彈性力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、彈性力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1 彈性力學(xué)的基本假設(shè)彈性力學(xué)的基本假設(shè)2 彈性力學(xué)基本概念彈性力學(xué)基本概念3 彈性力學(xué)基本方程彈性力學(xué)基本方程4 邊界條件邊界條件1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 工程問(wèn)題的復(fù)雜性工程問(wèn)題的復(fù)雜性是諸多方面因素組成的。如果不分主次是諸多方面因素組成的。如果不分主次考慮所有因素，則問(wèn)題的復(fù)雜，考慮所有因素，則問(wèn)題的復(fù)雜，數(shù)學(xué)推導(dǎo)的困難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的困難，將使得，將使得問(wèn)題無(wú)法求解。問(wèn)題無(wú)法求解。 根據(jù)問(wèn)題性質(zhì)，忽略部分暫時(shí)不必考慮的因素，提出一些根據(jù)問(wèn)題性質(zhì)，忽略部分暫時(shí)不必考慮的因素，提出一些基本假設(shè)。使問(wèn)題的研究限定在一個(gè)基本假設(shè)。使問(wèn)題的研究限定在一個(gè)可行的范圍可行的范圍。 基本假設(shè)是

2、學(xué)科的研究基礎(chǔ)?；炯僭O(shè)是學(xué)科的研究基礎(chǔ)。 超出基本假設(shè)的研究領(lǐng)域是固體力學(xué)其它學(xué)科的研究超出基本假設(shè)的研究領(lǐng)域是固體力學(xué)其它學(xué)科的研究。n連續(xù)性假設(shè)連續(xù)性假設(shè)n均勻性假設(shè)均勻性假設(shè)n各向同性假設(shè)各向同性假設(shè)n完全彈性假設(shè)完全彈性假設(shè)n小變形假設(shè)小變形假設(shè)n無(wú)初始應(yīng)力的假設(shè)無(wú)初始應(yīng)力的假設(shè)1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 1. 1. 連續(xù)性假設(shè)連續(xù)性假設(shè) 假設(shè)所研究的整個(gè)彈性體內(nèi)部完全由組成物體的介質(zhì)假設(shè)所研究的整個(gè)彈性體內(nèi)部完全由組成物體的介質(zhì)所充滿，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間不存在任何空隙。所充滿，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間不存在任何空隙。 變形后仍然保持連續(xù)性。變形后仍然保持連續(xù)性。 根據(jù)這一假設(shè)，物

3、體所有物理量，例如位移、應(yīng)變和應(yīng)力根據(jù)這一假設(shè)，物體所有物理量，例如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等均為物體空間的連續(xù)函數(shù)。等均為物體空間的連續(xù)函數(shù)。 微觀上這個(gè)假設(shè)不成立微觀上這個(gè)假設(shè)不成立宏觀假設(shè)。宏觀假設(shè)。1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 2.2. 均勻性假設(shè)均勻性假設(shè) 假設(shè)假設(shè)彈性物體是由同一類型的均勻材料組成的。因此彈性物體是由同一類型的均勻材料組成的。因此物體各個(gè)部分的物理性質(zhì)都是相同的，不隨坐標(biāo)位置的變物體各個(gè)部分的物理性質(zhì)都是相同的，不隨坐標(biāo)位置的變化而改變。化而改變。 物體的彈性性質(zhì)處處都是相同的。物體的彈性性質(zhì)處處都是相同的。 工程材料，例如混凝土顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體的的幾何形狀，工程材料，例如混凝土

4、顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體的的幾何形狀，并且在物體內(nèi)部均勻分布，從宏觀意義上講，也可以視為并且在物體內(nèi)部均勻分布，從宏觀意義上講，也可以視為均勻材料。均勻材料。 對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，不能處理為均勻材料對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，不能處理為均勻材料1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 3. 3. 各向同性假設(shè)各向同性假設(shè) 假定物體在各個(gè)不同的方向上具有相同的物理性質(zhì)，假定物體在各個(gè)不同的方向上具有相同的物理性質(zhì)，這就是說(shuō)物體的彈性常數(shù)將不隨坐標(biāo)方向的改變而變化。這就是說(shuō)物體的彈性常數(shù)將不隨坐標(biāo)方向的改變而變化。 宏觀假設(shè)，材料性能是顯示各向同性。宏觀假設(shè)，材料性能是顯示各向同性。 當(dāng)然，像木材，竹子以及纖維

