第2章 弹性力学基础

1第2章弹性力学基础内容提要：本章主要介绍弹性力学的基本概念，主要包括应力、应变的定义和性质，应力平衡方程、几何方程和物理方程，并对弹性力学问题的基本求解方法进行简介。为了便于对机械结构有限元计算结果能够很好地分析评价，本章还介绍了结构强度与失效的基本理论。有关能量法的简单知识是后续有限元法的重要理论基础。教学要求：学习掌握应力、应变基本概念和主要性质，掌握弹性力学基本方程、应力边界条件、协调方程等，了解弹性力学平面问题的应力函数法，掌握结构强度失效准则中的等效应力理论等内容，了解能量法的基本思想。2.1引言弹性力学（ElasticTheory）作为一门基础技术学科，是近代工程技术的必要基础之一。在现代工程结构分析，特别是航空、航天、机械、土建和水利工程等大型结构的设计中，广泛应用着弹性力学的基本公式和结论。弹性力学与材料力学(FoundamentalStrengthsofMaterials)在研究内容和基本任务方面，是基本相同的，研究对象也是近似的，但是二者的研究方法却有较大的差别。弹性力学和材料力学研究问题的方法都是从静力学、几何学、物理学三方面入手的。但是材料力学的研究对象是杆状构件，即长度远大于宽度和厚度的构件，分析这类构件在拉压、剪切、弯曲、扭转等几类典型外载荷作用下的应力和位移。在材料力学中，除了从静力学、几何学、物理学三方面进行分析外，为了简化推导，还引用了一些关于构件的形变状态或应力分布的假定（如平面截面的假定、拉应力在截面上均匀分布的假定等等）。杆件横截面的变形可以根据平面假设确定，因此综合分析的结果，即问题求解的基本方程，是常微分方程。对于常微分方程，数学求解是没有困难的。而在弹性力学里研究杆状构件一般都不必引用那些假定，所以其解答要比材料力学里得出的解答精确得多。当然，弹性力学在研究板壳等一些复杂问题时，也引用了一些有关形变状态或应力分布的假定来简化其数学推导。但是由于弹性力学除研究杆状构件之外，还研究板、壳、块，甚至是三维物体等，因此问题分析只能从微分单元体入手，以分析单元体的平衡、变形和应力应变关系，因此问题综合分析的结果是满足一定边界条件的偏微分方程。也就是说，问题的基本方程是偏微分方程的边值问题。从理论上讲，弹性力学能解决一切弹性体的应力和应变问题。但在工程实际中，一般构件的形状、受力状态、边界条件都比较复杂，所以除少数的典型问题外，对大多数工程实际问题，往往都无法用弹性力学的基本方程直接进行解析求解，有些只能通过数值计算方法来求得其近似解。弹性力学的研究方法决定了它是一门基础理论课程，把弹性力学的理论直接用于分析工程问题具有很大的困难。原因主要在于它的基本方程——偏微分方程边值问题求解的困难。由于经典的解析方法很难用于工程构件分析，因此探讨近似解法是弹性力学发展中的特色。近似求解方法，如差分法和变分法等，特别是随着计算机的广泛应用而发展的有限单元法，为弹性力学的发展和解决工程实际问题开辟了广阔的前景。本章主要介绍弹性力学基本概念、用解析法求解简单弹性力学问题的基础知识，主要包括弹性2力学基本方程、边界条件表达式等。掌握这些弹性力学的基础知识对后续有限单元法的学习非常重要。此外，为了更好地理解机械结构有限元分析的基本原理以及将来对分析结果更好地评价和理解，还介绍了机械结构强度失效准则、结构分析中的能量法等方面的基本内容。作为固体力学(SolidMechanics)学科的一个分支，弹性力学的基本任务是针对各种具体情况，确定弹性体内应力与应变的分布规律。也就是说，当已知弹性体的形状、物理性质、受力情况和边界条件时，确定其任一点的应力、应变状态和位移。弹性力学的研究对象是理想弹性体，其应力与应变之间的关系为线性关系，即符合虎克定律。所谓理想弹性体，是指符合下述假设的物体。⑴连续性假定。也就是假定整个物体的体积都被组成该物体的介质所填满，不存在任何空隙。