第一章彈性力學(xué)簡明教程.ppt

教學(xué)參考資料 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 第一節(jié)彈性力學(xué)的內(nèi)容 第一章緒論 1 1彈性力學(xué)的內(nèi)容 彈性力學(xué) 研究彈性體由于受外力 邊界約束或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力 形變和位移 第一章緒論 定義 研究彈性體的力學(xué) 有材料力學(xué) 結(jié)構(gòu)力學(xué) 彈性力學(xué) 它們的研究對象分別如下 材料力學(xué) 研究桿件 如梁 柱和軸 的拉壓 彎曲 剪切 扭轉(zhuǎn)和組合變形等問題 彈性力學(xué) 研究各種形狀的彈性體 如桿件 平面體 空間體 板殼 薄壁結(jié)構(gòu)等問題 第一節(jié)彈性力學(xué)的內(nèi)容 結(jié)構(gòu)力學(xué) 在材料力學(xué)基礎(chǔ)上研究桿系結(jié)構(gòu) 如桁架 剛架等 研究對象 在研究方法上 彈力和材力也有區(qū)別 彈力研究方法 在區(qū)域V內(nèi)嚴(yán)格考慮靜力學(xué) 幾何學(xué)和物理學(xué)三方面條件 建立三套方程 在邊界s上考慮受力或約束條件 并在邊界條件下求解上述方程 得出較精確的解答 第一節(jié)彈性力學(xué)的內(nèi)容 研究方法 材力也考慮這幾方面的條件 但不是十分嚴(yán)格的 常常引用近似的計算假設(shè) 如平面截面假設(shè) 來簡化問題 并在許多方面進行了近似的處理 第一節(jié)彈性力學(xué)的內(nèi)容 研究方法 因此材力建立的是近似理論 得出的是近似的解答 從其精度來看 材力解法只能適用于桿件形狀的結(jié)構(gòu) 彈性力學(xué)是其他固體力學(xué)分支學(xué)科的基礎(chǔ) 彈性力學(xué)是工程結(jié)構(gòu)分析的重要手段 尤其對于安全性和經(jīng)濟性要求很高的近代大型工程結(jié)構(gòu) 須用彈力方法進行分析 第一節(jié)彈性力學(xué)的內(nèi)容 彈性力學(xué)在力學(xué)學(xué)科和工程學(xué)科中 具有重要的地位 地位 第一節(jié)彈性力學(xué)的內(nèi)容 工科學(xué)生學(xué)習(xí)彈力的目的 學(xué)習(xí)目的 4 為進一步學(xué)習(xí)其他固體力學(xué)分支學(xué)科打下基礎(chǔ) 3 能用彈力近似解法 變分法 差分法和有限單元法 解決工程實際問題 2 能閱讀和應(yīng)用彈力文獻 1 理解和掌握彈力的基本理論 思考題 彈性力學(xué)和材料力學(xué)相比 其研究對象有什么區(qū)別 2 彈性力學(xué)和材料力學(xué)相比 其研究方法有什么區(qū)別 3 試考慮在土木 水利工程中有哪些非桿件和桿系的結(jié)構(gòu) 外力 其他物體對研究對象 彈性體 的作用力 第一章緒論 1 2彈性力學(xué)中的幾個基本概念 外力 體力 定義 作用于物體體積內(nèi)的力 表示 以單位體積內(nèi)所受的力來量度 量綱 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 符號 坐標(biāo)正向為正 表示 以單位面積所受的力來量度 面力 定義 作用于物體表面上的力 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 符號 坐標(biāo)正向為正 量綱 例 表示出下圖中正的體力和面力 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 內(nèi)力 假想切開物體 截面兩邊互相作用的力 合力和合力矩 稱為內(nèi)力 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 應(yīng)力 應(yīng)力 截面上某一點處 單位截面面積上的內(nèi)力值 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 量綱 表示 面上沿向正應(yīng)力 面上沿向切應(yīng)力 符號 應(yīng)力成對出現(xiàn) 坐標(biāo)面上的應(yīng)力以正面正向 