5、增強(qiáng)材料等，屬于各向異性當(dāng)然，像木材，竹子以及纖維增強(qiáng)材料等，屬于各向異性材料。材料。 這些材料的研究屬于復(fù)合材料力學(xué)研究的對(duì)象。這些材料的研究屬于復(fù)合材料力學(xué)研究的對(duì)象。1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 4. 4. 完全彈性假設(shè)完全彈性假設(shè) 對(duì)應(yīng)一定的溫度，如果應(yīng)力和應(yīng)變之間存在一一對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)一定的溫度，如果應(yīng)力和應(yīng)變之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且這個(gè)關(guān)系和時(shí)間無(wú)關(guān)，也和變形歷史無(wú)關(guān)，稱關(guān)系，而且這個(gè)關(guān)系和時(shí)間無(wú)關(guān)，也和變形歷史無(wú)關(guān)，稱為完全彈性材料。為完全彈性材料。 完全彈性分為線性和非線性彈性，彈性力學(xué)研究限于線性完全彈性分為線性和非線性彈性，彈性力學(xué)研究限于線性的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。 研

6、究對(duì)象的材料彈性常數(shù)不隨應(yīng)力或應(yīng)變的變化而改變。研究對(duì)象的材料彈性常數(shù)不隨應(yīng)力或應(yīng)變的變化而改變。1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 5. 5. 小變形假設(shè)小變形假設(shè) 假設(shè)在外力或者其他外界因素（如溫度等）的影響下，假設(shè)在外力或者其他外界因素（如溫度等）的影響下，物體的變形與物體自身幾何尺寸相比屬于高階小量。物體的變形與物體自身幾何尺寸相比屬于高階小量。在彈性體的平衡等問(wèn)題討論時(shí)，可以不考慮因變形所引在彈性體的平衡等問(wèn)題討論時(shí)，可以不考慮因變形所引起的尺寸變化。起的尺寸變化。忽略位移、應(yīng)變和應(yīng)力等分量的高階小量，使基本方程忽略位移、應(yīng)變和應(yīng)力等分量的高階小量，使基本方程成為線性的偏微分方程組。成為線性的偏

7、微分方程組。 1 彈性力學(xué)的基本假設(shè) 6 6. . 無(wú)初始應(yīng)力假設(shè)無(wú)初始應(yīng)力假設(shè) 假設(shè)物體處于自然狀態(tài)，即在外界因素作用之前，物體假設(shè)物體處于自然狀態(tài)，即在外界因素作用之前，物體內(nèi)部沒(méi)有應(yīng)力。內(nèi)部沒(méi)有應(yīng)力。彈性力學(xué)求解的應(yīng)力僅僅是外部作用（外力或溫度改變）產(chǎn)彈性力學(xué)求解的應(yīng)力僅僅是外部作用（外力或溫度改變）產(chǎn)生的。生的。1 彈性力學(xué)的基本假設(shè)彈性力學(xué)的基本假設(shè)，主要包括彈性體的連續(xù)性、均勻性、各向同性、完全彈性和小變形假設(shè)等。這些假設(shè)都是關(guān)于材料變形的宏觀假設(shè)。彈性力學(xué)問(wèn)題的討論中，如果沒(méi)有特別的提示，均采用基本假設(shè)。這些基本假設(shè)被廣泛的實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐證實(shí)是可行的。2 彈性力學(xué)基本概念載荷、應(yīng)

8、力、應(yīng)變、位移是彈性力學(xué)的幾個(gè)主要物理量載荷應(yīng)力n物體承受外力作用，物體內(nèi)部各截面之間產(chǎn)生附加內(nèi)力，為了顯示出這些內(nèi)力，我們用一截面截開(kāi)物體，并取出其中一部分：應(yīng)力n其中一部分對(duì)另一部分的作用，表現(xiàn)為內(nèi)力，它們是分布在截面上分布力的合力。QA取截面的一部分，它的面積為A，為物體在該截面上A點(diǎn)的應(yīng)力。平均集度為Q/A，其極限作用于其上的內(nèi)力為Q，AQS lim應(yīng)力n通常將應(yīng)力沿垂直于截面和平行于截面兩個(gè)方向分解為S正應(yīng)力切應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力分量應(yīng)力不僅和點(diǎn)的位置有關(guān)，和截面的方位也有關(guān)。描述應(yīng)力，通常用一點(diǎn)平行于坐標(biāo)平面的單元體，各面上的應(yīng)力沿坐標(biāo)軸的分量來(lái)表稱為應(yīng)力分量。物體內(nèi)各點(diǎn)的內(nèi)力平衡，因此相

