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《弹性力学》 课件 第7章 空间问题.pptx

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1第7章空间问题§7.1简单空间问题§7.2空间轴对称问题的基本方程§7.3空间轴对称问题的基本解法§7.4无限大弹性体作用集中力问题的应力函数法

2(一)问题的提出设有面积无限大的等厚度弹性层,其密度为ρ,其下面受完全约束,上面受均布压力q。求弹性层内位移场。以上面为xy面,z轴铅直向下,体力分量为由于对称,则:,,§7.1简单空间问题

3因此,代入位移法控制方程:前两式满足。第三式化为:积分后得:根据边界条件:§7.1简单空间问题

4还需一个方程求解两个未知参数。另外,根据本构方程其他应力分量为零。根据上边界条件:得:代入上一个边界条件:§7.1简单空间问题

5由此:最大位移发生在上边界或写作:此外,水平应力与竖直应力之比为:土力学中,此比例系数为土的侧压力系数。§7.1简单空间问题

xyzM(1)扭转过程中,截面绕杆中心轴线发生相对转动,即刚性如图7.1-2所示为一截面面积为a的圆形截面直杆,上下面受一对扭矩M作用,假设:转动;(2)截面轴向位移为零,即无翘曲。位移边界条件:应力边界条件:,,(1)位移场设扭矩M指向截面外法线方向时为正。在截面刚性转动和无翘曲假设条件下,直杆内任一点位移分量可表示为:其中,a为单位杆长两截面处的相对转角,称为扭角。6§7.1简单空间问题

(2)应变场将位移代入空间问题几何方程,得(3)应力场将应变代入本构方程,得(4)平衡方程将应力代入平衡方程,验证得满足平衡方程。7§7.1简单空间问题

由应力边界条件得:令为横截面对圆心的极惯性矩。由此,至此获得圆形截面直杆中应力场为其他应力分量为零,而位移场为(5)确定常数8§7.1简单空间问题

平面问题是工程实际中最常遇到的问题。但是,也有许多工程实际问题不能简化为平面问题,这时只能按空间问题来求解。从原则上说,弹性力学空间问题可按位移法和应力法求解。但是,对于不同的空间问题,根据不同的具体条件,找出其特有的关系建立方程式,以便于求解,这是非常重要的。这里要讨论的空间轴对称问题就是弹性力学空间问题的一种重要的特殊情况。在弹性力学空间问题中,如果物体的几何形状、约束情况和所受的载荷,都对称于某一轴(例如z轴),也就是说,通过这一轴的任意平面都是对称面,则所有的应力分量、应变分量和位移分量也就对称于这一轴。这种空间问题称为空间轴对称问题。9§7.2空间轴对称问题的基本方程

本节将给出空间轴对称问题的基本方程和基本解法,重要的是还将对岩土工程中有普遍意义的几个问题给出解答。(一)空间轴对称问题的基本方程空间轴对称问题是一种特殊的空间弹性力学问题。从弹性体的形状上看,可以把空间轴对称问题的弹性体看成是平面图形绕某一轴(取为z轴)旋转而成的回转体。因而,在描述空间轴对称问题的物理量时,用(圆柱)柱坐标()比用直角坐标()方便得多,这是因为,如果选择弹性体的对称轴为轴,如下页图所示,则所有的应力分量、应变分量和位移分量将只是和的函数,与无关。这种特殊形状的弹性体——回转体,再受到都对称于轴的特殊约束和外荷载时,就使得空间轴对称问题有一个根本的特点:过轴任意平面上的应力和变形都相同。若用10§7.2空间轴对称问题的基本方程

若用分别表示弹性体内任意点沿r(径向)、(环向)、(轴向)三个方向的位移分量,可以想象,为了保证空间轴对称问题的这一根本特点,必有。若用表示柱坐标中的应力分量,其中为径向(方向)正应力,为环向(方向)正应力,为轴向(方向)正应力,为作用在垂直于轴面上而沿方向的剪应力,为作用于圆柱面而沿方向的剪应力,为作用于径向面而沿轴方向的剪应力,由对称条件及剪应力互等定理可知,,,。旋转体和圆柱坐标11§7.2空间轴对称问题的基本方程

至此,空间轴对称问题总共只有四个应力分量需要考虑。相应于上述四个应力分量,空间轴对称问题的应变分量也有四个,它们是。其中为径向(方向)正应变,为环向(方向)正应变,为轴向(

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