的“求解”菜单中的“几何组成”子菜单后，SM Solver调用其中的自动求解模块，列出当前问题的分析结果，包括“多余约束数”，“体系自由度数”和“结论”；如果是可变体系的话（即体系自由度数大于0），还可以静态或动态地显示各阶位移模态。按下编辑器中的“求解”菜单中的“几何构造”子菜单后，SM Solver调用其中的智能求解模块，可将“几何构造分析”的步骤（用两刚片或三刚片法则说明）和结论列出。“几何组成”子菜单为自动求解，着重计算的结果，并可以进行位移模态的静态和动画演示（如果结构是可变机构的话）；而“几何构造”则是模仿人工求解的思路，

6、着重给出进行分析的中间步骤和思路，两者的功能正好是相辅相承。（算法实现上，前者采用的是矩阵分析的方法，后者则采用了数学中的图论的算法。）截面法截面法求解截面法求解只适用于桁架结构。对于某一指定杆件而言，如果存在一截面，使得该指定杆件的轴力可由该截面截出的某一隔离体的平衡方程一次性求出，则称此截面是该指定杆件的一个“单杆截面”（即该指定杆件是该截面的一个截面单杆）。本算法的功能就是对于任一指定杆件，可以不遗漏地找出其所有的“单杆截面”。组合结构智能求解静定组合结构的智能求解组合结构是静定结构中最一般的结构，其中的杆件既有梁式杆，又有二力杆。静定桁架和静定刚架等都可以看成是组合结构的一种特例。对任

7、意一般的组合结构的求解，本模块给出中间解题步骤，使大多数静定结构的智能求解问题得到解决。目前已能对大多数常规类型的组合结构问题给出具体的中间文字提示步骤和相应的隔离体图形显示。第二部分：基础知识 我们在用求解器的目的的是为了解决实际的问题，在这个过程中我人必不可少的要有建立模型这个过程，为了更好的建立模型我们在求解器里的建模过程是在坐标系中进行的，求解器目前支持的坐标系是我们常用的直角坐标系。下面就说明一下一些约定：符号约定 整体坐标: (x, y)，转角或弯矩以x向y转为正； 局部坐标: x从单元的端点1指向端点2；y坐标从 x坐标按右手准则转90度获得； 所有与位移有关的量均按整体坐标(x

8、, y)输入和给出； 结点荷载方向按整体坐标定义，与整体坐标同向为正； 单元荷载方向按局部坐标定义，其正方向为局部坐标的反方向； 弯矩图画在杆件受拉一边，正负号取为局部坐标 y轴的反方向； 剪力正方向同局部坐标 y轴正方向； 轴力受拉为正； 角度按度取值；注意上面的一个整体坐标系和局部坐标系的区别，整个坐标系是对所建立的整个模型还说的，也就是可以对所建立的整个模型中的毎个杆作件都适用，而局部坐标系只是我们对某一个部件来说的，也即它只是对这个特定的部分是适用的。 对于其它是的符号的规定和结构力学中的规定小异，读者可以参考结构力学在此我就不再多说。 像我们学习其它软件一样，我们先要知道其中有哪些菜

9、单功能，因为就像在Windows 中菜单可能是我们快速掌握软件功能及操作的捷径一样，求解器中也不例外。在SM Solver界面分成两个部分，一个是我们输入数据用的，叫作“编辑器”，在这里我们可以进行建模，定义，计算等一些操作。另一个是输出数据结果用的，当然主要是以图形的形式直观的显示出来，叫作“观览器”，在这里我们不但可以看到求解器给也的最后求解答案，而在建模过程中对应我们每一步的输入都会有相应的结果即时是显示出来，大大方便了我们的对建模过程的了解以做及时的修正。这些方便在我们后续的学习中会慢慢的显示出来，大家也可以慢慢的感受到不解器的方便。SM Solver有Windows一样，有让我们方便

