最新哈工大计算力学考试题及答案
哈工大力学基础考研真题
哈工大力学基础考研真题哈尔滨工业大学(简称哈工大)力学基础是考研中的一门重要科目,对于力学基础的掌握程度直接关系到考生在考试中的成绩。
因此,了解和熟悉哈工大力学基础考研真题是非常必要的。
首先,我们来看一道典型的哈工大力学基础考研真题:【题目】已知一个质点在x轴上运动,其速度v与位移x的关系为v=αx^2,其中α为常数。
求该质点的加速度a与位移x的关系。
【解析】根据题目中已知条件,我们可以得到速度v与位移x的关系式v=αx^2。
我们知道加速度a是速度v对时间t的导数,即a=dv/dt。
而根据链式法则,dv/dt=dv/dx * dx/dt。
因此,我们需要求解dv/dx和dx/dt两个导数。
首先,我们求解dv/dx。
根据题目中已知条件v=αx^2,我们对其进行求导,得到dv/dx=2αx。
接下来,我们求解dx/dt。
根据速度v与位移x的关系v=dx/dt,我们可以得到dx/dt=v。
将题目中已知条件v=αx^2代入,得到dx/dt=αx^2。
最后,我们将求解得到的dv/dx和dx/dt代入加速度a的表达式a=dv/dt=dv/dx * dx/dt。
将dv/dx=2αx和dx/dt=αx^2代入,得到a=2αx * αx^2=2α^2x^3。
因此,该质点的加速度a与位移x的关系为a=2α^2x^3。
通过解析这道典型的哈工大力学基础考研真题,我们可以看出考研力学基础的题目难度并不高,主要考察的是对基本概念和公式的理解和运用能力。
因此,考生在备考过程中,应该注重对基本概念和公式的掌握,并能够灵活运用到解题过程中。
此外,哈工大力学基础考研真题中还涉及到了其他一些重要的知识点,如动量、力和能量等。
考生在备考过程中,应该注重对这些知识点的理解和掌握,并能够将其应用到实际问题的解决中。
总之,了解和熟悉哈工大力学基础考研真题对于考生来说是非常重要的。
通过解析典型的考题,考生可以更好地了解考试的要求和出题思路,提高解题的能力和效率。
哈工大材料力学试卷及答案
一、填空题:请将正确答案写在划线内(每空1分,计16分) ⒈ 工程构件正常工作的条件是 ――――――――――――、、――――――――――――、―――――――――――――。
⒉ 工程上将延伸律------- δ的材料称为脆性材料。
⒊ 矩形截面梁横截面上最大剪应力max τ出现在―――――――――――各点,其值=τmax -------------。
4.平面弯曲梁的q 、F s 、M 微分关系的表达式分别为--------------、、-------------、、 ----------------。
5.四个常用的古典强度理论的表达式分别为―――――――――――――――――、―――――――――――――――――――――、 ――――――――――――――、―――――――――――――――――――――――――――――――――。
6.用主应力表示的广义虎克定律为 ――――――――――――――――――――― ;――――――――――――――――――――――;-―――――――――――――――――――――――。
二、单项选择题⒈ 没有明显屈服平台的塑性材料,其破坏应力取材料的――――――――――――。
⑴ 比例极限p σ; ⑵ 名义屈服极限2.0σ; ⑶ 强度极限b σ; ⑷ 根据需要确定。
2. 矩形截面的核心形状为----------------------------------------------。
⑴ 矩形; ⑵ 菱形; ⑶ 正方形; ⑷三角形。
3. 杆件的刚度是指――――――――――――――-。
⑴ 杆件的软硬程度; ⑵ 杆件的承载能力; ⑶ 杆件对弯曲变形的抵抗能力; ⑷ 杆件对弹性变形的抵抗能力;4. 图示二向应力单元体,如剪应力改变方向,则―――――――――――――。
⑴ 主应力的大小和主平面的方位都将改变;⑵ 主应力的大小和主平面的方位都不会改变; ⑶ 主应力的大小不变,主平面的方位改变; ⑷ 主应力的大小改变,主平面的方位不变。
(完整版)哈工大结构力学题库三章
第三章 虚功原理和结构的位移一 判 断 题1. 已知P M ,Mk 图,用图乘法 求位移的结果为:(ω1у1+ω2у2)/(EI )。
( ) (X ) 题1图 题2图 题3图2. 图示结构中B 点挠度不等于零。
( )(√)3. 图示桁架中腹杆截面的大小对C 点的竖向位移影响。
( )(X )4. 求图示A 点竖向位移可用图乘法。
( )(X )题4图 题5图5. 图示梁的跨中挠度为零。
( )(√)6. 在位移互等定理中,可以建立线位移和角位移的互等关系:12δ=21ϕ。
这里12δ,21ϕ与只是数值相等而量纲不同。
( )(X )7. 三个刚片用不在同一直线上的三个虚铰两两相联,则所组成的体系是无多余约束的几何不变体系。
( )(√)8. 几何瞬变体系产生的运动非常微小并很快就转变成几何不变体系,因而可以用作工程结构。
( )(X )9. 在任意荷载下,仅用静力平衡方程即可确定全部反力和内力的体系是几何不变体系。
( )(√)10. 两刚片或三刚片组成几何不变体系的规则中,不仅指明了必需的约束数目,而且指明了这些约束必须满足的条件。
( )(√)11. 在非荷载因素(支座移动,温度变化,材料收缩等)作用下,静定结构不产生内力,但会有位移,且位移只与杆件相对刚度有关。
( )(X )12. 虚功中的力状态和位移状态是彼此独立无关的,这两个状态中的任一个都可看作是虚设的。
( )(√)13. 温度改变,支座位移,材料收缩和制造误差不会使静定结构产生内力,因而也不产生位移。
( )(X )14. 计算自由度W 小于等于零是体系几何不变的充要条件。
( )(X )15.若体系计算自由度W<0,则它一定是几何可变体系。
( )(X )16.平面几何不变体系的三个基本组成规则是可以相互沟通的。
( )(√)17.三刚片由三个单铰或任意六根链杆两两相联,体系必为几何不变。
( )(X )18.图示三铰刚架,EI 为常数,A 铰无竖向位移。
哈工大物理试题及答案
哈工大物理试题及答案一、单项选择题(每题2分,共20分)1. 根据牛顿第二定律,物体的加速度与作用力成正比,与物体质量成反比。
如果一个物体的质量加倍,作用力减半,那么它的加速度将如何变化?A. 加速加倍B. 加速减半C. 保持不变D. 加速变为原来的四分之一答案:C2. 光在真空中的传播速度是3×10^8米/秒,而在水里的传播速度是多少?A. 2×10^8米/秒B. 3×10^8米/秒C. 1.5×10^8米/秒D. 1×10^8米/秒答案:A3. 以下哪种物质不具有磁性?A. 铁B. 铜C. 镍D. 钴答案:B4. 以下哪种现象不属于热力学第一定律的范畴?A. 能量守恒B. 能量转化C. 能量耗散D. 能量转移答案:C5. 以下哪种波属于横波?A. 声波B. 光波C. 无线电波D. 纵波答案:A6. 根据麦克斯韦方程组,以下哪种情况电磁波不能在真空中传播?A. 电场和磁场垂直B. 电场和磁场平行C. 电场和磁场同向D. 电场和磁场反向答案:B7. 以下哪种物质的比热容最大?A. 水B. 铜C. 铁D. 空气答案:A8. 以下哪种现象是布朗运动的体现?A. 尘埃颗粒在空气中的随机运动B. 水中的气泡上升C. 热空气上升D. 液体表面的波动答案:A9. 以下哪种情况会导致物体的折射率增加?A. 光从空气进入玻璃B. 光从玻璃进入空气C. 光从水进入空气D. 光从空气进入水答案:A10. 以下哪种情况不属于简谐运动?A. 单摆的摆动B. 弹簧振子的振动C. 抛物线运动D. 阻尼振动答案:C二、填空题(每题2分,共20分)1. 根据库仑定律,两个点电荷之间的静电力与它们的电荷量乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比。
公式为:F =________。
答案:k * (q1 * q2) / r^22. 根据热力学第二定律,在一个封闭系统中,熵总是倾向于增加,这意味着能量的可用性会逐渐________。
理论力学复习试题和答案(哈工大版)
C :作用于质点系的约束反力主矢恒等于零; D:作用于质点系的主动力主矢恒等于零;
..