9、對(duì)平面上的應(yīng)力分量大小相等，方向相反。xyzo應(yīng)力應(yīng)力分量符號(hào)規(guī)定：符號(hào)規(guī)定：圖示單元體面的法線為y,稱為y面，應(yīng)力分量垂直于單元體面的應(yīng)力稱為正應(yīng)力。正應(yīng)力記為 ,沿y軸的正向?yàn)檎?其下標(biāo)表示所沿坐標(biāo)軸的方向。平行于單元體面的應(yīng)力稱為切應(yīng)力，用yx 、yz表示，其第一下標(biāo)y表示所在的平面，第二下標(biāo)x、y分別表示沿坐標(biāo)軸的方向。如圖示的yx、yzyyxyzxyzo應(yīng)變n外力作用下彈性體將產(chǎn)生變形，因此微分體棱邊的長(zhǎng)度以及它們之間的夾角將發(fā)生變化。各棱邊每單位長(zhǎng)度的伸縮量稱為正應(yīng)變（normal strain），各棱邊之間的直角改變則稱為剪應(yīng)變（shear strain）。剪應(yīng)變以直角減小為正，

10、增大為負(fù)，應(yīng)變無(wú)量綱。幾何意義如圖應(yīng)力矩陣應(yīng)變矩陣微分體的應(yīng)力分量和應(yīng)變分量位移n彈性體變形實(shí)際上是彈性體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位置變化，質(zhì)點(diǎn)位置的改變稱為位移（displacement）。位移可分解為x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影，稱為位移分量。沿坐標(biāo)軸正方向的位移分量為正，反之為負(fù)。n位移的矩陣表示為n彈性體發(fā)生變形時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)的位移不一定相同，因此位移也是x、y、z的函數(shù)。彈性力學(xué)基本方程平衡方程幾何方程物理方程平衡方程平衡方程是彈性體內(nèi)部必須滿足的條件，它6個(gè)應(yīng)力分量不是獨(dú)立的，它們通過(guò)3個(gè)平衡方程相互聯(lián)系幾何方程n幾何方程描述幾何量應(yīng)變和位移之間的關(guān)系可寫(xiě)成矩陣形式為6個(gè)應(yīng)變分量可用該點(diǎn)的3個(gè)位移分量

11、表示，因此6個(gè)應(yīng)變分量也不是獨(dú)立的物理方程n物理方程描述應(yīng)力分量與應(yīng)變分量之間的關(guān)系，這種關(guān)系與材料的物理特性有關(guān)。物理方程共有6個(gè)，其形式為1，沒(méi)有正應(yīng)力，沒(méi)有正應(yīng)變2，沒(méi)有正應(yīng)變，沒(méi)有正應(yīng)力3，沒(méi)有應(yīng)變，沒(méi)有位移4，沒(méi)有位移，沒(méi)有應(yīng)變物理方程寫(xiě)成矩陣形式簡(jiǎn)記為其中，為彈性矩陣，它完全取決于彈性系數(shù)和。15個(gè)方程位移產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)變產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)力和外力平衡幾何方程物理方程平衡方程彈性力學(xué)基本方程n由上可見(jiàn)，三類基本方程共包含15個(gè)方程，含6個(gè)應(yīng)力分量，6個(gè)應(yīng)變分量和3個(gè)位移分量，共15個(gè)未知量，因而原則上可以解出15個(gè)物理量。實(shí)際求解時(shí)并不是同時(shí)求出全部未知量，而是先求出一部分（稱為基本未知量），

12、再通過(guò)基本方程求出其他未知量。根據(jù)基本未知量的選法不同，也就產(chǎn)生了3中不同的解題方法位移法，應(yīng)力法和混合法。邊界條件彈性力學(xué)彈性力學(xué)的基本未知量：的基本未知量： 位移分量，應(yīng)力分量位移分量，應(yīng)力分量和應(yīng)變和應(yīng)變分量。分量?；痉匠蹋浩胶馕⒎址匠蹋瑤缀畏匠毯臀锢矸匠?。基本方程：平衡微分方程，幾何方程和物理方程。 要使基本方程有確定的解，還要有對(duì)應(yīng)的面力或位移邊界條要使基本方程有確定的解，還要有對(duì)應(yīng)的面力或位移邊界條件。件。 邊界條件一般分為：靜力（面力）邊界條件、位移邊界條件邊界條件一般分為：靜力（面力）邊界條件、位移邊界條件和混合邊界條件。和混合邊界條件。 彈性力學(xué)的任務(wù)：就是在給定的邊界條件下，就十五個(gè)未知彈性力學(xué)的任務(wù)：就是在給定的邊界條件下，就十五個(gè)未知量求解十五個(gè)基本方程。量求解十五個(gè)基本方程。靜力（面力）邊界條件靜力邊界條件：結(jié)構(gòu)在邊界上所受的面力與應(yīng)力分量之間的關(guān)系 。由于物體表面受到表面力，如壓力和接觸力等的作用， 設(shè)單位面