各向異性彈性力學(xué)課件

第二章各向異性彈性力學(xué)1編輯版pppt第二章各向異性彈性力學(xué)1編輯版pppt各向異性與各向同性彈性力學(xué)的基本方程的差別差別在于:本構(gòu)方程其它平衡方程,幾何方程,協(xié)調(diào)方程,和邊界條件等則完全相同.即用各向異性胡克定律代替各向同性胡克定律,這一代換將使力學(xué)計(jì)算及反映的現(xiàn)象十分復(fù)雜.2編輯版pppt各向異性與各向同性彈性力學(xué)的基本方程的差別差別在于:本構(gòu)方程單元體應(yīng)力及正負(fù)號(hào)規(guī)定如果作用面的外法線(xiàn)指向坐標(biāo)系中相應(yīng)坐標(biāo)軸的正向,而應(yīng)力分量也指向?qū)?yīng)坐標(biāo)軸的正向,則應(yīng)力分量為正。當(dāng)兩個(gè)下標(biāo)中,只有一個(gè)指向坐標(biāo)軸的正向時(shí),該應(yīng)力分量就為負(fù).yx作用在y面上的正應(yīng)力作用在y面內(nèi)x方向的剪應(yīng)力z3編輯版pppt單元體應(yīng)力及正負(fù)號(hào)規(guī)定如果作用面的外法線(xiàn)指向坐標(biāo)系中相應(yīng)坐標(biāo)靜力平衡方程（3）X，Y，Z作用于微元體的體積力力要平衡！4編輯版pppt靜力平衡方程（3）X，Y，Z力要平衡！4編輯版pppt幾何關(guān)系(小變形)(6)變形要協(xié)調(diào)！三個(gè)獨(dú)立的位移場(chǎng)即可以完全確定變形，而應(yīng)變亦可以描述變形，它們之間滿(mǎn)足以下關(guān)系！5編輯版pppt幾何關(guān)系(小變形)(6)變形要協(xié)調(diào)！三個(gè)獨(dú)立的位移場(chǎng)即可以完本構(gòu)方程（6）反映出材料的性質(zhì)！與之間的關(guān)系6編輯版pppt本構(gòu)方程（6）反映出材料的性質(zhì)！與之間的關(guān)系6編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程與各向同性彈性力學(xué)一樣,各向異性彈性力學(xué)有15個(gè)未知量15個(gè)場(chǎng)方程靜力平衡方程（3）＋幾何關(guān)系（6）＋本構(gòu)方程（6）可以求解了嗎？7編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程與各向同性彈性力學(xué)一樣,給定力的邊界條件(3)定解還需邊界條件！8編輯版pppt給定力的邊界條件(3)定解還需邊界條件！8編輯版pppt給定位移的邊界條件(3)9編輯版pppt給定位移的邊界條件(3)9編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程（另一組定解方程）與各向同性彈性力學(xué)一樣,各向異性彈性力學(xué)有12個(gè)未知量12個(gè)場(chǎng)方程靜力平衡方程（3）＋幾何關(guān)系（6）＋本構(gòu)方程（6）＋變形協(xié)調(diào)方程（3）10編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程（另一組定解方程）與各向變形協(xié)調(diào)方程(3/6)只有三個(gè)是獨(dú)立的，為什么？11編輯版pppt變形協(xié)調(diào)方程(3/6)只有三個(gè)是獨(dú)立的，為什么？11編輯版p以上的力學(xué),幾何,物理,以及邊界條件諸方面構(gòu)成各向異性彈性力學(xué)的基本方程,與各向同性彈性力學(xué)的區(qū)別在于物理方程.其它均相同12編輯版pppt以上的力學(xué),幾何,物理,以及邊界條件諸方面構(gòu)成各向異性彈性力

彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系均質(zhì)彈性體的彈性性質(zhì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(應(yīng)力應(yīng)變及彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式)

彈性對(duì)稱(chēng)性——本構(gòu)關(guān)系的簡(jiǎn)化正交異性材料彈性常數(shù)的物理意義13編輯版pppt彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系13編輯版pppt2.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系

2.1.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系

規(guī)定下標(biāo)i，j與一維指標(biāo)對(duì)應(yīng)如下次序：(2－1)則（2－1）

的兩式可以寫(xiě)成矩陣乘法的形式，第一式可以寫(xiě)作

14編輯版pppt2.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系2.1.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)記作

可以理解為張量等式，，理解為應(yīng)力張量和應(yīng)變張量，L理解為彈性剛度張量；也可以理解為矩陣等式，，理解為應(yīng)力列矢量和應(yīng)變列矢量，[L]理解為彈性剛度矩陣。L與M具有Voigt對(duì)稱(chēng)性，因此矩陣L與M為9列9行的對(duì)稱(chēng)矩陣。

（2－2）15編輯版pppt記作可以理解為張量等式，，理解為應(yīng)力張由于應(yīng)力張量與應(yīng)變張量都是對(duì)稱(chēng)張量。（2－2）式中的列矢量與的第4行與第5行相同，第6行與第7行相同，第8行與第9行相同。彈性剛度矩陣與柔度矩陣第4行、列與第5行、列相同，第6行、列與第7行、列相同，第8行、列與第9行、列相同。利用這種對(duì)稱(chēng)性，可以把應(yīng)力張量與應(yīng)變張量寫(xiě)成6個(gè)元素的“列矢量”