..
6、 若作用在 A 点的两个大小不等的力 F 1 和 F 2,沿同一直
反。则其合力可以表示为
③
。
① F 1- F 2; ② F 2- F 1; ③ F 1+ F 2;
7、 作用在一个刚体上的两个力 F A、 F B,满足 F A=- F B 的条件,则该二力可能是②
( √) (× )
14、 已知质点的质量和作用于质点的力,质点的运动规律就完全确定。
(× )
15、 质点系中各质点都处于静止时,质点系的动量为零。于是可知如果质点
系的动量为零,则质点系中各质点必都静止。
(×)
16、 作 用 在 一 个 物 体 上 有 三 个 力 , 当 这 三 个 力 的 作 用 线 汇 交 于 一 点 时 , 则 此 力 系 必 然 平 衡 。
..
..
..
..
2、图示平面结构,自重不计。 求支座 A 的约束反力。
B 处为铰链联接。已知: P = 100 kN , M = 200 kN · m, L1 = 2m , L2 = 3m 。试
3、 一 水平 简支梁 结 构, 约 束和载 荷如 图 所示 , 求支座
q A
D
M B
E
P C
A和
B 的约束反力。
一、 是非题
1、 力 有 两 种 作 用 效 果 , 即 力 可 以 使 物 体 的 运 动 状 态 发 生 变 化 , 也 可 以 使 物 体 发 生 变 形 。
( √)
2、 在理论力学中只研究力的外效应。
( √)
3、 两端用光滑铰链连接的构件是二力构件。
哈工大理论力学教研室《理论力学Ⅰ》(第7版)章节题库-空间力系(圣才出品)
矩。已知:F=1kN,a=18cm,b=c=10cm。
图 3-6 解:解法一:利用力对点之矩与力对轴之矩的关系定理来计算。由于 CD 轴和 CE 轴均 过 C 点,因此可以先计算力对 C 点之矩,再将其分别向 CD 轴和 CE 轴投影来求解。
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图 3-2 【答案】C 【解析】先计算 F 在各轴上的投影大小
Fx = −F cos30。cos 60。, Fy = −F cos30。sin 60。, Fz = F sin 30。
再计算对各轴的矩
3.有重力为 W、边长为 a 的均质正方形薄板,与—重力为 0.75W、边长分别为 a 和 2a 的直角均质三角形薄板组成的梯形板,如图 3-3 所示。其重心的坐标(xc,yc)为( )。
A. B. C. D.
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【答案】B
图 3-3
二、填空题 1.空间力系若不平衡,其简化的最后结果:或者是一个力,或者是______;或者是 ______。 【答案】一个力偶;一个力螺旋 【解析】空间任意力系简化的最终结果有 4 种情况:合力、合力偶、力螺旋和平衡。当 主矢不为零,主矩为零或主矩不为零但主矢主矩垂直时,最终结果为合力;当主矢主矩均不 为零,主矢与主矩平行或成任意角(不包括垂直角度时),最终结果为力螺旋;当主矢为零 主矩不为零时,最终结果为合力偶;当主矢主矩均为零时,力系平衡。
(1)先将力 F 分解为沿坐标轴的三个分力如图 3-6(b)所示,其中有
代入数据可计算出
(2)计算力对过 C 点的三根正交轴之矩,因为有
哈工大结构力学题库五章
第五章位移法一判断题1. 图a为对称结构,用位移法求解时可取半边结构如图b所示。
答:(×)题1图2. 图示结构,用位移法求解,有三个结点角位移和二个结点线位移未知数。
(×)。
题2图题3图ϕ=所施加的弯矩相同。
(×)3. 以下两个单跨梁左端产生14. 用位移法计算刚架,常引入轴向刚度条件,即“受弯直杆在变形后两端距离保持不变”。
此结论是由下述假定导出的:(D)A 忽略受弯直杆的轴向变形和剪切变形;B 弯曲变形是微小的;C 变形后杆件截面仍与变形曲线相垂直;D 假定A与B同时成立。
5. 用位移法计算图示结构时,独立的基本未知数数目是4 。
(×)题5图题6图6. 图示结构用位移法计算时,其基本未知量的数目为3个(√)。
7. 在位移法典型方程的系数和自由项中,数值范围可为正、负实数的有:(D)A 主系数;B 主系数和副系数;C 主系数和自由项D 负系数和自由项。
8. 用位移法计算超静定结构时考虑了到的条件是:(A)A物理条件、几何条件、和平衡条件;B平衡条件117C平衡条件与物理条件D平衡条件与几何条件9. 规定位移法的杆端弯矩正负时,对杆端而言,以顺时针为正,对结点则以逆时针为正,这一规定也适合于杆端剪力的符号规定。
(×)10. 图a对称结构可简化为图(b)来计算。
(×)题10图题11图11. 图示结构用位移法求解时,基本未知量个数是相同的(√)12. 图示结构用位移法求解时,只有一个未知数(√)题12图题13图题14图13. 图示结构横梁无弯曲变形,故其上无弯矩。
(×)14. 图a对称结构可简化为图b来计算,EI均为常数。
(×)15. 图示结构用位移法求解的基本未知量数目最少为3。
(√)题15图题16图16. 图示结构EI=常数,用位移法求解时有一个基本未知量。
(√)。
17. 位移法中固端弯矩是当其基本未知量为零时由外界因数所产生的杆端弯矩(√)18. 位移法的典型方程与力法的典型方程一样,都是变形协调方程。
(完整word版)哈工大理论力学期末考试及答案
三、计算题(本题10分)图示平面结构,自重不计,B 处为铰链联接。
已知:P = 100 kN ,M = 200 kN ·m ,L 1 = 2m ,L 2 = 3m 。
试求支座A 的约束力。
四、计算题(本题10分)在图示振系中,已知:物重Q ,两并联弹簧的刚性系数为k 1与k 2。
如果重物悬挂的位置使两弹簧的伸长相等,试求:(1)重物振动的周期;(2)此并联弹簧的刚性系数。
五、计算题(本题15分)半径R =0.4m 的轮1沿水平轨道作纯滚动,轮缘上A 点铰接套筒3,带动直角杆2作上下运动。
已知:在图示位置时,轮心速度C v =0.8m/s ,加速度为零,L =0.6m 。
试求该瞬时:(1)杆2的速度2v 和加速度2a ;(2)铰接点A 相对于杆2的速度r v 和加速度r a 。
六、计算题(本题15分)在图示系统中,已知:匀质圆盘A 和B 的半径各为R 和r ,质量各为M 和m 。
试求:以φ和θ为广义坐标,用拉氏方程建立系统的运动微分方程。
七、计算题(本题20分)在图示机构中,已知:纯滚动的匀质轮与物A 的质量均为m ,轮半径为r ,斜面倾角为β,物A 与斜面的动摩擦因数为'f ,不计杆OA 的质量。
试求:(1)O 点的加速度;(2)杆OA 的内力。
答案三、解,以整体为研究对象,受力如图所示。
由()0C M F =∑ 11222(2)20A x A y P L F L L F L M ⋅-⋅--⋅-= ……(1) 再以EADB 为研究对象受力如图所示,由12()00B Ax Ay M F F L F L M =⋅-⋅-=∑ (2)联立(1)(2)两式得600kN 85.71kN 7Ax F == 400kN 19.05kN 21Ay F ==四、解:(1)选取重物平衡位置为基本原点,并为零势能零点,其运动规律为sin(x A ωt θ)=+在瞬时t 物块的动能和势能分别为22221cos ()22n n Q T mv ωA ωt θg==+()22122121()()21()2st st st st V k k x δδQ x δδk k x ⎡⎤=++--+-⎣⎦=+当物块处于平衡位置时22max 12n Q T ωA g=当物块处于偏离振动中心位置极端位置时,221max )(21A k k V +=由机械能守恒定律,有,max max V T = 2221211()22n Q ωA k k A g =+n ω=重物振动周期为22n πT ω== (2)两个弹簧并联,则弹性系数为21k k k +=。
哈工大结构力学题库四章
第四章 力 法一 判 断 题1. 图示结构,据平衡条件求出B 点约束力,进而得图示弯矩图,即最后弯矩图。
( )(X )题1图 题2图2. 图示结构用力法求解时,可选切断杆件2,4后的体系作为基本结构。
( )(X )3. 图a 结构,支座B 下沉a 。
取图b 中力法基本结构,典型方程中1C a ∆=-。
( ) (X )题3图 题4图4. 图a 所示桁架结构可选用图b 所示的体系作为力法基本体系。
( )(√)5. 图a 结构,取图为力法基本结构,1C l θ∆=。
( ) (X )题5图 题6图6. 图a 结构的力法基本体系如图b ,主系数3311/(3)/()l EI l EA δ=+。
( )(X )7. 图示结构用力法解时,可选切断1,2,3,4杆中任一杆件后的体系作为基本结构.( )(X )题7图 题9图 8. 图示结构受温度变化作用,已知α,h ,选解除支杆B 为力法基本体系(设B X 向上为正),典型方程中自由项2121()/(4)t a t t l h ∆=--。
( )(X )9. 图a 结构,力法基本体系如图b ,自由项412/(8)P ql EI ∆=-。
( )(X )题10图 题11图10.图示超静定梁在支座转动1A ϕ=时的杆端弯矩26.310AB M KN m =⨯⋅,22( 6.310)EI KN m =⨯⋅。
( )(√) 11. 图a 结构,取图b 为力法基本结构,h 为截面高度,α为线胀系数,典型方程中2121()/(2)t a t t l h ∆=--。
