第二章弹性力学基础(推荐文档)

第二章弹性力学基础

弹性力学又称弹性理论，它是固体力学的一个分支。弹性力学任务是确定结构或机械零件在外载荷作用或温度改变等原因而发生的应力、位移和应变。

弹性力学与材料力学总的任务是相同的，但弹性力学研究的问题比材料力学要更加深刻和精确，并研究材料力学所不能解决的一些问题。

材料力学-----研究杆状构件（长度>>高度和宽度）在拉压、剪切、弯曲、扭转作用下的应力和位移。

弹性力学-----研究板壳、挡土墙、堤坝、地基等实体结构。对杆状构件作较精确的分析，也需用弹性力学。

结构力学-----研究杆状构件所组成的结构。例如桁架、刚架。

第一节弹性力学假设

在弹性力学中，所研究的问题主要是理想弹性体的线性问题，所谓理想弹性体的线性问题，是指符合以下假定的物体。

1. 假设物体是线弹性的

假定物体服从虎克定律，即应变与引起该应变的应力成正比，反映这一比例关系的常数，就是弹性常数。即该比例关系不随应力、应变的大小和符号而变。

由材料力学已知：

脆性材料的物体：在应力≤比例极限以前，可作为近似的完全弹性体；

韧性（塑性）材料的物体：在应力＜屈服极限以前，可作为近似的完全弹性体。

这个假定，使得物体在任意瞬时的应变将完全取决于该瞬时物体所受到的外力或温度变化等因素，而与加载的历史和加载顺序无关。

2. 假设物体是连续性的

假设整个物体的体积都被该物体介质完全充满，不留下任何空隙。有了这一假定决定了应力、应变、位移是连续的，可用坐标的连续函数来表示他们的变化规律。

注：实际上，一切物体都是由微粒组成的，都不能符合该假定。但是由于物体粒子的尺寸以及相邻粒子间的距离，

都比物体自己本身的尺寸小得很多，因此连续性假设不会引起显着的误差。

3. 假设物体是均匀性、各向同性的

整个物体是由同一材料组成的。这样整个物体的所有各部分才具有相同的弹性，因而物体的弹性常数不随坐标而变化，可以取出该物体的任意一小部分来加以分析，然后把分析所得结果应用于整个物体。

各向同性是指物体内一点的弹性在所的各个方向上都是相同的，故物体的弹性常数不随方向而变化。

对于非晶体材料，是完全符合这一假定。而由木材，竹材等做成的构件，就不能作为各向同性体来研究；钢材构件基本上是各向同性的。

弹性常数？

凡是符合以上三个假定的物体，就称为理想弹性体。

4. 假设物体的位移和应变是微小的

假定物体在载荷或温度变化等外界因素的作用下所产生的位移远小于物体原来的尺寸，应变分量和转角都远小于1。

因此

①在建立物体变形以后的平衡方程时，可用变形前的尺寸代替变形后的尺寸，而不至于引起显著的误差。

②在研究物体的应变和位移时，其二次幂或乘积，可略去不计。

按照以上四个基本假设研究物体中的应力、应变和位移问题的弹性力学，称为线性弹性力学。

第二节 外力、应力、应变和位移的符

号和记号

介绍弹性力学中常用的基本概念：外力、应力、应变和位移。

一、 外力

作用在物体上的外力，可分为两类：体积力和表面力。 1. 体积力（简称体力）

体积力分布在物体体积内部的力。 例如重力和惯性力。 注：

① 在物体内部各点的体积力是不相同的；

② 任一点P 处的单位体积内所作用的体积力，沿着直角 坐标轴x,y,z 三个方向的投影X,Y,Z ，称为该物体在P 点的体积力分量。

体积力只与质量成正比，为位置坐标的函数。一般表示为

T

v Q X Y Z ????=

规定：体积力分量X,Y,Z 以坐标轴的正方向为正。 量纲：[力]/[长度]3

2. 表面力（简称面力）

作用在物体表面上的外力。

例如：压力容器所受到的内压、水坝所受的静水压力、

物体与物体之间接触压力及摩擦力等等。 注：

① 物体在其表面各点的表面力是不相同的；

② 在物体表面上任一点P 处的单位表面上的表面力，沿 着直角坐标轴x,y,z 三个方向的投影X ,Y ,Z ，称为该物体在P 点的表面力分量。

通常情况下，表面力是位置坐标的函数。一般用下式来表示

T

s Q X Y

Z ???

?