10、操作的菜单命令，让我们事半功倍，下面就详细的说明一各个菜单。首先要介绍的是“编辑器：中菜单的功能。“编辑”菜单编辑光标显示为一条竖线。当您键入命令时，该文字就显现在光标位置，编辑器允许全屏幕编辑。这样在键入字符前，您可以用箭头键或鼠标移动光标。编辑过程中，鼠标指针作为一个“插入点”，插入点形状象一个大写字母I。移动鼠标，可以将插入点放在当前文档中的任何位置；点击鼠标，光标会立即跳到插入点处。随后，您可以在新位置输入命令。编辑器可以使用文本块工作。先将光标移到某一块的开始位置处，然后再按住Shift键，同时用箭头键移动光标，这样您就选中了一个文本块。文本块可以移动，复制到剪贴板上，或删除它。您也

11、可以将剪贴板上的文本粘贴到您的文档中去。当然上面说的这些是我们在用命令输入的时候用的到的，在求解器里们完全可以用相应的鼠标点击相当的菜单选项来完全整个建模和计算的过程。也许对于初学者这个更方便，但是前者却能更深刻的来理解求解问题的过程。复原使用该命令，可以取消上一次所做的编辑。如果无编辑操作，则该命令无法使用。（类似于我们在CAD中的复原）剪切使用该命令，可以从文档中删除选定文字，并将其置于剪贴板上。如果未选定文字，则该命令无法使用。将文字剪切到剪贴板上，代替其中原先储存的容。复制使用该命令，可以将选定文字复制到剪贴板上。如果未选定文字，则该命令无法使用。将文字复制到剪贴板上，代替其中原先储存

12、的容。粘贴使用该命令，可以在插入点插入剪贴板上容的备份。如果剪贴板是空的，则该命令无法使用。删除从文档中删除选定的文本，但不将删除的文本放到剪贴板中。如果想从当前文档中删除文本且该文本已存在于剪贴板中，可以使用“删除”命令。查找使用该命令，可以在活动文档中搜索指定的文字。查找下一个不需打开“查找”对话框即可重复前一个搜索动作。若选择该命令前未使用“查找”命令，则该命令无法使用。全选使用该命令，可以选定整个文档。时间/日期将当前的时间和日期加入文档中。编辑器：“文件”菜单文件菜单提供了各种常见的文件操作，这些菜单的使用方法和一般的Windows应用程序完全一样，这里就不详细介绍了。新建使用该命令

13、，可以创建新文档。打开使用该命令，可以打开某个己存在的文档。您还可以用“窗口”菜单在打开的文档间来回切换。SM Solver打开的文件名后缀统一为“.inp”关闭使用该命令，可以关闭所有包含当前活动文档有关容的窗口。在关闭窗口之前，SM Solver 会提示您保存对文档所作的修改。如果关闭某一文档而不将其保存，则自上一次保存后所作的修改将全部丢失。在关闭第一次创建的文档之前，SM Solver 将显示“另存为”对话框，提示您为文档命名并将其保存。保存使用该命令，可以保存当前活动文档及其当前的文档名。当您第一次保存某一文档时，SM Solver 将显示“另存为”对话框，以便对文档命名。如果要将某

14、一已有的文档以另一个名字保存，也可选择“另存为”命令。另存为使用该命令，可以用指定的文件名保存和命名活动文档。打印使用该命令，可以控制文档的打印方式并打印指定容。退出使用该命令将退出SM Solver 本次执行。也可以使用应用程序控制菜单中的“关闭”命令。SM Solver 将提醒您保存已作修改但尚未保存的文档。注意这个命令是整个的退出求解器程序，用之间要保证自己的数据已经保存，否则无法恢复。“退出”下方的文件名使用“文件”菜单下方列出的文件名，可打开以前关闭的最近的四个文件。其次要介绍的是“观览器”菜单功能“查看”菜单总在最前这个命令使得观览器的窗口不会被其他窗口挡在后面，总是能在前面显现出