( )(X )题12图 题13图 12. 图a 结构,取力法基本体系如图b 所示,则1/C l ∆=∆( )。
(X )13. 超静定结构在荷载作用下的反力和内力,只与各杆件刚度的相对数值有关。
( )(√)14. 图示结构的超静定次数为4。
( )(X )题15图 题16图15. 图示结构,选切断水平杆为力法基本体系时,其3112/(3)h EI δ=。
(完整版)哈工大结构力学题库七章
(完整版)哈⼯⼤结构⼒学题库七章176第七章影响线⼀判断题1. 图⽰梁AB 与A 0B 0,其截⾯C 与C 0弯矩影响线和剪⼒影响线完全相同。
(X )题1图题2图 2.图⽰结构Q E 影响线的AC 段纵标不为零。
(X )3. 图⽰梁K 截⾯的M K 影响线、Q K 影响线形状如图a 、b 所⽰。
4. 图⽰梁的M C 影响线、Q C 影响线形状如图a 、b 所⽰。
5. 图⽰梁的M C 影响线、M B 影响线形状如图a 、b 所⽰。
1776. 图⽰结构M B 影响线的AB 段纵标为零。
7. 图⽰梁跨中C 截⾯弯矩影响线的物理意义是荷载P=1作⽤在截⾯C 的弯矩图形。
(X ) 8. ⽤静⼒法作静定结构某量值的影响线与⽤机动法作该结构同⼀量值的影响线是不等价的。
(X )9. 求某量值影响线⽅程的⽅法,与恒载作⽤下计算该量值的⽅法在原理上是相同的。
(√) 10. 影响线是⽤于解决活载作⽤下结构的计算问题,它不能⽤于恒载作⽤下的计算。
(X ) 11. 移动荷载是指⼤⼩,指向不变,作⽤位置不断变化的荷载,所以不是静⼒荷载。
(X ) 12. ⽤静⼒法作影响线,影响线⽅程中的变量x 代表截⾯位置的横坐标。
(X )13. 表⽰单位移动荷载作⽤下某指定截⾯的内⼒变化规律的图形称为内⼒影响线。
(√) 14. 简⽀梁跨中截⾯弯矩的影响线与跨中有集中⼒P 时的M 图相同。
(X ) 15. 简⽀梁跨中C 截⾯剪⼒影响线在C 截⾯处有突变。
(√) 16. 绝对最⼤弯矩是移动荷载下梁的各截⾯上最⼤的弯矩。
(√) 17. 静定结构及超静定结构的内⼒影响线都是由直线组成。
(X) 18. 图⽰结构Q C 影响线的CD 段为斜直线。
19. 图⽰结构K 断⾯的剪⼒影响线如图b 所⽰。
(√)178题19图20. ⽤机动法作得图a 所⽰Q B 左结构影响线如图b 。
题20图题21图 21. 图⽰结构a 杆的内⼒影响线如图b 所⽰22. 荷载处于某⼀最不利位置时,按梁内各截⾯得弯矩值竖标画出得图形,称为简⽀梁的弯矩包络图。
哈工大力学基础考研真题
哈工大力学基础考研真题哈尔滨工业大学力学基础考研真题一、引言力学基础是力学学科的基础和核心,对于力学学科的理论研究和工程应用都具有重要意义。
哈尔滨工业大学作为国内一流的工科院校,力学基础考研真题也一直备受关注。
本文将分享一道哈尔滨工业大学力学基础考研真题,并根据题目的要求来详细讨论解答方法。
二、力学基础考研真题**题目:**已知一质点在二维坐标系中运动,其位置由位矢r(t) = x(t) i + y(t) j 表示,其中i、j为单位基矢量。
(a) 求质点的速度v(t);(b) 求质点的加速度a(t);(c) 若质点的运动满足v(t) = t^2 i + 2t j,求质点的位矢r(t)。
三、解答方法(a) 求质点的速度v(t)根据速度的定义,速度v(t)是位矢r(t)对时间t的导数。
根据题目给出的位矢r(t),可以得到质点的速度v(t)如下:v(t) = dr(t)/dt = (dx(t)/dt) i + (dy(t)/dt) j(b) 求质点的加速度a(t)加速度a(t)是速度v(t)对时间t的导数,即速度的导数。
根据题目给出的速度v(t),可以得到质点的加速度a(t)如下:a(t) = dv(t)/dt = d^2x(t)/dt^2 i + d^2y(t)/dt^2 j(c) 求质点的位矢r(t)根据速度v(t)等于t^2 i + 2t j,可以进行速度的积分,得到位矢r(t)如下:r(t) = ∫v(t)dt = ∫(t^2 i + 2t j)dt = (t^3/3) i + (t^2) j + C四、解答过程(a) 求质点的速度v(t)根据速度的定义,速度v(t)是位矢r(t)对时间t的导数。
由题意得到位矢r(t) = x(t) i + y(t) j ,所以质点的速度v(t)可以表示为:v(t) = dr(t)/dt = (dx(t)/dt) i + (dy(t)/dt) j(b) 求质点的加速度a(t)加速度a(t)是速度v(t)对时间t的导数,即速度的导数。
最新哈工大计算力学考试题及答案
(1)For a plane stress state, if the y-coordinate is regarded as a symmetric axis, try to make a sketch and write down the displacement boundary conditions at the symmetric axis in finite element modeling. (6 points) Solution:As shown in the figure, for a symmetric problem, we may define 0==A A v u at point A ; and at point B , 0=B u(2)Try to use the Castigliano’s first theorem to obtain the matrix equilibrium equations for the system of springs shown in the following Figure.(10 points)Solution :For the spring element, the strain energy is given by ()221u k U e ∆=In which, k – stiffness of the spring, u ∆ - deflection of the spring.The total strain energy of the system of four springs is expressed by means of the nodal displacements and spring constants as2454234322322121)(21)(21)(21)(21U U k U U k U U k U U k U e -+-+-+-=By application of the Castigliano’s first theorem for each element12111211)()1)((F U U k U U k U U e=-=--=∂∂23221212)()(F U U k U U k U U e=-+-=∂∂ 34332323)()(F U U k U U k U U e=-+-=∂∂ 45443434)()(F U U k U U k U U e=-+-=∂∂ 54545)(F U U k U U e=-=∂∂ The system stiffness matrix can be written as⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+--+--+--54321432444433332222111100000000000000F F F F F U U U k k k k k k k k k k k k k k k k(3)The interpolation functions for a beam element of length L arewrite down a polynomial representation of the displacement field )(x v in terms of the above interpolation functions and show that 22/dx v d = constant for the beam element subject to pure bending. (12 points) Solution :The displacement field for a beam element is332220)(x a x a x a a x v +++=It can also be expressed in terms of interpolation functions and nodal variables as24231211)(θθN v N N v N x v +++=Substitute the interpolation functions into the above equation and after a few manipulations, we have24231211θθdxdN v dx dN dx dN v dx dN dx dv +++=22223221221322326634166θθ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=L x L x v L x L x L x L x v L x L x 