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摘要：计算结构力学的形成需要探讨多个重点结构学理论，包括数值方法、误差设计、网格自适应加密、多变量有限元、半解析数值法等。在工程结构的力学设计、计算机仿真技术、数值本构技术、计算机模型技术等，加强数值理论、试验等的结合。形成向互促进、依赖、交叉的辩证关系。对于结构工程科学工作者来说，结构计算方法的简化是需要进行大量的试验后方能进行归纳并加以运用的。
关键词：结构工程；数值方法；计算机计算
作为工程结构中净力、动力以及荷载和温度变化等研究科学，结构力学是一门结合了结构规律、刚度计算、稳定性研究等于一身的学科。在工程结构发展上有着中要的一席之地。其研究的主要对象是梁和杆，传统的结构力学的定义是局限在弹性状态下的结构之中，显得较为狭窄，因此，随着工程技术的发展，对于结构对象的研究，产生了板壳力学、薄壁力学等一系列力学原理。经过长时间的发展，理论体系已经日趋成熟。但是在经典的数学分析的基础上，还有一些问题需要解答，如边界条件，非线性问题，静历弹性分析等。
1.结构工程科学中若干计算结构力学问题
经过数十年的发展，计算机的数字运算功能更加强大，人们创造有限差分法等为力学的问题演化出线性方程组，其中包含了不规则的复杂的结构边界形状和条件，使用计算机迎刃而解。这些方法通过统一的途径和步骤，形成了方程组。并且通过各种数值法，灵活地构件了结构的边界形状，然后适应这种要求，将现象方程组的问题加以解决，形成了系统化和通用化的点算程序，数学工作者也通过对有限元的数学挤出的论证，得到了变分原理和离散数学原理，并且对收敛条件进行了离散化的论证。有限元得到了牢固的理论挤出，并且拥有了广泛应用的可能性。计算结构力学在结构工程科学的发展上发挥着很重要的作用，在高层建筑、桥梁、海洋平台等大型结构无的运行上进行了整体的分析，得到了静态和动态的分布应力状态。在真实的施工中，会有很多难以处理的复杂情况出现，如工况中的温度、地震、土桩结构等。还会有破坏因素加以干扰，如断裂、损伤、变形等。包括了材料特性的处理方法有时候是需要采用简化、假设、粗略的手段，才能通过计算机做较为常规的分析，计算模型的方法对于结果的分析的正确性具有决定的作用，人们不必局限在计算结构力学的发展之中，而是主动地对结构进行方案的分析和校核。
2.数值方法基本理论
2.1误差估计理论和网格自适应加密技术。在保证精度的前提下，需要对误差估计与控制执行过程中的理论、策略和算法做进一步的工作，但如何建立可靠的手段，合理地划分网格和评定其离散误差，例如目前一般的结构分析，来完成大型有限元系统的建设，即使分析成本达到最低，有限元软件包具有误差估和自适应改进的功能，发展高效自适应改进策略，实施这些策略的计算机程序，以此来评估有限元计算结果，保证有限元分析质量的一个重要手段.