相應(yīng)的，L與M可寫(xiě)成6行6列的對(duì)稱(chēng)矩陣16編輯版pppt由于應(yīng)力張量與應(yīng)變張量都是對(duì)稱(chēng)張量。（2－2）式中的也就是說(shuō)，各列除去重復(fù)的元素，但第1、2、3列的元素的數(shù)值不變，而第4、5、6列的元素則乘以2。此時(shí)，張量運(yùn)算與矩陣運(yùn)算仍然一樣，但失去了矩陣地對(duì)稱(chēng)性。17編輯版pppt也就是說(shuō)，各列除去重復(fù)的元素，但第1、2、3列的元素的數(shù)值不有的文獻(xiàn)中定義應(yīng)力“列矢量”為應(yīng)變“列矢量”為

注意：，，就是剪切角，，。

18編輯版pppt有的文獻(xiàn)中定義應(yīng)力“列矢量”為應(yīng)變“列矢量”為注意：于是可以把彈性本構(gòu)關(guān)系寫(xiě)成：

或

（2－3）（2－4）19編輯版pppt于是可以把彈性本構(gòu)關(guān)系寫(xiě)成：或（2－3）（2－4）1容易導(dǎo)出矩陣C，s與L，M之間的關(guān)系為

20編輯版pppt容易導(dǎo)出矩陣C，s與L，M之間的關(guān)系為20編輯版pppt2.1.2彈性應(yīng)變能密度

固體變形時(shí)，加在它上面的外力要做功。完全彈性體在等溫條件下，當(dāng)緩慢卸載后可以完全恢復(fù)其初始狀態(tài)。因此，可以認(rèn)為，外力功全部以能量的形式儲(chǔ)存在彈性體內(nèi)。這種能量稱(chēng)為應(yīng)變能。通過(guò)對(duì)體微元的研究，可以得到彈性應(yīng)變能密度：其中

(Voigt對(duì)稱(chēng)性)(Voigt對(duì)稱(chēng)性)21編輯版pppt2.1.2彈性應(yīng)變能密度固體變形由線(xiàn)彈性可以得22編輯版pppt由線(xiàn)彈性可以得22編輯版pppt2.2均質(zhì)彈性體的彈性性質(zhì)

對(duì)于均質(zhì)彈性體，材料的性質(zhì)與位置坐標(biāo)無(wú)關(guān)。其應(yīng)變位能是應(yīng)變分量，，…，的函數(shù)，而且只取決于應(yīng)變的最終值。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，是應(yīng)變狀態(tài)的單值函數(shù)，而且與積分路徑無(wú)關(guān)，必是對(duì)應(yīng)變分量的全微分，即：可得（2－5）23編輯版pppt2.2均質(zhì)彈性體的彈性性質(zhì)對(duì)于為了便于以后的討論，給出的展開(kāi)式（2－6）24編輯版pppt為了便于以后的討論，給出的展開(kāi)式（2－6）24編2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(應(yīng)力應(yīng)變及彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式)2.3.1斜面應(yīng)力為了討論過(guò)點(diǎn)A任意斜面的應(yīng)力，在點(diǎn)A附近取一個(gè)四面體微元ABCD(圖2－1)。

圖2－125編輯版pppt2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(應(yīng)力應(yīng)變及彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式)2.3.1斜面BCD的外法線(xiàn)為N，令N的方向余弦為：則有式中，、、、依次為三角形BCD、ACD、ABD、ABC的面積。令四面體微元的體積為dV，斜面BCD上應(yīng)力向量在坐標(biāo)方向上的分量為、、，則由四面體微元的的條件得到：（2－7）26編輯版pppt斜面BCD的外法線(xiàn)為N，令N的方向余弦為：則有式中，得到方程如下：寫(xiě)成矩陣形式也就是說(shuō)，若應(yīng)力張量為已知，則任一斜面上的應(yīng)力均可求出。因此，應(yīng)力張量完全決定了一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。（2－8）27編輯版pppt得到方程如下：寫(xiě)成矩陣形式也就是說(shuō)，若應(yīng)力2.3.2應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)軸公式三維情況：圖2－2坐標(biāo)系如圖2－2所示，新坐標(biāo)與原坐標(biāo)的方向余弦列于表1

：其中28編輯版pppt2.3.2應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)軸公式三維情況：圖2－2坐標(biāo)系如

xyzx′l1m1n1y′l2m2n2z′l3m3n3表1

即

（2－9）29編輯版pppt

xyzx′l1m1n1y′l2m2n2z′l3m3n3將式（2－9）展開(kāi)，并按一定次序排列應(yīng)力張量，可得應(yīng)力分量轉(zhuǎn)軸公式：（2－10）稱(chēng)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣30編輯版pppt將式（2－9）展開(kāi)，并按一定次序排列應(yīng)力張量，同理可得，應(yīng)變分量轉(zhuǎn)軸公式（2－11）稱(chēng)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣31編輯版pppt同理可得，應(yīng)變分量轉(zhuǎn)軸公式（2－11）稱(chēng)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣31編二維情況：二維情況的坐標(biāo)建立如下兩圖：圖2－3圖2－432編輯版pppt二維情況：二維情況的坐標(biāo)建立如下兩圖：圖2－3圖2－432