2223212132226212664126θθ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=L x L v L x L L x L v L x L dx v d for the beam element subject to pure bending, we have21v v =, 21θθ-=So, constant 22411122=-=+-=θθθLL L dx v d (4)For a 2D problem, if the mid-points of each side of a triangular element are alsodefined as nodal points, try to write down an appropriate polynomial representationof the displacement field variable, and discuss its convergence conditions. (14 points )Solution :The polynomial representation of the displacement field variable can be written as26524321y a xy a x a y a x a a u +++++=21211210987y a xy a x a y a x a a v +++++=The convergence conditions include: (1) the compatibility conditions.Since the above equations are continuous within the element, so the displacement field iscontinuous in the element.On the common boundary, the side line is a quadratic function that has three independent constants. And since there are three nodes, the boundary curve can be uniquely determined by the quadratic function, so on the common boundary, there is no void, no material overlap either.(2) the completeness condition.The rigid body motion can be determined by the constants 1a and 7a The rigid body rotation can be realized by3a y u =∂∂, and 8a xv =∂∂ The constant strain condition can be satisfied by2a xux =∂∂=ε, 9a y v y =∂∂=ε, and 83a a x v y u xy +=∂∂+∂∂=γIn summary, convergence conditions are satisfied for the element.(5)Considering a beam element, Denoting the element length by L and the moment ofinertia of the cross-sectional area by z I , write down an appropriate function to express the displacement field, and finally, derive the finite element equation and nodal forces of the element by using the Galerkin ’s method. (18 points)Solution :The governing equation for the problem of beam flexure is)(d d d d 2222x q x v EI x z =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ The displacement solution can be written as∑==+++=4124231211)()()()()()(i i i x N x N v x N x N v x N x v δθθTherefore, the element residual equations are4,10d )(d d d d )(212222==⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎰i x x q x v EI x x N x x z iIntegrating the derivative term by parts and assuming a constant z EI , we obtain4,10d )(d d d d d d d )(2121213333==--⎰⎰i x x q N x x vx N EI xvEI x N xx i x x i z x x z iand since3322d d d d d d d d x vEI x v EI x x M V z z -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-= Integrating again by parts and rearranging gives4,1d d d d d d d )(d d d d d 2121212122332222=+-=⎰⎰i xvEI x N x v EI N x x q N x x v x N EI x x z i x x z i xx i x x i zThe shear forces and bending moments at element nodes now explicitly appear in the element equations.The above equation can be written in the matrix form }{}]{[F k =δ where the terms of thestiffness matrix are defined by4,1,d d d d d 222221==⎰j i x x N xN EI k jx x i z ijThe terms of the element force vector are defined by4,1d d d d d d d )(2121212233=+-=⎰i xvEI x N x vEI N x x q N F x x z i x x x x z i i ior,4,1)(d d )(d )(212121=++=⎰i x M xN x V N x x q N F xx i x x xx i i iwhere the integral term represents the equivalent nodal forces and moments produced by the distributed load.(6)Consider the three-node line element with interpolation functionsUse the element as the parent element in the isoparametric mapping332211)()()(x r N x r N x r N x ++=with 321x x x << but otherwise arbitrary nodal coordinates. a.b. How does the x coordinate vary between nodes of the isoparametric element?c. Has the basic element geometry changed from that of the parent element?d.e.Determine the Jacobian matrix for the transformation ,and calculate the Jacobianmatrix for the basic element with nodal coordinates 03and ,0,0.2321.x x x ==-=.f. Find the inverse of the Jacobian matrix, and calculate its value for the above basic element too.g. Calculate the value of determinate J at a point with 25.0=r .