尽管一切物体都是由微小粒子组成的，并不能符合这一假定，但是只要粒子的尺寸以及相邻粒子之间的距离都比物体的尺寸小得很多，则对于物体的连续性假定，就不会引起显著的误差。有了这一假定，物体内的一些物理量（如应力、应变、位移等等）才可能是连续的，因而才可能用坐标的连续函数来表示它们的变化规律。⑵完全弹性假定。这是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，就是所谓的弹性常数。弹性常数不随应力或应变的大小和符号而变。由材料力学已知：脆性材料的物体，在应力未超过比例极限前，可以认为是近似的完全弹性体；而韧性材料的物体，在应力未达到屈服极限前，也可以认为是近似的完全弹性体。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。⑶均匀性假定。也就是假定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才不会随位置坐标而变，可以取出该物体的任意一小部分来加以分析，然后把分析所得的结果应用于整个物体。如果物体是由多种材料组成的，但是只要每一种材料的颗粒远远小于物体而且在物体内是均匀分布的，那么整个物体也就可以假定为均匀的。⑷各向同性假定。这是假定物体的弹性在所有各方向上都是相同的。也就是说，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的。而由木材、竹材等作成的构件，就不能当作各向同性体来研究。至于钢材构件，虽然其内部含有各向异性的晶体，但由于晶体非常微小，并且是随机排列的，所以从统计平均意义上讲，钢材构件的弹性基本上是各向同性的。（5）小位移和小变形的假定。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。为了保证研究的问题限定在线性范围，还需要作出小位移和小变形的假定。这就是说，要假定物体受力以后，物体所有各点的位移都远远小于物体原来的尺寸，并且其应变和转角都小于1。所以，在建立变形体的平衡方程时，可以用物体变形前的尺寸来代替变形后的尺寸，而不致引起显著的误差，并且，在考察物体的变形及位移时，对于转角和应变的二次幂或其乘积都可以略去不计。对于工程实际中的问题，如果不能满足这一假定的要求，一般需要采用其他理论来进行分析求解（如大变形理论等）。上述假定都是为了研究问题的方便，根据研究对象的性质、结合求解问题的范围而作出的。这样可以略去一些暂不考虑的因素，使得问题的求解成为可能。弹性力学问题的求解方法按求解方式上可以分为两类：解析方法和数值算法。解析方法是通过弹性力学的基本方程和边界条件、用纯数学的方法进行求解。但是，在实际问题中能够用解析方法进行精确求解的弹性力学问题只是很少一部分。现在工程实际中广泛采用的是数值的方法，如有限单元法。2.2弹性力学的几个基本概念2.2.1外力与内力31外力(Load)作用于物体的外力通常可分为两类，即面力(SurfaceForce)和体力(BodyForce)。面力是指分布在物体表面上的外力，包括分布力(DistributedForce)和集中力(ConcentratedForce)，如压力容器所受到的内压、水坝所受的静水压力、物体和物体之间的接触压力等等。通常情况下，面力是物体表面各点的位置坐标的函数。在物体表面P点处取一微小面积S，假设其上作用有表面力F，则P点所受的表面力定义为SSSFQ0lim(2.1)体力(BodyForce)一般是指分布在物体体积内的外力，作用于弹性体内每一个体积单元。通常与物体的质量成正比、且是各质点位置的函数，如重力、惯性力、磁场力等。作用在物体内P点上的体力，可按面力定义方式进行定义，即在P点处取一微小体积V，假定其上作用有体力R，则P点所受的体力可定义为VRQ0VVlim(2.2)2内力(Internalforce)物体在外力作用下，其内部将产生抵抗变形的“附加内力”，简称内力。