同理：（2－12）（2－13）（2－14）33編輯版pppt同理：（2－12）（2－13）（2－14）33編輯版pp2.3.3彈性系數(shù)的轉(zhuǎn)軸公式各向異性體的彈性特性隨方向不同而異，即各向異性體的彈性系數(shù)是方向的函數(shù)，它們與坐標(biāo)的取向有關(guān)，只有在各向同性情況下，彈性系數(shù)在任意正交坐標(biāo)系是不變的。

已知

求逆

又因?yàn)?/p>

所以可得34編輯版pppt2.3.3彈性系數(shù)的轉(zhuǎn)軸公式各向異性體的彈性通過(guò)單位體積應(yīng)變能函數(shù)U0可以證明：從而可以得到：所以其中為新坐標(biāo)系中的柔度矩陣

為新坐標(biāo)系中的剛度矩陣

以上即為彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式的矩陣形式。

（2－15）35編輯版pppt通過(guò)單位體積應(yīng)變能函數(shù)U0可以證明：從而可以得到：所以其中為2.4彈性對(duì)稱(chēng)性——本構(gòu)關(guān)系的簡(jiǎn)化

大多數(shù)工程材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，這決定了材料的彈性特性也具有對(duì)稱(chēng)性。均質(zhì)彈性體中，若過(guò)每一點(diǎn)的不同方向的彈性特征不同，稱(chēng)為一般均質(zhì)各向異性體，它具有36個(gè)非零的彈性系數(shù)，但其中21個(gè)獨(dú)立的彈性系數(shù)。若物體中的每一點(diǎn)出現(xiàn)有對(duì)稱(chēng)的方向，這些方向上的彈性特征相同，它就具有彈性對(duì)稱(chēng)。具有彈性對(duì)稱(chēng)的物體，廣義虎可定律的方程和能量函數(shù)的表達(dá)式都可以簡(jiǎn)化，在彈性系數(shù)之間出現(xiàn)依賴(lài)關(guān)系。

Voigt對(duì)稱(chēng)性:可證明張量L對(duì)雙指標(biāo)ij和kl具有對(duì)稱(chēng)性。36編輯版pppt2.4彈性對(duì)稱(chēng)性——本構(gòu)關(guān)系的簡(jiǎn)化大多2.4.1一個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面

彈性對(duì)稱(chēng)面就是指經(jīng)過(guò)物體內(nèi)的每一點(diǎn)都有這樣的平面，在這個(gè)平面的對(duì)稱(chēng)方向上彈性特性是相同的。取xy坐標(biāo)面與彈性對(duì)稱(chēng)面平行，z軸與彈性對(duì)稱(chēng)面垂直（如圖），現(xiàn)研究體微元ABCDE的彈性對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。

由彈性對(duì)稱(chēng)面的定義知，當(dāng)?shù)怪脄軸時(shí)，在坐標(biāo)系(x、y、z)和（x、y、）中，體微元具有相同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。換言之，彈性系數(shù)、不因倒置z軸而發(fā)生變化。

圖2－537編輯版pppt2.4.1一個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面彈性對(duì)稱(chēng)面就是指經(jīng)彈性體單位體積的應(yīng)變能是應(yīng)變狀態(tài)的單位函數(shù)，而且能量是標(biāo)量，不因坐標(biāo)的選擇不同而改變其量值。但是當(dāng)z軸變成軸時(shí)，有些物理量將變號(hào)。用u，v，w和u，v，w’分別表示兩坐標(biāo)中的位移分量，存在著下述關(guān)系：與有關(guān)的剪應(yīng)變分別為：所以可得：

也就是說(shuō)，z軸倒置時(shí)，與z方向有關(guān)的剪應(yīng)變分量變號(hào)。

（2－16）（2－17）38編輯版pppt彈性體單位體積的應(yīng)變能是應(yīng)變狀態(tài)的單位函數(shù)由的表達(dá)式不難看出，除非含和的一次項(xiàng)的剛度系數(shù)等于零，否則不能保證的量值不變。于是，有剛度系數(shù)減少了8個(gè)，剩下13個(gè)。同樣可以證明，柔度系數(shù)也剩下13個(gè)。于是，當(dāng)z軸垂直彈性對(duì)稱(chēng)面時(shí)，應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系為：

（2－18）垂直于彈性對(duì)稱(chēng)面的方向?yàn)閺椥灾鞣较?，坐?biāo)軸在彈性主方向時(shí)稱(chēng)為彈性主軸。上述的z軸即為彈性主軸。

39編輯版pppt由的表達(dá)式不難看出，除非含只有13個(gè)(21-8)彈性常數(shù)40編輯版pppt只有13個(gè)(21-8)彈性常數(shù)40編輯版pppt如果其他應(yīng)力分量為0,當(dāng)沿彈性主軸拉伸時(shí),除縱向伸長(zhǎng),橫向收縮外,還會(huì)引起與主軸垂直的面(彈性對(duì)稱(chēng)面)內(nèi)的剪應(yīng)變,且彈性主軸方向不變41編輯版pppt如果其他應(yīng)力分量為02.4.2三個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面——正交異性

若經(jīng)過(guò)均質(zhì)彈性體的每一點(diǎn)都有三個(gè)互相垂直的彈性對(duì)稱(chēng)面，則稱(chēng)之為正交異性彈性體。