(20 points)Solution :a. 332211)()()(x r N x r N x r N x ++=32212)2()44()132(x r r x r r x r r -+-++-=It can be seen that the x coordinate vary as a quadratic function between nodes of the isoparametric elementb. the basic element geometry may change from that of the parent element. The basic element is still a straight line element, however, its length may change. The length of the parent element is 1, and the length of the basic element is 13x x -.c. the Jocabian matrix can be written as[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂=∑=31i i i x r N r x JThat is 321)14()21(4)34(][x r x r x r J -+-+-=for the basic element with nodal coordinates 03and ,0,0.2321.x x x ==-=we have 3431268][+=-++-=r r r Jd. the inverse of the Jocabian matrix is 3211)14()21(4)34(1][x r x r x r J -+-+-=-for the basic element with nodal coordinates 03and ,0,0.2321.x x x ==-=we have 341][1+=-r Je. T he value of determinate J at a point with 25.0=r is calculated by434=+=r J。
42哈尔滨工业大学
全国基础力学实验竞赛题库用题出题单位:哈尔滨工业大学题1图1所示为一矩形截面构件,受一对轴向拉力F 作用,F 作用位置存在允许误差,已知构件截面尺寸为:b h ⨯,材料的弹性模量为E ,泊松比为μ,试问用怎样的测量方案能准确测出拉力F ?给出测试方案的计算表达式。
题1方案一:全桥测量方案,消除F 在z 方向存在加载偏差的影响图2 题1贴片方案 图3 题1接桥方案一将1R 、2R 、3R 和4R 均作为工作片按全桥联结,见图3,可测得:()()1324131du R R R R R Rεεεεεεεμ=+--=++,从而平均应变()21dum εεμ=+所以,()21dum F bh E bh E bhεσεμ=⋅=⋅⋅=⋅+同理,消除F 在y 方向存在加载偏差的影响, 将5R 、6R 、7R 和8R 均作为工作片按全桥联结,可测得:()()576857'1du R R R R R Rεεεεεεεμ=+--=++()''21dum F bh E bh E bhεσεμ=⋅=⋅⋅=⋅+将两次得到的载荷取平均,即得到较准确的拉力F 测量值。
题1方案二:半桥测量方案,消除F 在z 方向存在加载偏差的影响 图4 题1 接桥方案2 将1R 、2R 、3R 和4R 均作为工作片按半桥串联联结,见图4, 可测得: ()()1324131du R R R R R R εεεεεεεμ=+--=++,从而平均应变()21dum εεμ=+所以,()21dum Fbh E bh E bhεσεμ=⋅=⋅⋅=⋅+ 图5 题1接桥方案2同理,消除F 在y 方向存在加载偏差的影响, 将5R 、6R 、7R 和8R 均作为工作片按半桥串联联结,见图5,可测得:()()576857'1du R R R R R Rεεεεεεεμ=+--=++()''21dum F bh E bh E bhεσεμ=⋅=⋅⋅=⋅+将两次得到的载荷取平均,即得到较准确的拉力F 测量值。
哈尔滨工业大学 工程流体力学工程流体力学(一)测试题库
哈尔滨工业大学工程流体力学工程流体力学(一)测试题库一、选择题1.以下哪个不是流体的特性? A. 容易流动 B. 不可压缩 C. 可变形 D. 有粘性2.下列哪个不是流体力学的基本方程? A. 质量守恒方程 B. 勒夫勒面积定理 C. 动量守恒方程 D. 能量守恒方程3.流体的运动可以分为哪两种基本类型? A. 层流和不稳定流动 B. 稳定流动和湍流 C. 参数流动和非参数流动 D. 压力流动和速度流动4.流体静力学研究的是流体在静止状态下的行为,其中不包括以下哪个方面? A. 压力及压力的传递 B. 流体静力学方程 C. 流速和速度场 D. 流体的浮力5.流体动力学研究的是流体在运动状态下的行为,以下哪个方程不属于流体动力学方程? A. 动量守恒方程 B. 能量守恒方程 C. 流体运动方程 D. 质量守恒方程二、填空题1.流体力学是研究[填空]。
2.流体力学的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和[填空]。
3.流体力学中的雷诺数是以[填空]、[填空]和[填空]为基本量。
4.流体的两个基本特征是[填空]和[填空]。
5.流体力学中,黏性流体受到的剪切力服从[填空]规律。
三、简答题1.请简述流体静力学的基本原理和应用范围。
流体静力学研究的是流体在静止状态下的行为。
其基本原理包括流体静力学方程和浮力原理。
流体静力学方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
应用范围主要包括水压、气压、液体表面张力等方面的研究。
2.请简述流体动力学的基本原理和应用范围。
流体动力学研究的是流体在运动状态下的行为。
其基本原理包括流体运动方程、流体力学基本方程和流体实体的力学性质。
应用范围主要包括飞行器气动力学、液体工程、水力学、石油工程等方面的研究。
3.请简述雷诺数的含义及其在流体力学中的作用。
雷诺数是流体力学中一个重要的无量纲数。
它的含义是流体的惯性力和黏性力之比。
在流体力学中,雷诺数的大小决定了流体运动的稳定性。
哈尔滨工程大学期末结构力学考试
一、 选择题(每题4分,共40分,将正确答案的选项写在答题纸上) 1. 如图1.1a 所示结构,图1.1b 表示1.1a 中( )的影响线。
A . C 截面剪力; B . B 截面右侧剪力; C . B 截面左侧剪力; D . C 截面弯矩。
(a)(b)3m 3m图1.1 图1.22. 如图1.2所示结构,共有( )根零杆。
A . 2根;B . 3根;C . 4根;D . 5根。
3. 如图1.2所示结构,杆件1的轴力为( )。
A . 5/3kN ; B . -5/3 kN ;C .5/4 kN ;D . -5/4 kN 。
4. 如图1.3所示结构,该体系为( )。
A . 几何可变体系,有多余约束;B .几何不变体系,有一个多余约束;C . 几何不变体系,有两个多余约束;D .几何可变体系,无多余约束。
图1.3 图1.45. 如图1.4所示结构,各杆件的线刚度均为i ,采用力矩分配法时,BD S ,BDμ及 BD C 分别为 ( )。
A .i ,1/11, -1;B . i , 1/8, -1;C .4i ,2/7, 0.5;D .4 i , 4/11, 0.5。
6. 矩阵位移法中,求等效结点荷载时,应用的等效原则是等效结点荷载与原非结点荷载产生相同的( )。
A .结点约束力; B .杆端内力;C .内力;D .应变能。
7. 超静定刚架在(不考虑轴向变形)荷载作用情况下,内力与( )A .杆件EI 的相对值无关;B . 杆件EI 的绝对值有关;C .杆件EI 的相对值及绝对值都有关;D . 杆件EI 的相对值有关。
8. 如图1.5所示结构,A 点竖向支座反力为( )(提示:利用刚体体系的虚功原理) A .()↑kN 1 B . ()↑kN 2C .()↓kN 1D . ()↓kN 31m1m2m2m 2m 2m 1m 1m图1.59. 如图1.6所示结构,分别用力法和位移法求解时,基本未知量的个数分别为( )A .3,2 B.4,1 C. 4,2 D. 2,1lAB-t+t图1.6 图1.710. 如图1.7所示结构,杆件截面为矩形,截面高度h ,长度l ,线膨胀系数α,梁上下表面温度分别为-t 和+t ,B 点竖向位移为( )2mq =1kN/m()↑=↑=kN 4kN 4B R RA F F对称结构对称荷载,从I-I 面剖开,取左侧作为隔离体,kN 40441615.020=⇒=⨯-⨯⨯+⇒=∑NDE NDE F F Mc利用D 点的平衡,求得kN 4-=NDF F (压杆),kN 66.5=NDA F 。
哈工大理论力学教研室《理论力学Ⅰ》(第7版)章节题库-刚体的平面运动(圣才出品)
第8章刚体的平面运动一、选择题1.图8-1所示平面图形上A、B两点的加速度与其连线垂直且ɑA≠ɑB,则此瞬时平面图形的角速度ω、角加速度α应该是()。
A.ω≠0,α=0B.ω=0,α≠0C.ω=0,α=0D.ω≠0,α≠0图8-1【答案】B2.图8-2所示各平面图形的速度分布为:(a)v A=-v B,v A不垂直AB,这种速度分布是()。
A.可能的B.不可能的不垂直AB,,这种速度分布是()。
A.可能的B.不可能的图8-2【答案】B;B3.在图8-3所示机构中,则ω1()ω2。
