第三章-各向异性弹性力学基础

第三章各向异性弹性力学基础§3-1各向异性弹性力学基本方程xyzxyzzyxxyzxyzzyxwvu,,,,,,,,,,,,应力分量：应变分量：位移分量：基本未知量：基本方程：1、平衡方程0,ijijf)3,2,1,(ji分量形式为：0Yzyxyzyyx0Xzyxxzxyx0Zzyxzzyzx)(21,,ijjiijuu2、几何关系（小变形）分量形式为：zvywyzxwzuzxzwzyuxvxyxuxyvyxzzxzxxz222220,,,,ljkikiljijklklij)3,2,1,,,(lkji变形协调方程：六个应变分量应该满足的一个关系，即6个独立等式：yxxyxyyx22222zyyzyzzy22222共有81个方程，但只有6个是不同的，其余的不是恒等式就是由于ij的对称性而都是重复的。xzyxzyyzxyzxy22)(zyxzyxxyzxyzx22)(yxzyxzzxyzxyz22)(前三个分别是xy，yz，zx平面内的3个应变量间的协调关系；而后三者则分别是正应变和3个切应变之间的协调关系。)(*STniiij在)(*uiiSuu在jijijijiSC及)6,,2,1,(jijiijCCjiijSS3、边界条件力边界条件：位移边界条件：4、各向异性本构方程（小变形）刚度矩阵柔度矩阵jiijjiijSCW2121各向异性体的弹性应变能为：拉-拉耦合（泊桑效应）剪-剪耦合拉剪耦合665544332211CCCCCC6165154143132121111SSSSSS§3-2各向异性弹性力学的本构方程一、完全各向异性（21个弹性常数）其中Sij为柔度系数，4、5和6即为剪应力23、31和12。可见各向异性体一般具有耦合现象：正应力引起剪应变，剪应力也可以引起正应变；反之亦然。二、有一弹性对称面（13个弹性常数）弹性对称面：沿这些平面的对称方向弹性性能是相同的。材料主轴（或弹性主轴）：垂直于弹性对称面的轴。利用两个方向下材料的应变能密度表达式应保持不变（即利用两个坐标系计算得到的单位体积应变能的结果是相同的）可以推得：24411421112SSW014S41,设仅有，即有41而在x3变向时要变号，为保证W相同，则有005635251546342414SSSSSSSS6655454436332623221613121100000000SSSSSSSSSSSSS称对同理：独立常数减少为13个，即336126333331532322343131;0;0;SSSS03如果，其余应力分量为零，则有：此公式说明：当沿弹性主轴拉伸时，除纵向伸长、横向收缩外，还会引起与主轴垂直的面内剪应变，且弹性主轴方向不变。三、正交各向异性（9个弹性常数）正交各向异性是指有三个互相正交的弹性主轴的情况。（有三个互相正交的弹性对称面）321,,xxx取为三个正交弹性主轴，如图所示：045362616SSSS由a）、b）两坐标系中计算的应变能应该相同，而在两坐标系下：12311231,,,6565,,,（即）变号，可得：即：665544332322131211000000000000SSSSSSSSS称对123123233112321,,,,,,,,GGGEEE由此可得：1）当采用材料主轴来描述正交异性体时，没有任何拉剪耦合现象；2）在非材料主轴系里，正交异性材料仍有耦合现象。纤维在横截面内按矩形排列的单向纤维复合材料，宏观而言则是一正交异性体。共有9个弹性常数：jiij1轴沿纤维方向，并有，而是ijijijEEij即没有对称性。ijS可展开为：)1(223223EG四、横观同性（5个弹性常数）纤维在横截面内随机排列的，宏观而言，其在横向的所有方向的弹性性能相同，则称为横向同性。由于横向同性，则在2-3平面内应为各向同性，则有故只有5个独立常数：2121,,EE122312,GG23（或），（或）666644222321232221121211000000000000000000000000SSSSSSSSSSSS由工程应变形式的展开式为：即：,E)(2000000)(2000000)(2000000000000121112111211111212121112121211SSSSSSSSSSSSSSS五、各向同性（2个弹性常数）)1(2EG1231231231232131323213212312123211)]([1,GEGGGEEEjiijSW210det,,0,02221121111ijSSSSSS六、弹性常数的取值范围判定依据是非零应力状态下，材料的弹性应变能位正值，应变能应是应变（或应力）的正定二次型。WiS为的正定二次型的充要条件是矩阵的所有主要主子式大于零，即：0E2112101、对于各向同性，可推得：实际上一般为：2、对于正交各向异性，有：0,,,,,123123321GGGEEE0E1EE122121对称，……等等作业：1.推导正交各向异性材料柔度矩阵为零的分量；2.推导正交各向异性材料中各个常数的取值范围。