15、来。连续显示根据设计文档，一次性地将当前问题的整个结构图形画出。单步显示根据设计文档，逐行（命令行）显示当前问题的结构图形。单步显示钮按下后，工具栏的最右方将出现一个“停止单步显示”钮，可用于中断单步显示。暂停显示暂时中断结构图形的显示。复制到剪贴板将观览器中图片复制到剪贴板，下有两个子菜单：点位图 将当前观览器中图形以点位图形式按原大小复制到剪贴板上。矢量图 将当前观览器中图形以矢量图形式复制到剪贴板上。下有四个子菜单：原始大小 剪贴板上的矢量图大小取默认值；3/4倍大小 剪贴板上的矢量图大小取3/4倍默认值；1/2倍大小 剪贴板上的矢量图大小取1/2倍默认值；1/4倍大小 剪贴板上的矢量图

16、大小取1/4倍默认值；缩放改变观览器窗体大小时，自动按比例放大或缩小力图形。剪裁改变观览器窗体大小时，力图形大小及位置保持不变。缩放比率根据选定比率，放大或缩小力图形。颜色.使用“颜色”选项，可以改变 SM Solver 观览器中图形中各组成元素的颜色设置。此时SM Solver会出现一个“调色板”对话窗体，它可以允许用户控制各种图形元素（包括背景，结点、单元、支座、荷载、结点码、单元码、荷载值、文本、尺寸线、单元刚度和极限弯矩等）在观览器中的显示颜色。例如想将背景色改成白色的，可以首先在对话窗体的“图形元素选择栏”中选中“背景”元素，然后按下其中的“调色板”按钮，此时弹出一个标准的“调色板”

17、对话框，选中白色后，按下此对话框左下方的“确定”按钮后返回“调色板”对话窗体，此时可在“颜色效果预览区”观察其颜色效果，如果满意，再按下该对话窗体下方的“确定”按钮则可。退出关闭图形观览器。观览器：“标注”菜单 全部标注 当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），所有的标注项（除定制编码外）均标注出。若再次单击此菜单时，按默认情况标注出结点码、单元码和力大小。单元长度当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），在所有单元的边上标注单元的长度。结点码当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有结点的编码。单元码当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的编码。定制结点码当

18、此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），可以允许将指定的结点以指定的编码标注。定制单元码当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），可以允许将指定的单元以指定的编码标注。抗拉刚度当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的抗压刚度值。抗弯刚度当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的抗弯刚度值。抗剪刚度当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的抗剪刚度值。极限弯矩当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的极限弯矩值。均布质量当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的均布质量值。荷载大小当此命令被选中时（其旁边出现一

19、个选中标记），标注所有荷载的数值大小。力大小当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），标注所有单元的最大和最小力值。观览器：“显示”菜单单元方向当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），在单元中点处标出一个箭头用以显示单元的方向。（单元输入时先后有两个结点，单元方向是指由第一个结点指向第二个结点的方向）结点当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），显示体系所有的结点。单元当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），显示体系所有的单元。支座当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），显示体系所受的全部约束。荷载当此命令被选中时（其旁边出现一个选中标记），显示体系所受的全部荷载。观览器：“设

20、置”菜单结点编码形式用此命令可允许用户选择三种不同的结点码的标注格式。这三种编码形式分别是：1,2,3. ; a,b,c. 或者A,B,C.显示幅度设置用此命令可改变位移，力图形的显示幅度。此时SM Solver会出现一个“显示幅度设置”对话窗体，通过改变对话窗体中的位移或某一力的“最大值显示单位”，可以使观览器中的相应的位移或力图形的显示幅度增大或减小。例如观览器中正显示位移图，如果想将其显示幅度放大，可将“最大值显示单位”选项组中“位移”一栏的数值增大一些。另外也可以通过观览器工具栏中的和按钮直接来调节位移或某一力的显示幅度。选项.此时出现一个“设置选项”对话窗体，其中：“线条宽度”选择栏