取坐標(biāo)x，y，z方向?yàn)閺椥灾鞣较颉Ｑ赜们懊娴姆椒?，將y軸轉(zhuǎn)1800成y’軸，因?yàn)楹妥兲?hào)，必須有：

新增加的等于零的剛度系數(shù)是后四個(gè)。再轉(zhuǎn)動(dòng)x軸不能增加新的等于零的剛度系數(shù)。將z軸轉(zhuǎn)1800成z’軸同樣可以得出，新增加的等于零的柔度系數(shù)為四個(gè)。獨(dú)立的彈性系數(shù)剩下9個(gè)。從而得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：42編輯版pppt2.4.2三個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面——正交異性若經(jīng)過(guò)設(shè)僅有作用,其余應(yīng)力分量為0,這時(shí)應(yīng)變能對(duì)于上述兩種坐標(biāo)系計(jì)算時(shí),變號(hào)，為了使W保持不變,必須使同理利用彈性主軸改變,彈性能不變的原理證明:43編輯版pppt設(shè)僅有作用,其余應(yīng)力（2－19）

從上可以看出，對(duì)于正交異性體，若坐標(biāo)方向?yàn)閺椥灾鞣较颍瑒t正應(yīng)力不引起剪應(yīng)變，剪應(yīng)力不引起線(xiàn)應(yīng)變，反之亦然。

44編輯版pppt（2－19）從上可以看出，對(duì)于正交異性體，若坐標(biāo)方向沒(méi)有拉壓剪切耦合現(xiàn)象沒(méi)有不同平面內(nèi)的剪切耦合現(xiàn)象45編輯版pppt沒(méi)有拉壓剪切耦合現(xiàn)象沒(méi)有不同平面內(nèi)的剪切耦合現(xiàn)象45編輯版p2.4.3一個(gè)各向同性面——橫觀各向同性

在平面內(nèi)一切方向的彈性特性均相同的平面稱(chēng)為各向同性面．如果過(guò)材料的每一點(diǎn)都有一個(gè)相互平行的各向同性面，就稱(chēng)為橫觀各向同性材料。

取oxy面為各向同性面，z軸垂直于該面．顯然當(dāng)涉及x或y方向時(shí)，剛度系數(shù)的下標(biāo)可以不加區(qū)別，即，，而且可以證明。因此，獨(dú)立的彈性常數(shù)減少為5個(gè)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為：

46編輯版pppt2.4.3一個(gè)各向同性面——橫觀各向同性在平面（2－20）47編輯版pppt（2－20）47編輯版pppt2.4.4完全對(duì)稱(chēng)——各向同性

若經(jīng)過(guò)均質(zhì)體內(nèi)每一點(diǎn)的任意方向上彈性特性均相同，即任意方向都是彈性主方向，則稱(chēng)之為各向同性體。顯然，彈性系數(shù)之間存在下述關(guān)系：

對(duì)于各向同性材料，彈性系數(shù)與方向無(wú)關(guān)。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為（顯然只有兩個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)了）：（2－21）48編輯版pppt2.4.4完全對(duì)稱(chēng)——各向同性若2.4.5小結(jié)

表249編輯版pppt2.4.5小結(jié)表249編輯版pppt2.5正交異性材料彈性常數(shù)的物理意義

在本構(gòu)關(guān)系式中，剛度矩陣和柔度矩陣雖然是聯(lián)系應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)學(xué)符號(hào)，但是也有其物理意義。通過(guò)簡(jiǎn)單的拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，可以導(dǎo)出各分量與材料機(jī)械性能之間的關(guān)系，稱(chēng)為用工程常數(shù)表示。

首先：研究沿彈性主方向1簡(jiǎn)單拉伸情況（如圖2－6

）

（圖2－6）50編輯版pppt2.5正交異性材料彈性常數(shù)的物理意義其應(yīng)力和應(yīng)變張量為：根據(jù)正交異性材料的本構(gòu)關(guān)系，可得到：由此可得：同理，根據(jù)2和3方向的簡(jiǎn)單拉伸，可得：

51編輯版pppt其應(yīng)力和應(yīng)變張量為：根據(jù)正交異性材料的本構(gòu)關(guān)系，可得到：由此式中和即為人們所熟悉的工程彈性常數(shù)，是i方向的彈性模量，是i方向正應(yīng)力引起j方向橫向應(yīng)變的泊松比。

其次：研究一個(gè)純剪切試驗(yàn)，這時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變張量為：同樣根據(jù)本構(gòu)關(guān)系可寫(xiě)出：于是得到：52編輯版pppt式中和即為人們所熟悉的工程彈性常數(shù)，類(lèi)似的有：由此得到用工程常數(shù)表達(dá)的正交異性材料柔度矩陣為（剛度系數(shù)的表示可由剛度系數(shù)與柔度系數(shù)的關(guān)系得到）：53編輯版pppt類(lèi)似的有：由此得到用工程常數(shù)表達(dá)的正交異性材2.5.1正交異性體的彈性系數(shù)(由物理意義可求）1.剛度系數(shù)和柔度系數(shù)的關(guān)系

因?yàn)閯偠染仃嚭腿岫染仃囀腔ツ娴?，所以根據(jù)求逆法則，可得到相互關(guān)系：其中

在用剛度系數(shù)表示柔度系數(shù)時(shí)，只要將式中的C與S互換即可。（2－22）54編輯版pppt2.5.1正交異性體的彈性系數(shù)(由物理意義可求）1.剛度系2.剛度系數(shù)、柔度系數(shù)與工程常數(shù)的關(guān)系柔度系數(shù)與工程常數(shù)的關(guān)系為：