=

规定：X ,Y ,Z 以坐标轴的正方向为正（弹性力学的规

定）。

量纲：[力]/[长度]2

二、应力(stress)

弹性体在外力作用下，其内部将要产生应力。 某一点P 处的应力状态：取PA=dx ，PB=dy ，PC=dz 的一个无穷小的正六面体，如图2-1所示。

将一个面上的应力分解为一个正应力和两个剪应力，分别与三个坐标轴平行。即每个面上的应力都可用三个应力分量来表示。

图2-1 直角坐标系下的应力分量

正应力(normal stress)：用σ表示。角标表示正应力的作用面和作用方向。例如σx是作用在垂直x轴的面上，同时沿x轴方向的正应力。

剪应力(shear stress)：用τ表示，加上两个角标。第一个角标表示作用面垂直哪一个坐标轴，第二个角标表示作用方向沿哪一个坐标轴。例如τxy是作用在垂直x轴的面上、而

沿y轴方向的剪应力。

应力分量的符号规定

（1）当某一截面的外法线与坐标轴正方向相同，称为正面 （如上面、右面和前面）。正面上的应力分量以沿坐标轴

正方向为正，沿坐标轴的负方向为负。

（2）当某一截面的外法线与坐标轴负方向相同，称为负面（如下面、左面和后面）。负面上的应力分量以沿坐标轴

的负方向为正，沿坐标轴的正方向为负。

注意：

（1）图中所示的应力分量全部为正（黑色为正面应力，红色为负面应力）；

（2）对于正应力，其符号规定与材料力学中的规定相同（拉应力为正，压应力为负）；

（3）对于剪应力，其符号规定与材料力学中的规定不完全相同；

（4）六个剪应力存在互等关系，即：

,,xy yx yz zy zx xz ττττττ===

（5）可以证明：如果x σ，y σ，z σ，xy τ，yz τ，zx τ这六个量在P 点是已知的，就可以求得经过该点的任何面上的正应力和剪应力，因此，这六个量可以完全确定该点的应力状态，它们就称为在该点的应力分量。

一般说来，弹性体内各点的应力状态都不相同，因此，描述弹性体内应力状态的上述六个应力分量并不是常量，而

是坐标x 、y 、z 的函数。

六个应力分量的总体，可以用一个列向量来表示：

{}x y T z x y z xy yz zx xy yz zx σσσσσσσττττττ????????????==??????????????

（6）应力分量的量纲：[力]/[长度]2

。 三、应变 (strain)

物体受外力作用之后，要发生形状的改变 长度的改变----正应变 角度的改变----剪应变 1. 正应变

线段的单位长度的伸缩，用ε来表示。 例如x ε---x 方向的线段PA 的正应变

规定：以伸长为正，缩短为负。 2. 剪应变

各线段之间的直角改变量，以弧度来表示。符号为γ。例 如yz γ---y 与z 两方向(即PB 与PC)的线段之间的直角改变。 规定：以直角变小为正，变大时为负。

注：

物体内任一点的应变有六个分量：

,,,,,x y z xy yz zx εεεγγγ

一般说来，弹性体内各点的应变都不相同，。因此，描述弹性体内应变的上述六个应变分量并不是常量，而是坐标x 、y 、z 的函数。

六个应变分量的总体，可以用一个列向量来表示：

{}x y T z x y z xy yz zx xy yz zx εεεεεεεγγγγγγ??

??????????==??????????????

是无量纲的物理量。

四、位移 (displacement)

---- 位置的移动。

物体内任意一点的位移用它在x,y,z 三个坐标轴上的投影u 、v 、w 表示---位移分量。

规定：以沿坐标轴正方向为正，沿坐标轴的负方向为负。

量纲： [长度]

第三节弹性力学中的两种平面问题任何一个弹性体都是空间物体，一般的外力都是空间力系。严格来说，任何一个实际的弹性力学都是三维空间问题。但是，如果所研究的弹性体具有某种特殊的几何形状，并且承受是某种特殊的外力，就可以把空间问题简化为近似的平面问题。这样的处理，分析和计算的工作量减少，而计算结果仍满足工程上对精度的要求。