負面負向為正 例 正的應(yīng)力 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 應(yīng)力與面力 在正面上 兩者正方向一致 在負面上 兩者正方向相反 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 彈力與材力相比 正應(yīng)力符號 相同切應(yīng)力符號 不同 材力 以拉為正 材力 順時針向為正 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 由微分體的平衡條件得 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 在彈力中 與不僅數(shù)值相同 符號也相同 在材力中 與數(shù)值相同 符號相反 因此 彈力與材力中的符號規(guī)定不完全相同 切應(yīng)力互等定理 正應(yīng)變 以伸長為正 形變 形狀的改變 以通過一點的沿坐標(biāo)正向微分線段的正應(yīng)變和切應(yīng)變來表示 切應(yīng)變 以直角減小為正 用弧度表示 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 形變 正的正應(yīng)力對應(yīng)于正的線應(yīng)變 正的切應(yīng)力對應(yīng)于正的切應(yīng)變 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 位移 一點位置的移動 用 表示 量綱為L 以坐標(biāo)正向為正 變形前變形后 第二節(jié)彈性力學(xué)中的幾個基本概念 位移 思考題 試畫出正負y面上正的應(yīng)力和正的面力的方向 在的六面體上 試問x面和y面上切應(yīng)力的合力是否相等 由微分體的平衡條件 建立平衡微分方程 由應(yīng)力與形變之間的物理關(guān)系 建立物理方程 彈力的研究方法 在體積V內(nèi) 由微分線段上形變與位移的幾何關(guān)系 建立幾何方程 第一章緒論研究方法 1 3彈性力學(xué)中基本假定 在給定約束的邊界上 建立位移邊界條件 在給定面力的邊界上 建立應(yīng)力邊界條件 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定研究方法 在邊界S面上 然后在邊界條件下求解上述方程 得出應(yīng)力 形變和位移 任何學(xué)科的研究 都要略去影響很小的次要因素 抓住主要因素建立計算模型歸納為學(xué)科的基本假定 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定基本假定 為什么要提出基本假定 1 連續(xù)性 假定物體是連續(xù)的 各物理量可用連續(xù)函數(shù)表示 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定材料性質(zhì)假定 彈性力學(xué)中的五個基本假定 關(guān)于材料性質(zhì)的假定及其在建立彈力理論中的作用 2 完全彈性 假定物體是 即應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可用胡克定律表示 物理線性 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定材料性質(zhì)假定 a 完全彈性 外力取消 變形恢復(fù) 無殘余變形 b 線性彈性 應(yīng)力與應(yīng)變成正比 3 均勻性 假定物體由同種材料組成 E 等與位置無關(guān) 4 各向同性 假定物體各向同性 E 等與方向無關(guān) 符合 1 4 假定的稱為理想彈性體 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定材料性質(zhì)假定 3 4 E 等為常數(shù) 5 小變形假定 假定位移和形變?yōu)楹苄?