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三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 基本未知量: 基本方程: 1、平衡方程 分量形式为: 2、几何关系(小变形) 分量形式为: 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: 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。 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。 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 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 §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: 设仅有 ,即有 而 在x3变向时要变号,为保证W相同, 则有 同理: 独立常数减少为13个,即 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) 取 为三个正交弹性主轴,如图所示: 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: (即 )变号,可得: 即: 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: 1轴沿纤维方向,并有 ,而是 即 没有对称性。 可展开为: 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: (或 ), (或 ) 由工程应变形式的展开式为: 即: 五、各向同性(2个弹性常数) 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。 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: *

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