剛度系數(shù)與工程常數(shù)的關(guān)系由上可以較易的推得，在此不詳細(xì)列出。（2－23）作業(yè)：推導(dǎo)剛度系數(shù)與工程常數(shù)的關(guān)系55編輯版pppt2.剛度系數(shù)、柔度系數(shù)與工程常數(shù)的關(guān)系柔度系數(shù)與工程常數(shù)的3.彈性模量與泊松比的關(guān)系

由柔度矩陣的Voigt對(duì)稱(chēng)性和式（2－23）可得

此即為馬克斯韋爾定理。56編輯版pppt3.彈性模量與泊松比的關(guān)系由柔度矩陣的Voigt對(duì)稱(chēng)性和4.工程常數(shù)的取值范圍

由于應(yīng)變能函數(shù)U0是非負(fù)的，所以只要、不為零，其二次型總是取正值，所以、為正定矩陣，其行列式的主值必為正，當(dāng)每次試件單向應(yīng)力時(shí)，例如應(yīng)力狀態(tài)，其余應(yīng)力分量為零（其余類(lèi)推），則可知，柔度矩陣主對(duì)角線(xiàn)元素必為正：

同理可得：(2－24)(2－25)57編輯版pppt4.工程常數(shù)的取值范圍由于應(yīng)變能函數(shù)U0同時(shí)考慮到正定矩陣的行列式值必為正的條件，所以不難得到正交異性體工程常數(shù)取值范圍的不等式（2－26）58編輯版pppt同時(shí)考慮到正定矩陣的行列式值必為正的條件，所以不難得到正交異可以在無(wú)應(yīng)變自然狀態(tài)（）附近把應(yīng)變能函數(shù)展開(kāi)：取無(wú)初應(yīng)變狀態(tài)，則取無(wú)初應(yīng)力狀態(tài)，則小應(yīng)變情況下，略去高階小項(xiàng)，則：根據(jù)廣義格林公式（）又因?yàn)椋核裕河纱丝梢宰C明張量C對(duì)雙指標(biāo)ij和kl具有對(duì)稱(chēng)性。59編輯版pppt可以在無(wú)應(yīng)變自然狀態(tài)（）附近把應(yīng)變能函第二章結(jié)束！60編輯版pppt第二章結(jié)束！60編輯版pppt感謝親觀看此幻燈片，此課件部分內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們刪除，謝謝配合！61感謝親觀看此幻燈片，此課件部分內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，61第二章各向異性彈性力學(xué)62編輯版pppt第二章各向異性彈性力學(xué)1編輯版pppt各向異性與各向同性彈性力學(xué)的基本方程的差別差別在于:本構(gòu)方程其它平衡方程,幾何方程,協(xié)調(diào)方程,和邊界條件等則完全相同.即用各向異性胡克定律代替各向同性胡克定律,這一代換將使力學(xué)計(jì)算及反映的現(xiàn)象十分復(fù)雜.63編輯版pppt各向異性與各向同性彈性力學(xué)的基本方程的差別差別在于:本構(gòu)方程單元體應(yīng)力及正負(fù)號(hào)規(guī)定如果作用面的外法線(xiàn)指向坐標(biāo)系中相應(yīng)坐標(biāo)軸的正向,而應(yīng)力分量也指向?qū)?yīng)坐標(biāo)軸的正向,則應(yīng)力分量為正。當(dāng)兩個(gè)下標(biāo)中,只有一個(gè)指向坐標(biāo)軸的正向時(shí),該應(yīng)力分量就為負(fù).yx作用在y面上的正應(yīng)力作用在y面內(nèi)x方向的剪應(yīng)力z64編輯版pppt單元體應(yīng)力及正負(fù)號(hào)規(guī)定如果作用面的外法線(xiàn)指向坐標(biāo)系中相應(yīng)坐標(biāo)靜力平衡方程（3）X，Y，Z作用于微元體的體積力力要平衡！65編輯版pppt靜力平衡方程（3）X，Y，Z力要平衡！4編輯版pppt幾何關(guān)系(小變形)(6)變形要協(xié)調(diào)！三個(gè)獨(dú)立的位移場(chǎng)即可以完全確定變形，而應(yīng)變亦可以描述變形，它們之間滿(mǎn)足以下關(guān)系！66編輯版pppt幾何關(guān)系(小變形)(6)變形要協(xié)調(diào)！三個(gè)獨(dú)立的位移場(chǎng)即可以完本構(gòu)方程（6）反映出材料的性質(zhì)！與之間的關(guān)系67編輯版pppt本構(gòu)方程（6）反映出材料的性質(zhì)！與之間的關(guān)系6編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程與各向同性彈性力學(xué)一樣,各向異性彈性力學(xué)有15個(gè)未知量15個(gè)場(chǎng)方程靜力平衡方程（3）＋幾何關(guān)系（6）＋本構(gòu)方程（6）可以求解了嗎？68編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程與各向同性彈性力學(xué)一樣,給定力的邊界條件(3)定解還需邊界條件！69編輯版pppt給定力的邊界條件(3)定解還需邊界條件！8編輯版pppt給定位移的邊界條件(3)70編輯版pppt給定位移的邊界條件(3)9編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程（另一組定解方程）與各向同性彈性力學(xué)一樣,各向異性彈性力學(xué)有12個(gè)未知量12個(gè)場(chǎng)方程靜力平衡方程（3）＋幾何關(guān)系（6）＋本構(gòu)方程（6）＋變形協(xié)調(diào)方程（3）71編輯版pppt各向異性彈性力學(xué)問(wèn)題需滿(mǎn)足的基本方程（另一組定解方程）與各向變形協(xié)調(diào)方程(3/6)只有三個(gè)是獨(dú)立的，為什么？72編輯版pppt變形協(xié)調(diào)方程(3/6)只有三個(gè)是獨(dú)立的，為什么？11編輯版p以上的力學(xué),幾何,物理,以及邊界條件諸方面構(gòu)成各向異性彈性力學(xué)的基本方程,與各向同性彈性力學(xué)的區(qū)別在于物理方程.其它均相同73編輯版pppt以上的力學(xué),幾何,物理,以及邊界條件諸方面構(gòu)成各向異性彈性力

彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系均質(zhì)彈性體的彈性性質(zhì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(應(yīng)力應(yīng)變及彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式)

彈性對(duì)稱(chēng)性——本構(gòu)關(guān)系的簡(jiǎn)化正交異性材料彈性常數(shù)的物理意義74編輯版pppt彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系13編輯版pppt2.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系

2.1.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系

規(guī)定下標(biāo)i，j與一維指標(biāo)對(duì)應(yīng)如下次序：(2－1)則（2－1）

的兩式可以寫(xiě)成矩陣乘法的形式，第一式可以寫(xiě)作

75編輯版pppt2.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系2.1.1彈性介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)記作

可以理解為張量等式，，理解為應(yīng)力張量和應(yīng)變張量，L理解為彈性剛度張量；也可以理解為矩陣等式，，理解為應(yīng)力列矢量和應(yīng)變列矢量，[L]理解為彈性剛度矩陣。L與M具有Voigt對(duì)稱(chēng)性，因此矩陣L與M為9列9行的對(duì)稱(chēng)矩陣。

（2－2）76編輯版pppt記作可以理解為張量等式，，理解為應(yīng)力張由于應(yīng)力張量與應(yīng)變張量都是對(duì)稱(chēng)張量。（2－2）式中的列矢量與的第4行與第5行相同，第6行與第7行相同，第8行與第9行相同。彈性剛度矩陣與柔度矩陣第4行、列與第5行、列相同，第6行、列與第7行、列相同，第8行、列與第9行、列相同。利用這種對(duì)稱(chēng)性，可以把應(yīng)力張量與應(yīng)變張量寫(xiě)成6個(gè)元素的“列矢量”

相應(yīng)的，L與M可寫(xiě)成6行6列的對(duì)稱(chēng)矩陣77編輯版pppt由于應(yīng)力張量與應(yīng)變張量都是對(duì)稱(chēng)張量。（2－2）式中的也就是說(shuō)，各列除去重復(fù)的元素，但第1、2、3列的元素的數(shù)值不變，而第4、5、6列的元素則乘以2。此時(shí)，張量運(yùn)算與矩陣運(yùn)算仍然一樣，但失去了矩陣地對(duì)稱(chēng)性。78編輯版pppt也就是說(shuō)，各列除去重復(fù)的元素，但第1、2、3列的元素的數(shù)值不有的文獻(xiàn)中定義應(yīng)力“列矢量”為應(yīng)變“列矢量”為

注意：，，就是剪切角，，。

79編輯版pppt有的文獻(xiàn)中定義應(yīng)力“列矢量”為應(yīng)變“列矢量”為注意：于是可以把彈性本構(gòu)關(guān)系寫(xiě)成：

或

（2－3）（2－4）80編輯版pppt于是可以把彈性本構(gòu)關(guān)系寫(xiě)成：或（2－3）（2－4）1容易導(dǎo)出矩陣C，s與L，M之間的關(guān)系為

81編輯版pppt容易導(dǎo)出矩陣C，s與L，M之間的關(guān)系為20編輯版pppt2.1.2彈性應(yīng)變能密度

固體變形時(shí)，加在它上面的外力要做功。完全彈性體在等溫條件下，當(dāng)緩慢卸載后可以完全恢復(fù)其初始狀態(tài)。因此，可以認(rèn)為，外力功全部以能量的形式儲(chǔ)存在彈性體內(nèi)。這種能量稱(chēng)為應(yīng)變能。通過(guò)對(duì)體微元的研究，可以得到彈性應(yīng)變能密度：其中

(Voigt對(duì)稱(chēng)性)(Voigt對(duì)稱(chēng)性)82編輯版pppt2.1.2彈性應(yīng)變能密度固體變形由線(xiàn)彈性可以得83編輯版pppt由線(xiàn)彈性可以得22編輯版pppt2.2均質(zhì)彈性體的彈性性質(zhì)

對(duì)于均質(zhì)彈性體，材料的性質(zhì)與位置坐標(biāo)無(wú)關(guān)。其應(yīng)變位能是應(yīng)變分量，，…，的函數(shù)，而且只取決于應(yīng)變的最終值。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，是應(yīng)變狀態(tài)的單值函數(shù)，而且與積分路徑無(wú)關(guān)，必是對(duì)應(yīng)變分量的全微分，即：可得（2－5）84編輯版pppt2.2均質(zhì)彈性體的彈性性質(zhì)對(duì)于為了便于以后的討論，給出的展開(kāi)式（2－6）85編輯版pppt為了便于以后的討論，給出的展開(kāi)式（2－6）24編2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(應(yīng)力應(yīng)變及彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式)2.3.1斜面應(yīng)力為了討論過(guò)點(diǎn)A任意斜面的應(yīng)力，在點(diǎn)A附近取一個(gè)四面體微元ABCD(圖2－1)。

