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第二章 应力分析
研究弹性力学问题要从三方面规律(条件):平衡、几何、物理来建立,本章就是研究第一个规律:平衡规律。
第1节 内力和外力
外力:
物体承受外因而导致变形,外因可以是热力作用、化学力作用、电磁力作用和机械力作用;另一方面从量纲分类,外力主要为体积力和表面积力。我们讨论的外力是属于机械力中的体力和面力的范围。
外部体力:作用在物体单位体积(质量)上的力如重力(惯性力)。
量纲:力/(长度)3。
求V中任意点P上承受体力采用极限方法:
其中 为沿三个坐标轴分量。
2. 外部面力:作用在物体外部表面力,如静水压力、土压力等。量纲:力/(长度)2。
求物体表面上任意一点P上受面力仍采用极限方法:
内力:
物体内部抵抗外力而产生相互作用的力。在材力和结力中以N、M、Q形式出现,但在弹力中以应力来描述。
第2节 应力和应力张量
2.1 应力
当变形体受外力作用时,要发生变形,同时引起物体内部各点之间相互作用力(抵抗力)——内力,为了描述物体内任意点P的内力可采取如下方法:
过P点设一个截面S将V分为两部分:(作用力与反作用力)
一部分:、、外法线 、合力 ;
另一部分:、、外法线 、合力 ;
截面上的合力: 或
截面上P点上的内力情况,在V+上S面围绕P点取 (S,(S上合力为。
应力矢量(作用在V+):
应力矢量与P点位置有关,与截面方向( 方向)有关。(应力矢量具有一个方向性)。量纲为力/(长度)2。
取V- :,作用在V-上。
当P点的截面与坐标面平行时, ,。
定理2.1:过P点以为单位外法线截面上的应力矢量,是作用在通过P点坐标平面的应力矢量、、的线性函数、其系数是的方向余弦,、、。即
而 代入上式,并忽略高阶微量
或
展开为
或
2.1 应力张量
每个坐标面上的应力矢量又可以沿三个坐标面分解三个分量,比如坐标面法线为x1
同理,得
沿三个坐标面的应力矢量由九个元素(分量)表示,这九个分量组成一个二阶张量:
(1)
这九个分量的两个下标:第一个表示应力矢量作用面的法线方向,第二个下标表示应力矢量的分量的方向。
应力分量的正负:在正面上应力分量指向坐标正向为正,反之为负;在负面上的应力分量指向坐标负向为正,反之为负。
矩阵中,对角线元素代表以i轴为法线的平面上的正应力。非对角线元素代表以i轴为法线的平面上沿j轴方向的剪应力。
矩阵(1)中,由于,,;即,,所以矩阵中9个应力分量中独立的分量只有6个.
3.2.主平面、主轴、主应力
3.2.1、一点的应力状态
由于 , 即,
由
由 (3.1)
由
由上式可看出:当一点处的应力张量已知时,可确定出过该点任意平面上的应力沿三个坐标州的分量,由此可进一步求出该平面上的正应力和剪应力。
其中,正应力为矢量t在法线n上的投影,即二者的点积。
3.2.2、坐标变换
当物体受外力作用下,其内力和变形也是一定的,但这些物理量随着选取的直角坐标系不同他们的分量是不一样的,但不同坐标下它们(分量)之间转换应遵循一定的规律。
例:当坐标系Oxyz转换为另一坐标系O‘x‘y‘z,新旧坐标系之间的变换关系如表3.1
所示,其中,为轴在旧坐标系中轴方向的投影,即
=cos(,)——,
为轴与轴之间的夹角。
求:新旧坐标系下应力分量和之
间的关系
解:
令轴为法线的坐标平面上的应力分别为、、,
如表所示,轴在旧坐标系中的方向余弦为。
根据公式(3.1)知,此坐标平面上的总应力在三个旧坐标轴上的分量应为,
将与轴作内积得到这个坐标平面上的正应力
=
=
如表所示,轴在旧坐标系中的方向余弦为。
将与轴作内积得到这个坐标平面上的剪应力
===
如表所示,轴在旧坐
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