21、中有多级选项，可以调节观览器中不同线形的显示宽度，1级最细，3级最粗；“刚性单元”选择栏可定义刚性单元并调节其线形的加宽倍数；“铰的半径”和“集中质量半径”可以调节观览器中画出的铰半径、集中质量块半径的大小；“标注字体大小”选择栏可以按磅数确定观览器中各种标注的字号大小；“标注位置”选择栏可以确定杆件上各种标注的相对位置；“杆件力图划分段数”和“杆件变形图划分段数”可以确定绘制杆件力图、变形图时的数据点数；数据点的采集首先保证取到图形的关键点。“全部默认”按钮将对话框中的所有参数恢复为默认值。观览器：“帮助”菜单使用该命令，可以显示打开的第一幅帮助屏幕。从此初始屏幕上，您可以转到使用 SM S

22、olver 的功能介绍和各种类型的参考信息。选择帮助主题单击您要查看的带下划线的主题。或按 TAB 键选定该主题，然后按输入键。帮助使用方法介绍帮助系统使用方法。关于SM Solver使用该命令，可以显示您使用的 SM Solver 的版本号、声明以及可得到的磁盘空间和存。说明：“编辑器”和“观览器”中的帮助目录实质是一样的，在此就只说“观览器”“编辑器”相同。第三部分：问题的定义上面两个部分我们只是介绍了一下求解器的的一些基本情况，是有点啰嗦但我觉得是必须的，基本的知识总是基础，掌握了这些会以我们对用求解器对问题的描述能更加的方便自如。当然如果你以前已经接触过SM Solver 对它是基础情

23、况还是比较了解的，你也完全可以略读上面的容。下面我们将进入问题定义的实质性问题中，我们将学习如何用SM Solver的语言来描述问题。在此我先给出一些命令语句及相应的“菜单”操作。我就在此称它们为“命令指南”。问题标题 TITLE, Ttext(缺省值=空行)Ttext，标题文本(小于75个字符)这个命令是在我们定义一个问题前首先应该进行的一个工作，当然你缺省了这一步对你以后对问题的定义及计算没有什么影响，但是这是一个好的习惯，就像写程序一样，程序不仅仅是用来给计算机运行的，而且还是会给人来看的，一个好的编程风格（主要是书写风格）会让人更好的理解你的问题及思路。在此也是一样的道理。例如我现在我

24、定义一个问题的名称为 Title 1就可以这样来写：TITLE,Title 1结点弹簧NSPR, Sn, Stype, Sdir, Stiffx , Stiffy , StiffR Sn，支承的结点码；Stype，支承类型，参见支座定义窗口中的图示；Sdir，支承方向，以图示方向为零，绕结点逆时针旋转为正；Sdisx，x方向弹簧刚度；Sdisy，y方向弹簧刚度；SdisR，转角方向弹簧刚度（暂无此功能）。注：弹簧支承仅支持线弹簧，暂不支持转动弹簧，下同。这个力学模型我们在结构力学中一般很少遇到，在此大家只需要做一上了解即可。定制结点码NNUM, Nn1, Label1, Nn2, Label2

25、, . . . 用这个命令你可以对结点码进行定义。一般不是及常用的命令。注释结点定制编码定义Nn1，Nn2，. . . 结点编码Label1, Label2, . . . 用户定制的结点名（可为字符串）C Ctext 或 C, CtextCtest，注释文本(小于75个字符)注：C后应至少留一空格，或加一逗号杆端弹簧ESPR, Selem, SelemEnd, Stype , Sdir ,Stiffx , Stiffy , StiffR Selem，单元编码；SelemEnd, 单元杆端；Stype，单元杆端弹簧类型；Stype=1，x方向；Stype=2，y方向；Stype=3，转角方向；S

26、type=4，x方向、y方向和转角方向；Stype=5，斜向；Sdir，弹簧支承方向，仅当Stype=5时需输入；Sdisx，x方向的弹簧刚度；Sdisy，y方向的弹簧刚度；SdisR，转角方向的弹簧刚度（暂无此功能）。注：同结点弹簧。如果上面所提到的结点弹簧一样这个定义也是在你们学习结构力学中很少遇到的问题，在此也只是做简单的了解。定制单元码ENUM, En1, Label1, En2, Label2, . . . 单元定制编码定义En1，En2，. . . 单元编码Label1, Label2, . . . 用户定制的单元名（可为字符串）注：如果上面的定制结点码一样。变量定义 LET, V