圖2－186編輯版pppt2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(應(yīng)力應(yīng)變及彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式)2.3.1斜面BCD的外法線(xiàn)為N，令N的方向余弦為：則有式中，、、、依次為三角形BCD、ACD、ABD、ABC的面積。令四面體微元的體積為dV，斜面BCD上應(yīng)力向量在坐標(biāo)方向上的分量為、、，則由四面體微元的的條件得到：（2－7）87編輯版pppt斜面BCD的外法線(xiàn)為N，令N的方向余弦為：則有式中，得到方程如下：寫(xiě)成矩陣形式也就是說(shuō)，若應(yīng)力張量為已知，則任一斜面上的應(yīng)力均可求出。因此，應(yīng)力張量完全決定了一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。（2－8）88編輯版pppt得到方程如下：寫(xiě)成矩陣形式也就是說(shuō)，若應(yīng)力2.3.2應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)軸公式三維情況：圖2－2坐標(biāo)系如圖2－2所示，新坐標(biāo)與原坐標(biāo)的方向余弦列于表1

：其中89編輯版pppt2.3.2應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)軸公式三維情況：圖2－2坐標(biāo)系如

xyzx′l1m1n1y′l2m2n2z′l3m3n3表1

即

（2－9）90編輯版pppt

xyzx′l1m1n1y′l2m2n2z′l3m3n3將式（2－9）展開(kāi)，并按一定次序排列應(yīng)力張量，可得應(yīng)力分量轉(zhuǎn)軸公式：（2－10）稱(chēng)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣91編輯版pppt將式（2－9）展開(kāi)，并按一定次序排列應(yīng)力張量，同理可得，應(yīng)變分量轉(zhuǎn)軸公式（2－11）稱(chēng)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣92編輯版pppt同理可得，應(yīng)變分量轉(zhuǎn)軸公式（2－11）稱(chēng)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣31編二維情況：二維情況的坐標(biāo)建立如下兩圖：圖2－3圖2－493編輯版pppt二維情況：二維情況的坐標(biāo)建立如下兩圖：圖2－3圖2－432

同理：（2－12）（2－13）（2－14）94編輯版pppt同理：（2－12）（2－13）（2－14）33編輯版pp2.3.3彈性系數(shù)的轉(zhuǎn)軸公式各向異性體的彈性特性隨方向不同而異，即各向異性體的彈性系數(shù)是方向的函數(shù)，它們與坐標(biāo)的取向有關(guān)，只有在各向同性情況下，彈性系數(shù)在任意正交坐標(biāo)系是不變的。

已知

求逆

又因?yàn)?/p>

所以可得95編輯版pppt2.3.3彈性系數(shù)的轉(zhuǎn)軸公式各向異性體的彈性通過(guò)單位體積應(yīng)變能函數(shù)U0可以證明：從而可以得到：所以其中為新坐標(biāo)系中的柔度矩陣

為新坐標(biāo)系中的剛度矩陣

以上即為彈性系數(shù)轉(zhuǎn)軸公式的矩陣形式。

（2－15）96編輯版pppt通過(guò)單位體積應(yīng)變能函數(shù)U0可以證明：從而可以得到：所以其中為2.4彈性對(duì)稱(chēng)性——本構(gòu)關(guān)系的簡(jiǎn)化

大多數(shù)工程材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，這決定了材料的彈性特性也具有對(duì)稱(chēng)性。均質(zhì)彈性體中，若過(guò)每一點(diǎn)的不同方向的彈性特征不同，稱(chēng)為一般均質(zhì)各向異性體，它具有36個(gè)非零的彈性系數(shù)，但其中21個(gè)獨(dú)立的彈性系數(shù)。若物體中的每一點(diǎn)出現(xiàn)有對(duì)稱(chēng)的方向，這些方向上的彈性特征相同，它就具有彈性對(duì)稱(chēng)。具有彈性對(duì)稱(chēng)的物體，廣義虎可定律的方程和能量函數(shù)的表達(dá)式都可以簡(jiǎn)化，在彈性系數(shù)之間出現(xiàn)依賴(lài)關(guān)系。

Voigt對(duì)稱(chēng)性:可證明張量L對(duì)雙指標(biāo)ij和kl具有對(duì)稱(chēng)性。97編輯版pppt2.4彈性對(duì)稱(chēng)性——本構(gòu)關(guān)系的簡(jiǎn)化大多2.4.1一個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面

彈性對(duì)稱(chēng)面就是指經(jīng)過(guò)物體內(nèi)的每一點(diǎn)都有這樣的平面，在這個(gè)平面的對(duì)稱(chēng)方向上彈性特性是相同的。取xy坐標(biāo)面與彈性對(duì)稱(chēng)面平行，z軸與彈性對(duì)稱(chēng)面垂直（如圖），現(xiàn)研究體微元ABCDE的彈性對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。

由彈性對(duì)稱(chēng)面的定義知，當(dāng)?shù)怪脄軸時(shí)，在坐標(biāo)系(x、y、z)和（x、y、）中，體微元具有相同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。換言之，彈性系數(shù)、不因倒置z軸而發(fā)生變化。