若假想用一经过物体内P点的截面mn将物体分为两部分A和B，并移去其中的一部分B。我们知道，当一个物体在外力作用下处于平衡状态时，物体各部分都应保持平衡。显然，在截面mn上必定有某种力存在，这种力就称为内力，实际上也就是物体内部的相互作用力。如图2-1所示，在截面mn上应该有移去的虚线部分B对A部分作用的内力。2.2.2应力的概念所谓一点处某个截面上的应力(Stress)就是指该截面上的“附加内力”，即内力在该点处的集度。如图2.1所示，一点P处在截面mn上，在该点处取一微小面积A，假设作用于A上的内力为G，则AGT0Alim(2.3)T就是P点处的应力。通常将应力沿截面A的法向和切向进行分解，相应的分量就是正应力n和剪应力n。它们满足222nnT（2.4）在物体内的同一点处，不同方向截面上的应力(正应力和剪应力)是不同的。只有同时给出过该点截面的外法向方向，才能确定物体内该点处此截面上应力的大小和方向。BmnPAGTyxzoA图2.1物体内任意点处的应力4oyzxyzyxzzxxzyyxyzzyzxxyxzyzxyyxxzPACB图2.2微小正方体元素的应力状态在弹性力学中，为了描述弹性体内任一点P的应力状态，可能从弹性体的连续性假定出发，整个弹性体可以看作是由无数个微小正方体元素组成的。在该点处切取一微小正方体，正方体的棱线与坐标轴平行，如图2.2所示。正方体各面上的应力可按坐标轴方向分解为一个正应力和两个剪应力，即每个面上的应力都用三个应力分量来表示。由于物体内各点的内力都是平衡的，作用在正方体相对两面上的应力分量大小相等、方向相反。这样，用9个应力分量写成矩阵的形式来表示正方体各面上的应力，即zzyzxyzyyxxzxyxijσ(2.5)其中，i正应力，下标表示作用面和作用方向；ij是剪应力，第一下标表示与截面外法线方向相一致的坐标轴，第二下标表示剪应力的方向。应力分量的符号规定：若应力作用面的外法线方向与坐标轴的正方向一致，则该面上的应力分量就以沿坐标轴的正方向为正，沿坐标轴的负方向为负。相反，如果应力作用面的外法线是指向坐标轴的负方向，那么该面上的应力分量就以沿坐标轴的负方向为正，沿坐标轴的正方向为负。根据材料力学的基本概念（下一节中也将进一步证明），从图2.2中微小正方体的平衡条件（力矩平衡方程）出发，作用在正方体各面上的剪应力存在着互等关系：作用在两个互相垂直的面上并且垂直于该两面交线的剪应力是互等的，不仅大小相等，而且正负号也相同，即xyxy，zxzx，zyyz(2.6)这就是所谓的剪应力互等定理。2.2.3应变的概念5物体在外力作用下，其形状要发生改变，变形指的就是这种物体形状的变化。这种形状的改变不管多么复杂，对于其中的某一个单元体来说，只包括棱边长度的改变和各棱边的夹角的改变两类。因此，为了考察物体内某一点处的应变(Strain)，同样可在该点处从物体内截取一单元体，研究其棱边长度和各棱边夹角之间的变化情况。对于微分单元体的变形，将分为两部分讨论：棱边长度的伸长（或缩短）量，即正应变(或线应变,LinearStrain)，以及两棱边间夹角的改变量（用弧度表示），即剪应变（或角应变,ShearStrain）。图2.3是对这两种应变的几何描述。在每个图例中单元体的初始位置和变形后的位置分别由实线和虚线表示。物体变形时，物体内一点处产生的应变，与该点的相对位移有关。图2.3表示在变形前后的单元体在xy面上的投影，图中表示了单元体的应变和刚体转动与位移导数的关系。在小应变情况下（位移导数远小于1的情况），位移分量与应变分量之间的关系（变形几何方程）。在图2.3(a)中，单元体在x方向上有一个xu的伸长量。微分单元体棱边的相对变化量就是正应变。假设x表示x轴方向的正应变，则xuxx(2.7)(a)(b)(c)图2.3单元体应变的几何描述(a)x方向的线应变,(b)y方向的线应变,(c)xy面内的剪应变相应地，如图2.3(b)所示为y轴方向的正应变为yuyy(2.8