A.=B.>C.<图8-3【答案】C4.在图8-4所示机构的几种运动情况下,平面运动刚体的速度瞬心为:(a)();(b)();(c)();(d)()。
A.无穷远处B.B点C.A、B两点速度垂线的交点D.A点E.C点图8-4【答案】D;B;A;C5.已知图8-5所示平面图形上B点的速度v B,若以A为基点,并欲使是B点相对于A点的速度,则A点的速度v A()。
A.与AB垂直B.沿AB方向,且由A指向BC.沿AB方向,且由B指向AD.与AB成φ角图8-5【答案】B二、填空题1.边长为L的等边三角形板在其自身平面内运动,已知B点的速度大小为,方向沿CB,A点的速度沿AC方向。
如图8-6所示,则此时三角板的角速度大小为______;C点的速度大小为______。
图8-6【答案】2.已知作平面运动的平面图形上A点的速度v A,方向如图8-7所示。
则B点所有可能速度中最小速度的大小为______,方向______。
【答案】;沿AB方向图8-73.已知作平面运动的平面图形(未画出)上某瞬时A点的速度大小为v A,方向如图8-8所示,B点的速度方位沿mn,AB=l,则该瞬时刚体的角速度ω为______,转向为______。
【答案】;顺时针图8-8三、判断题1.作平面运动的平面图形上(瞬时平移除外),每一瞬时都存在一个速度瞬心。
()【答案】对2.研究平面运动图形上各点的速度和加速度时,基点只能是该图形上或其延展面上的点,而不能是其他图形(刚体)上的点。
哈工大版理论力学复习题
理论力学复习题一、是非题1. 若一平面力系向A,B两点简化的结果相同,则其主矢为零主矩必定不为零。
2. 首尾相接构成一封闭力多边形的平面力系是平衡力系。
3. 力系的主矢和主矩都与简化中心的位置有关。
4. 当力系简化为合力偶时,主矩与简化中心的位置无关5.平面一般力系平衡的充要条件是力系的合力为零。
二、选择题1.将平面力系向平面内任意两点简化,所得的主矢相等,主矩也相等,且主矩不为零,则该力系简化的最后结果为------。
①一个力②一个力偶③平衡2.关于平面力系的主矢和主矩,以下表述中正确的是①主矢的大小、方向与简化中心无关②主矩的大小、转向一定与简化中心的选择有关③当平面力系对某点的主矩为零时,该力系向任何一点简化结果为一合力④当平面力系对某点的主矩不为零时,该力系向任一点简化的结果均不可能为一合力3.下列表述中正确的是①任何平面力系都具有三个独立的平衡方程式②任何平面力系只能列出三个平衡方程式③在平面力系的平衡方程式的基本形式中,两个投影轴必须相互垂直④平面力系如果平衡,该力系在任意选取的投影轴上投影的代数和必为零4. 图示的四个平面平衡结构中,属于静定结构的是三、填空1. 图示桁架。
已知力1p 、 和长度a 。
则杆1内力=_________; 杆2内力=_________; 杆3内力=_________。
2. 矩为M =10k N .m 的力偶作用在图示结构上。
若 a =1m ,不计各杆自重,则支座D 的约束力=_________,图示方向。
3. 一平面汇交力系的汇交点为A ,B为力系平面内的另一点,且满足方程。
若此力系不平衡,则力系简化为_________。
4.若一平面平行力系中的力与Y 轴不垂直,且满足方程0y F =∑。
若此力系不平衡,则力系简化为_________。
答案:一、1、×2、×3、×4、√5、×二、1、② 2、① 3、④ 4、③三、1、0、P 1、0 2、=10KN(--)(提示:先从CB 及绳处断开,以右部分为研究对象,以B 为矩心,列力矩方程,则D 处竖直方向力为零,再以整体为研究对象以A 为矩心,列力矩方程可求出D 处)3.过A 、B 两点的一个力4、一个力偶第三章 练习题一、是非题1.力对点之矩是定位矢量,力对轴之矩是代数量。
[理学]哈工大版理论力学习题课期末复习
得: FAx 6 kN 得: FAy 2 kN
B C FBCx
q FAy A FFDxAx
M A(F ) 0, 得 : M A 18 kN m
D
FDMy A
[例] 图示结构,已知P和a的大小,且M=2Pa。 求: A点的支座反力。
P
D
M
C E
A
a
a
a
a
B
[例] 图示结构,已知P和a的大小,且M=2Pa。 求: A点的支座反力。
ve= v0 ae= a0
aan
va2 r
va
s
ve
in
[例]图示机构中杆O1A以匀角速度转动, O1A=AB=l , AB⊥O1A。求(1)图示瞬时AB杆和O2B杆的角速度; (2) B点的加速度。
O1
vA
A
O2 45°
B
vB
AB
vA PA
vB cos45vA
O2
vB O2 B
P
[例]图示机构中杆O1A以匀角速度转动, O1A=AB=l , AB⊥O1A。求(1)图示瞬时AB杆和O2B杆的角速度; (2) B点的加速度。
块B的质量为2m,绳AE段水平。系统初始静止。
求: (1)轮心C的加速度、物块B的加速度;
(2)AE段绳中的拉力。
A
E
解: (1) 利用动能定理求速度
(2) 求导求加速度
R C
OR
(3) 利用刚体平面运动微分
B
方程求AE段绳中的拉力
JC MC (F (e) )
max Fx(e)
T
C mg aC
FS FN
D
FDMy A
[例] 图示结构,已知P和a的大小,且M=2Pa。 求: A点的支座反力。
哈工大理力习题及习题答案
理论力学(I)第六版哈尔滨工业大学理论力学教研室第二章 平面汇交力系与平面力偶系2-1铆接薄板在孔心A 、B 和C 处受三力作用,如题2-1图(a )所示。
F 1=100N ,沿铅直方向;F 3=50N ,沿水平方向,并通过点A ;F 2=50N ,力的作用线也通过点A ,尺寸如题2-1图(a)所示。
求此力系的合力。
解法一 几何法。
应用力的多边形法,将力F 1、F 2和F 3首尾相接后,再从F 1的起点至F 3的终点连一直线,此封闭边便是三力的合力F R ,如题2-1图(b )所示。
根据预先选好的比例尺,利用直尺和量角器便可确定合力F R 的大小和方向。
解法二 解析法。
合力的矢量表达式为∑∑+=+=j F i F j F i F F y x Ry Rx R即合力R F 在x 轴和y 轴上的投影,分别等于力系各力在同一坐标轴上投影的代数和,所以有:N N F F F F xx x Rx 805080606050022321=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⨯+=++= N N F F F F yy y Rx 14008060805010022321=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⨯+=++= 所以,合力的大小为:N N F F F Ry Rx R2.161140802222=+=+=合力F R 与x 轴的夹角为:︒===24.602.16180arccos cosR Rx F F acr α 2-3物体重P=20kN ,用绳子挂在支架的滑轮B 上,绳子的另一端接在铰车D 上,如题2-3图(a )所示。
转动铰车,物体便能升起。
设滑轮的大小、AB 与CB 杆自重及磨擦略去不计,A 、B 、C 三处均为铰链连接。
当物体处于平衡状态时,试求拉杆AB 和支杆CB 处受的力。
解:这是一个平面汇交力系的平衡问题。
选取滑轮B 为研究对象,并作B 点的受力图,如题2-3图(b )所示。
由平衡方程∑∑==0,0y xF F,有:030sin 30cos =︒-︒+-T F F BC BA (1) 030cos 30sin =-︒-︒P T F BC (2)因忽略了滑轮B 的磨擦,所以P=T ,将P 、T 的数值代入(2)式,得KN F BC 64.74=将T 和F BC 的数值代入(1)式,得:kN F BA64.54=所以拉杆AB 和CB 分别受拉力54.64kN 和压力74.64kN 。
哈工大结构力学题库六章
哈⼯⼤结构⼒学题库六章148第六章⼒矩分配法⼀判断题1. 传递系数C 与杆件刚度和远端的⽀承情况有关.( √ )2. ⼒矩分配中的传递系数等于传递弯矩与分配弯矩之⽐,它与外因⽆关.( √ )3. ⼒矩分配法所得结果是否正确,仅需校核交于各结点的杆端弯矩是否平衡.( × )4. ⼒矩分配法经⼀个循环计算后,分配过程中的不平衡⼒矩(约束⼒矩)是传递弯矩的代数和.( √ )5. ⽤⼒矩分配法计算结构时,汇交与每⼀结点各杆端⼒矩分配系数总和为1,则表明⼒矩分配系数的计算绝对⽆错误.( × )6. 在⼒矩分配法中,分配与同⼀结点的杆端弯矩之和与结点不平衡⼒矩⼤⼩相等,⽅向相同.( × )7. ⼒矩分配法是以位移法为基础的渐进法,这种计算⽅法不但可以获得近似解,也可获得精确解.( √ )8. 在任何情况下,⼒矩分配法的计算结构都是近似的.( × ) 9. ⼒矩分配系数是杆件两端弯矩的⽐值.( × )10. 图⽰刚架⽤⼒矩分配法,求得杆端弯矩M CB =-16/2ql ( ×)题10图题11图题12图11. 图⽰连续梁,⽤⼒矩分配法求得杆端弯矩M BC =—M/2.( × ) 12. 图⽰刚架可利⽤⼒矩分配法求解.( √ )13. ⼒矩分配法就是按分配系数分配结点不平衡⼒矩到各杆端的⼀种⽅法.(× ) 14. 在⼒矩分配法中,同⼀刚性结点处各杆端的⼒矩分配系数之和等于1.( √ ) 15. 转动刚度(杆端劲度)S 只与杆件线刚度和其远端的⽀承情况有关.( √ ) 16. 单结点结构的⼒矩分配法计算结果是精确的.