圖2－598編輯版pppt2.4.1一個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面彈性對(duì)稱(chēng)面就是指經(jīng)彈性體單位體積的應(yīng)變能是應(yīng)變狀態(tài)的單位函數(shù)，而且能量是標(biāo)量，不因坐標(biāo)的選擇不同而改變其量值。但是當(dāng)z軸變成軸時(shí)，有些物理量將變號(hào)。用u，v，w和u，v，w’分別表示兩坐標(biāo)中的位移分量，存在著下述關(guān)系：與有關(guān)的剪應(yīng)變分別為：所以可得：

也就是說(shuō)，z軸倒置時(shí)，與z方向有關(guān)的剪應(yīng)變分量變號(hào)。

（2－16）（2－17）99編輯版pppt彈性體單位體積的應(yīng)變能是應(yīng)變狀態(tài)的單位函數(shù)由的表達(dá)式不難看出，除非含和的一次項(xiàng)的剛度系數(shù)等于零，否則不能保證的量值不變。于是，有剛度系數(shù)減少了8個(gè)，剩下13個(gè)。同樣可以證明，柔度系數(shù)也剩下13個(gè)。于是，當(dāng)z軸垂直彈性對(duì)稱(chēng)面時(shí)，應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系為：

（2－18）垂直于彈性對(duì)稱(chēng)面的方向?yàn)閺椥灾鞣较颍鴺?biāo)軸在彈性主方向時(shí)稱(chēng)為彈性主軸。上述的z軸即為彈性主軸。

100編輯版pppt由的表達(dá)式不難看出，除非含只有13個(gè)(21-8)彈性常數(shù)101編輯版pppt只有13個(gè)(21-8)彈性常數(shù)40編輯版pppt如果其他應(yīng)力分量為0,當(dāng)沿彈性主軸拉伸時(shí),除縱向伸長(zhǎng),橫向收縮外,還會(huì)引起與主軸垂直的面(彈性對(duì)稱(chēng)面)內(nèi)的剪應(yīng)變,且彈性主軸方向不變102編輯版pppt如果其他應(yīng)力分量為02.4.2三個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面——正交異性

若經(jīng)過(guò)均質(zhì)彈性體的每一點(diǎn)都有三個(gè)互相垂直的彈性對(duì)稱(chēng)面，則稱(chēng)之為正交異性彈性體。

取坐標(biāo)x，y，z方向?yàn)閺椥灾鞣较?。沿用前面的方法，將y軸轉(zhuǎn)1800成y’軸，因?yàn)楹妥兲?hào)，必須有：

新增加的等于零的剛度系數(shù)是后四個(gè)。再轉(zhuǎn)動(dòng)x軸不能增加新的等于零的剛度系數(shù)。將z軸轉(zhuǎn)1800成z’軸同樣可以得出，新增加的等于零的柔度系數(shù)為四個(gè)。獨(dú)立的彈性系數(shù)剩下9個(gè)。從而得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：103編輯版pppt2.4.2三個(gè)彈性對(duì)稱(chēng)面——正交異性若經(jīng)過(guò)設(shè)僅有作用,其余應(yīng)力分量為0,這時(shí)應(yīng)變能對(duì)于上述兩種坐標(biāo)系計(jì)算時(shí),變號(hào)，為了使W保持不變,必須使同理利用彈性主軸改變,彈性能不變的原理證明:104編輯版pppt設(shè)僅有作用,其余應(yīng)力（2－19）

從上可以看出，對(duì)于正交異性體，若坐標(biāo)方向?yàn)閺椥灾鞣较?，則正應(yīng)力不引起剪應(yīng)變，剪應(yīng)力不引起線(xiàn)應(yīng)變，反之亦然。

105編輯版pppt（2－19）從上可以看出，對(duì)于正交異性體，若坐標(biāo)方向沒(méi)有拉壓剪切耦合現(xiàn)象沒(méi)有不同平面內(nèi)的剪切耦合現(xiàn)象106編輯版pppt沒(méi)有拉壓剪切耦合現(xiàn)象沒(méi)有不同平面內(nèi)的剪切耦合現(xiàn)象45編輯版p2.4.3一個(gè)各向同性面——橫觀各向同性

在平面內(nèi)一切方向的彈性特性均相同的平面稱(chēng)為各向同性面．如果過(guò)材料的每一點(diǎn)都有一個(gè)相互平行的各向同性面，就稱(chēng)為橫觀各向同性材料。

取oxy面為各向同性面，z軸垂直于該面．顯然當(dāng)涉及x或y方向時(shí)，剛度系數(shù)的下標(biāo)可以不加區(qū)別，即，，而且可以證明。因此，獨(dú)立的彈性常數(shù)減少為5個(gè)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為：

107編輯版pppt2.4.3一個(gè)各向同性面——橫觀各向同性在平面（2－20）108編輯版pppt（2－20）47編輯版pppt2.4.4完全對(duì)稱(chēng)——各向同性

若經(jīng)過(guò)均質(zhì)體內(nèi)每一點(diǎn)的任意方向上彈性特性均相同，即任意方向都是彈性主方向，則稱(chēng)之為各向同性體。顯然，彈性系數(shù)之間存在下述關(guān)系：

對(duì)于各向同性材料，彈性系數(shù)與方向無(wú)關(guān)。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為（顯然只有兩個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)了）：（2－21）109編輯版pppt2.4.4完全對(duì)稱(chēng)——各向同性若2.4.5小結(jié)

表2110編輯版pppt2.4.5小結(jié)表249編輯版pppt2.5正交異性材料彈性常數(shù)的物理意義