一、平面应力问题（plane stress）

1. 特点

（1）几何形状上---等厚度的平面薄板（其厚度方向的尺寸远比其它两个方向的尺寸小得多，可视为一薄板）；

（2）受力状态上---只在板边上受有平行于板面、并且不沿厚度变化的表面力和体积力。

例：深梁（短而高）

2. 应力

设薄板的厚度为t 。以薄板的中面为xy 面，垂直于中面的任意直线为z 轴。

图 2.2

因为在Z=2

t

±处的两个外表面上不受任何载荷。所以，在

Z=2

t

±处有: 0z yz zx σττ===。

另外，由于z 方向的尺寸很小，外力又不沿厚度变化，则可以认为在整个薄版的所有各点都有

0z yz zx σττ===

又由剪应力互等关系，有

0zy xz ττ==

而其余的三个应力分量,,x y xy σστ---平行于xy 面，都是x,y 的函数，与z 无关。

3．应变与位移

与三个应力分量,,x y xy σστ对应的独立应变分量

,,x y xy εεγ

独立的位移分量

u ，v

它们也都是x,y 的函数，与z 无关。

注：另外，薄板在z 方向可以任意变形，故沿z 方向的应变分量z ε和位移w 并不为零。即 0z σ= ，而 0z ε≠

二、平面应变问题（plane strain）

1. 特点

（1）几何形状上---是一个近似等截面的长柱体，其长度比横截面的尺寸大的很多；

（2）受力状态上---只受有平行于横截面、且沿纵向长度均匀分布的面力和体力。

例：重力水坝、隧道和挡土墙

2.变形情况

设长柱体的任一横截面为xy面，任意纵线（沿长度方向）为z轴。

图2.3

则所有一切应力分量、应变分量和位移分量都不沿z 方向变化，而只是x和y函数。此外，在这一情况下，由于任一横截面都可以作为是对称面，所有各点都只会有x和y 方向的移动，而不会有z方向的位移，即w=0，由此得

0z ε=

又因各薄板的两侧面仍为平面，故与z 方向有关的两个剪应变

0yz zx γγ== 由对称条件得 0y z z x

ττ

==

根据剪应力互等的关系，有 0zy xz ττ==

独立的应变分量 ,,x y xy εεγ----平行于xy 面， 独立的应力分量 ,,x y xy σστ， 独立的位移分量 u ，v 。 它们都是x,y 的函数，与z 无关。 注：

（1）长由于Z 方向上的变形被阻止了。所以，0z ε=，而0z σ≠。

（2）许多工程问题，例如隧道、挡土墙等，并不完全符合无限长柱形体的条件。但实践证明，对于离开两端较远之处，按平面问题进行分析，其结果可满足工程上的精度要求。

第四节平面问题的平衡方程

—应力与体积力之间的关系在弹性力学里进行分析问题，要从三个方面来考虑：静力学、几何学和物理学。首先考虑平面问题的静力学方面，根据平衡条件来确定平衡微分方程。

一、平衡方程 --- 应力与体积力之间的平衡关系

从薄板（或长柱体）取出一个微小的单元体，它在x和y方向的的尺寸分别为

dx 和dy

在Z方向上的尺寸为t（厚度）。

图 2.4

应力分量是位置坐标x,y 的函数，故作用在左右、上下两对面上的应力不同。 左面 ： ,

x

xy στ

右面 ：,xy x

x xy dx

dx x

x τσστ??++??

下面 ： ,y yx στ 上面 ：,

y yx y yx dy dy y

y

στστ??+

+

??

因为六面体是微小的，所以各面上的所受的应力可以认为是均与分布的，作用在各对应面的中心。

单元体所受的体积力，也是均与分布的，作用在它的体积中心。

列方程：

以x 坐标轴为投影轴，列出投影的平衡方程∑F x =0，得

yx x x x yx yx dx tdy tdy dy tdx x y tdx Xtdxdy τσσσττ?????

?+-++ ? ???????-+=

化简以后，两边除以tdxdy ，得

0yx

x X x y

τσ??++=?? 同理，由∑F y =0，得

()0

y xy y y xy xy dy tdx tdx dx tdy y x tdy Ytdxdy στσσττ???

?+-++ ?????

-+= 整理得：

0xy y Y x

y

τσ??+

+=??

即平面问题的平衡微分方程为：

00yx

x xy y

X x y

Y x y

τστσ??++=????++=??

上式表示应力分量与体力之间的关系，称为平面问题的平衡微分方程。上式中，未知量,,x y xy yx σσττ= ，是超静定的问题，还必须考虑几何条件和物理条件。 注:

（1）由∑Mo=0，得

()22

()0

22

xy

xy xy yx yx yx dx dx

dx dy t dy t x dy dy

dy dx t dx t y ττττττ?+??+???

??-+??-???=?

整理得：

1122xy yx

xy yx dx dy x y

ττττ??+=+??

略去无穷小量，得

xy yx ττ=

即为剪应力互等关系。

（2）对于平面应变问题，在图示的单元上，还有作用于前后两个面的正应力z σ，但由于它们自成平衡，完全不影响上面平衡方程的建立，所以上面的平衡方程对于两种平面问题都适用。

（3）对于三维问题，其平衡方程为

000yx x zx

xy y zy

yz xz z

X x y z Y x y z Z x y z

τσττστττσ???+++=??????+++=??????+++=???

第五节 平面问题的几何方程

—应变与位移之间的关系

现在从平面问题的几何学方面，导出应变分量与位移之间的关系，即平面问题的几何方程。 一、 位移

经过弹性体内任意一点P ，沿x 和y 轴的方向取两个微小长度的线段：PA=dx ，PB=dy 。

v dx x

?+?v u u dy

y

?+?

图 2.5