( √ ) 17. ⼒矩分配法仅适⽤于解⽆线位移结构.( √ ) 18. ⽤⼒矩分配法计算图⽰结构时,杆端AC 的分配系数29/18=ACµ.(√ )149题18图题19图题21图19. 图⽰杆AB 与CD 的EI,l 相等,但A 端的劲度系数(转动刚度)S AB ⼤于C 端的劲度系数(转动刚度) S CD .( √ )20. ⼒矩分配法计算荷载作⽤问题时,结点最初的不平衡⼒矩(约束⼒矩)仅是交于结点各杆端固端弯矩的代数和.( × )21. 若使图⽰刚架结点A 处三杆具有相同的⼒矩分配系数,应使三杆A 端的劲度系数(转动刚度)之⽐为:1:1:1.( √ )22. 有结点线位移的结构,⼀律不能⽤⼒矩分配法进⾏内⼒分析.( × ) 23. 计算有侧移刚架时,在⼀定条件下也可采⽤⼒矩分配法.(√ )24. 有结点线位移的结构,⼀律不能⽤⼒矩分配法进⾏内⼒分析.( × )⼆选择题1. 图⽰结构汇交于A 的各杆件抗弯劲度系数之和为∑AS,则AB 杆A 端的分配系数为:( B ) A.∑=S A AB ABi /4µB. ∑=S A AB ABi /3µ C. ∑=S A AB ABi /2µD.∑=S A AB ABi /µ题1图题2图 2. 图⽰结构EI=常数,⽤⼒矩分配法计算时,分配系数µ4A 为:( D )A. 4/11B. 1/2C. 1/3D.4/91503. 在图⽰连续梁中,对结点B 进⾏⼒矩分配的物理意义表⽰( D )A. 同时放松结点B 和结点CB. 同时固定结点B 和结点CC. 固定结点B,放松结点CD. 固定结点C,放松结点B题3图题4图4. 图⽰等截⾯杆件,B 端为定向⽀座,A 端发⽣单位⾓位移,其传递系数为( C )A. C AB =1B. C AB =1/2C. C AB =-1D. C AB =05. 等直杆件AB 的转动刚度(劲度系数)S AB :(A )A 与B 端⽀承条件及杆件刚度有关 B 只与B 端的⽀承条件有关C 与A 、B 两端的⽀承条件有关D 只与A 端⽀承条件有关6. 等直杆件AB 的弯矩传递系数C AB :(B )A 与B 端⽀承条件及杆件刚度有关 B 只与B 端的⽀承条件有关C 与A 、B 两端的⽀承条件有关D 只与A 端⽀承条件有关7. 当杆件刚度(劲度)系数S AB =3i 时,杆的B 端为:(C )A ⾃由端B 固定端C 铰⽀承D 定向⽀承8. ⼒矩分配法计算得出的结果(D )A ⼀定是近似解B 不是精确解C 是精确解D 可能为近似解,也可能是精确解。
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(1)For a plane stress state, if the y-coordinate is regarded as a symmetric axis, try to make a sketch and write down the displacement boundary conditions at the symmetric axis in finite element modeling. (6 points) Solution:As shown in the figure, for a symmetric problem, we may define 0==A A v u at point A ; and at point B , 0=B u(2)Try to use the Castigliano’s first theorem to obtain the matrix equilibrium equations for the system of springs shown in the following Figure.(10 points)Solution :For the spring element, the strain energy is given by ()221u k U e ∆=In which, k – stiffness of the spring, u ∆ - deflection of the spring.The total strain energy of the system of four springs is expressed by means of the nodal displacements and spring constants as2454234322322121)(21)(21)(21)(21U U k U U k U U k U U k U e -+-+-+-=By application of the Castigliano’s first theorem for each element12111211)()1)((F U U k U U k U U e=-=--=∂∂23221212)()(F U U k U U k U U e=-+-=∂∂ 34332323)()(F U U k U U k U U e=-+-=∂∂ 45443434)()(F U U k U U k U U e=-+-=∂∂ 54545)(F U U k U U e=-=∂∂ The system stiffness matrix can be written as⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+--+--+--54321432444433332222111100000000000000F F F F F U U U k k k k k k k k k k k k k k k k(3)The interpolation functions for a beam element of length L arewrite down a polynomial representation of the displacement field )(x v in terms of the above interpolation functions and show that 22/dx v d = constant for the beam element subject to pure bending. (12 points) Solution :The displacement field for a beam element is332220)(x a x a x a a x v +++=It can also be expressed in terms of interpolation functions and nodal variables as24231211)(θθN v N N v N x v +++=Substitute the interpolation functions into the above equation and after a few manipulations, we have24231211θθdxdN v dx dN dx dN v dx dN dx dv +++=22223221221322326634166θθ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=L x L x v L x L x L x L x v L x L x 2223212132226212664126θθ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=L x L v L x L L x L v L x L dx v d for the beam element subject to pure bending, we have21v v =, 21θθ-=So, constant 22411122=-=+-=θθθLL L dx v d (4)For a 2D problem, if the mid-points of each side of a triangular element are alsodefined as nodal points, try to write down an appropriate polynomial representationof the displacement field variable, and discuss its convergence conditions. (14 points )Solution :The polynomial representation of the displacement field variable can be written as26524321y a xy a x a y a x a a u +++++=21211210987y a xy a x a y a x a a v +++++=The convergence conditions include: (1) the compatibility conditions.Since the above equations are continuous within the element, so the displacement field iscontinuous in the element.On the common boundary, the side line is a quadratic function that has three independent constants. And since there are three nodes, the boundary curve can be uniquely determined by the quadratic function, so on the common boundary, there is no void, no material overlap either.