2.2连续性板壳位移单元克服了不连续性间题和闭锁现象，对薄板壳给出过于刚性的响应（闭锁），种多变量元可能把位移、应变和应力纳入到协调条件和应力平衡条件中，提出了一些解决方法，看作独立场变量。
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目前在工程实际中目前广泛使用的几乎全部采用位移法进行有限元分析，但构造完备协调连续性板壳位移元存在着困难，利用模态分解投影法和罚函数法等现有大型软件中的板壳单元性能并不十分理想，缩减积分、假定自然应变法，按Mnidlni一Resisner理论建立的多场变分原理的有限元理论，使应力计算的精度得到提高，这类单元性能的全面评估远比位移元复杂，因此需要剪力稳定性和收敛性的数学分析对其加强进一步研究，研究结果会引起了人们的广泛兴趣，从而放松了单元间的位移。今后的发展方向就是通过建立可靠、有效的杂交混合元，并将其编入重要软件系统的单元库中。
2.3工程结构优化设计。编制出一些大型的优化软件包，向着较高层次的优化—结构形状优化发展，分析和校核一个既定结构方案，按照优化准则法，进行结构优化方基本方法，设计和创造一个优化方案，在构件截面可变的一般优化设计基本成熟的基础上，对结构设计优化问题加以思考，包括节点间应用杆件连接、结构类型优化设计，等等。依照优化准则法进行材料的选择，不考虑确定性因素的结构优化设计，进行结构拓扑优化布置，采用结构动力设计优化、模糊规则、优化改进问题中的敏度计算、有效的多级优化、重分析技术等方法，依赖人的经验和判断以及应用力学知识，大力开展结构优化设计的应用研究，编制符合设计实际需要的优化电算程序，如人机交互功能、图形功能等结构，经过实践验证都较为高效耐用。
3.计算机数值模拟和仿真技术
日常结构工程设计中通常仍采用依据简化的弹性分析和从试验研究得到的计算模型和经验公式. 直接由试验值的统计规律确定的计算模型和经验公式往往力求让计算模型去符合比较单一试验条件下的试验结果并以其符合程度衡量计算模型和经验公式的精度，继而将此计算模型推广到任意情况，这样往往得不到结构在特定服务目标下的经济合理的设计。另一方面，由于试验中存在着偶然因素和随机因素，特别是混凝土材料试验结果的分散性较大，少量的试验数据难以反映内在的规律性，要从试验中了解特定结构在各种荷载下的性能，相当多的试验是必不可少的，因此长期以来结构工程的试验规模大，耗资多和周期长已为人共知。
随着科学技术的迅速发展，要求对结构在各种外因作用下的非线性等性能有更深入的了解，传统的试验研究方法就显得越来越不适应。况且对于海洋平台、核反应堆安全壳、压力容器和未来大型空间结构等有重大经济效益而又需精细设计以确保安全的新型结构，若以传统的试验研究方法来获得合理的设计几乎无法想象. 目前数值分析方法的发展已使人们可能根据精确试验得出的本构关系和调查得到的荷载过程对各种结构进行分析，并可能结合成熟的数值图形显示技术与图像技术进行试验过程的数值模拟和仿真. 这一方法不受空间尺寸和时间长短的限制，可以提供人们有关结构行为的各种完整清晰的数据和图形，省去大量的人力、物力和时间，减少试验量，甚至代替一些无法进行的现场试验.计算机数值模拟和仿真技术的研究主要包括以下几个方面：①建立各种在不同荷载作用下、各种使用环境下和各种变形阶段的合理本构关系. ② 数值方法的研究，包括结构几何、物理非线性和接触非线性等处理方法，结构响应中屈曲、分叉路径的追踪，材料和结构的软化造成刚度矩阵非正定与非对称而引起的数值计算稳定性问题，结构初始缺陷的模拟，含有不确定性参数的数值分析方法等。③ 成熟的数值图形显示技术与图象技术的研究. 这是一个众多学科共同关注的热点，国际上发展速度很快.虽然目前高级的数值模拟和仿真技术已进入结构物的碰撞性，耐撞性及灾难性破坏有关的动力学问题等领域。但总的来说，这方面还存在不少间题. 包括一些高难度的理论问题等。
结束语
计算结构力学的发展必须依靠强有力的方法数值计算、理论分析和试验，帮助结构工程科学研究能够与其他理论相互促进、制约，形成数值计算的精细化。目前工程界常用的半经验、半理论公式是结合计算程序中输入用试验确定的初始条件和边界条件，达到提高预测结构响应的精度的目的，无论是理论上还是实践中，都不同程度地促进了微观力学、断裂力学和损伤力学等的介入和研究的发展。
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论文作者:周晓燕
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：结构论文; 数值论文; 力学论文; 方法论文; 工程论文; 位移论文; 有限元论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;