27、arName=Formula, VarName=Formula, .VarName，变量名Formula，算术表达式（按Fortran语言语法）注：在这里的变量的定义类似于编程语言中对变量的定义。在我们定义一个变量以后我们就可以用已经定义的这个变量来定义其它问题或者参与计算。你可能会说要是我们不用定义的变量也可以完成这些工作，在们问题规模比较小的时候这两个似乎是没有什么大的区别，但是当我们问题变的复杂的时候我们也许就不会有这样的感受了。特别同一个数据多次被使用或参与计算的情况下这个问题就变的越外的突出。在此我们要是再使用变量定义这个命令将会对我们的问题定义过程及以后的修改过各带来不可估量的方便

28、。在此我还想强调的一点是在使用一个变量时必须保证这个变量在使用之前已经被定义，并且不要重复定义同一个变量，这样将造成混乱。下面给出一下变量定义的例子：LET,A=2,H=1.5在这样的一个语句之后我们当我们再次用A和H的时候它们将会代表2和5，也即等同于我们使用2和5。结点荷载NLOAD, Ln, Ltype, Lsize, Ldir Ln，荷载作用的结点码Ltype，荷载类型；Ltype=1，集中荷载，指向结点Ltype=-1，集中荷载，背离结点Ltype=2，逆时针方向的集中弯矩Ltype=-2，顺时针方向的集中弯矩Lsize，荷载大小Ldir，荷载方向（度），仅当Ltype=1或-1时输

29、入，缺省值=0单元荷载ELOAD, Ln, Ltype, Lsize1, Lsize2, Lpos1, Lpos2,Ldir Ln，荷载作用的单元码；Ltype，荷载类型；Ltype=1 (-1)，集中荷载，指向（背离）单元；Ltype=2 (-2)，逆时（顺时）针方向的集中力矩；Ltype=3 (-3)，均布荷载，指向（背离）单元；Ltype=4 (-4)，逆时（顺时）针方向的均布力矩；Ltype=5 (-5)，线性荷载，指向（背离）单元；Ltype=6 (-6)，逆时（顺时）针方向的线性力矩；Lsize1，Lsize2，荷载大小；当Ltype=1, -1, 2, -2, 3, -3, 4,

30、 -4时，输入Lsize1；当Ltype=5, -5, 6, -6时，输入Lsize1及Lsize2；Lsize1，荷载起点的大小；Lsize2，荷载终点的大小；Lpos1，荷载起点至单元杆端1的距离与单元杆长的比值，缺省值=0；Lpos2，荷载起点至单元杆端1的距离与单元杆长的比值，缺省值=1；Ldir，荷载方向（度），仅当Ltype=1, 3, 5或-1, -3, -5时输入，缺省值=0。注：这两个命令的菜单操作顺序：命令荷载条件，即可弹出下面的窗口：这个窗口中我们可以进行结点载荷载的定义，窗口上部的荷载类型给出了可以进行定义荷载的各种荷载形式。接着在下面有的选项栏可以选择定义结点荷载还是单元荷载（对于结点和单元的定义我们将会随后讲到），接着下面是根据选择来确定荷载具体加载的位置。类型可以根据最上面的荷载类型来进行选择（填上相应的数字即可），然后再定义大小，再定义方向，初始默认方向就是荷载类型上面所指示的方向，若需要改变方向输入相对的转角即可。在这这里填入正的角度值将会逆时针转动，负的角度值将会顺时针转动。在填写上面的数据项以后可以单击预览在观览器里看一上定义的效果是否和问题要求相同如果不同刚可以再进行修改，如果趋同则可以单击确定刚定义成功。一次成功定义已经还可以连续定义，如果不需要则单击关闭即可。在