(2) the completeness condition.The rigid body motion can be determined by the constants 1a and 7a The rigid body rotation can be realized by3a y u =∂∂, and 8a xv =∂∂ The constant strain condition can be satisfied by2a xux =∂∂=ε, 9a y v y =∂∂=ε, and 83a a x v y u xy +=∂∂+∂∂=γIn summary, convergence conditions are satisfied for the element.(5)Considering a beam element, Denoting the element length by L and the moment ofinertia of the cross-sectional area by z I , write down an appropriate function to express the displacement field, and finally, derive the finite element equation and nodal forces of the element by using the Galerkin ’s method. (18 points)Solution :The governing equation for the problem of beam flexure is)(d d d d 2222x q x v EI x z =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ The displacement solution can be written as∑==+++=4124231211)()()()()()(i i i x N x N v x N x N v x N x v δθθTherefore, the element residual equations are4,10d )(d d d d )(212222==⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎰i x x q x v EI x x N x x z iIntegrating the derivative term by parts and assuming a constant z EI , we obtain4,10d )(d d d d d d d )(2121213333==--⎰⎰i x x q N x x vx N EI xvEI x N xx i x x i z x x z iand since3322d d d d d d d d x vEI x v EI x x M V z z -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-= Integrating again by parts and rearranging gives4,1d d d d d d d )(d d d d d 2121212122332222=+-=⎰⎰i xvEI x N x v EI N x x q N x x v x N EI x x z i x x z i xx i x x i zThe shear forces and bending moments at element nodes now explicitly appear in the element equations.The above equation can be written in the matrix form }{}]{[F k =δ where the terms of thestiffness matrix are defined by4,1,d d d d d 222221==⎰j i x x N xN EI k jx x i z ijThe terms of the element force vector are defined by4,1d d d d d d d )(2121212233=+-=⎰i xvEI x N x vEI N x x q N F x x z i x x x x z i i ior,4,1)(d d )(d )(212121=++=⎰i x M xN x V N x x q N F xx i x x xx i i iwhere the integral term represents the equivalent nodal forces and moments produced by the distributed load.(6)Consider the three-node line element with interpolation functionsUse the element as the parent element in the isoparametric mapping332211)()()(x r N x r N x r N x ++=with 321x x x << but otherwise arbitrary nodal coordinates. a.b. How does the x coordinate vary between nodes of the isoparametric element?c. Has the basic element geometry changed from that of the parent element?d.e.Determine the Jacobian matrix for the transformation ,and calculate the Jacobianmatrix for the basic element with nodal coordinates 03and ,0,0.2321.x x x ==-=.f. Find the inverse of the Jacobian matrix, and calculate its value for the above basic element too.g. Calculate the value of determinate J at a point with 25.0=r .(20 points)Solution :a. 332211)()()(x r N x r N x r N x ++=32212)2()44()132(x r r x r r x r r -+-++-=It can be seen that the x coordinate vary as a quadratic function between nodes of the isoparametric elementb. the basic element geometry may change from that of the parent element. The basic element is still a straight line element, however, its length may change. The length of the parent element is 1, and the length of the basic element is 13x x -.c. the Jocabian matrix can be written as[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂=∑=31i i i x r N r x JThat is 321)14()21(4)34(][x r x r x r J -+-+-=for the basic element with nodal coordinates 03and ,0,0.2321.x x x ==-=we have 3431268][+=-++-=r r r Jd. the inverse of the Jocabian matrix is 3211)14()21(4)34(1][x r x r x r J -+-+-=-for the basic element with nodal coordinates 03and ,0,0.2321.x x x ==-=we have 341][1+=-r Je. T he value of determinate J at a point with 25.0=r is calculated by434=+=r J。