第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定變形狀態(tài)假定 變形狀態(tài)假定 例 梁的 10 3 1 1弧度 57 3 a 位移 物體尺寸 例 梁的撓度v 梁高h a 簡化平衡條件 考慮微分體的平衡條件時 可以用變形前的尺寸代替變形后的尺寸 b 簡化幾何方程 在幾何方程中 由于可略去等項 使幾何方程成為線性方程 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定變形狀態(tài)假定 作用 彈力基本假定 確定了彈力的研究范圍 第三節(jié)彈性力學(xué)中的基本假定變形狀態(tài)假定 理想彈性體的小變形問題 第一章教學(xué)參考資料 第一章緒論 一 本章的學(xué)習(xí)要求及重點1 彈性力學(xué)的研究內(nèi)容 及其研究對象和研究方法 認清他們與材料力學(xué)的區(qū)別 2 彈性力學(xué)的幾個主要物理量的定義 量綱 正負方向及符號規(guī)定等 及其與材料力學(xué)相比的不同之處 3 彈性力學(xué)的幾個基本假定 及其在建立彈性力學(xué)基本方程時的應(yīng)用 二 本章內(nèi)容提要1 彈性力學(xué)的內(nèi)容 彈性力學(xué)研究彈性體由于受外力作用 邊界約束或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力 形變和位移 2 彈性力學(xué)中的幾個基本物理量 體力 分布在物體體積內(nèi)的力 記號為 量綱為L 2MT 2 以坐標(biāo)正向為正 第一章教學(xué)參考資料 面力 分布在物體表面上的力 記號為 量綱為L 1MT 2 以坐標(biāo)正向為正 應(yīng)力 單位截面面積上的內(nèi)力 記號 量綱為L 1MT 2 以正面正向為正 負面負向為正 反之為負 第一章教學(xué)參考資料 形變 用線應(yīng)變和切應(yīng)變表示 量綱為1 線應(yīng)變以伸長為正 切應(yīng)變以直角減小為正 第一章教學(xué)參考資料 位移 一點位置的移動 記號為 量綱為L 以坐標(biāo)正向為正 第一章教學(xué)參考資料 3 彈性力學(xué)中的基本假定理想彈性體假定 連續(xù)性 完全彈性 均勻性 各向同性 小變形假定 4 彈性力學(xué)問題的研究方法已知 物體的邊界形狀 材料性質(zhì) 體力 邊界上的面力或約束 求解 應(yīng)力 形變和位移 第一章教學(xué)參考資料 解法 在彈性體區(qū)域V內(nèi) 根據(jù)微分體上力的平衡條件 建立平衡微分方程 根據(jù)微分線段上應(yīng)變和位移的幾何條件 建立幾何方程 根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變之間的物理條件 建立物理方程 在彈性體邊界s上 根據(jù)面力條件 建立應(yīng)力邊界條件 根據(jù)約束條件 建立位移邊界條件 然后在邊界條件下 求解區(qū)域內(nèi)的微分方程 得出應(yīng)力 形變和位移 第一章教學(xué)參考資料 三 彈力的發(fā)展簡史與其他任何學(xué)科一樣 從這門力學(xué)的發(fā)展史中 我們可以看出人們認識自然的不斷深化的過程 從簡單到復(fù)雜 從粗糙到精確 從錯誤到正確的演變歷史 許多數(shù)學(xué)家 力學(xué)家和實驗工作者做了幸勤的探索和研究工作 使彈性力學(xué)理論得以建立 并且不斷地深化和發(fā)展 第一章教學(xué)參考資料 1 發(fā)展初期 約于1660 1820 這段時期主要是通過實驗探索了物體的受力與變形之間的關(guān)系 1678年 胡克通過實驗 發(fā)現(xiàn)了彈性體的變形與受力之間成比例的規(guī)律 1807年 楊做了大量的實驗 提出和測定了材料的彈性模量 伯努利 1705 和庫侖 1776 研究了梁的彎曲理論 一些力學(xué)家開始了對桿件等的研究分析 第一章教學(xué)參考資料 2 理論基礎(chǔ)的建立 約于1821 1855 這段時間建立了線性彈性力學(xué)的基本理論 并對材料性質(zhì)進行了深入的研究 納維 1820 從分子結(jié)構(gòu)理論出發(fā) 建立了各向同性彈性體的方程 但其中只含一個彈性常數(shù) 柯西 1820 1822 從連續(xù)統(tǒng)模型出發(fā) 建立了彈性力學(xué)的平衡 運動 微分方程 幾何方程和各向同性的廣義胡克定律 第一章教學(xué)參考資料 格林 1838 應(yīng)用能量守衡定律 指出各向異性體只有21個獨立的彈性常數(shù) 此后 湯姆遜由熱力學(xué)定理證明了上述結(jié)果 同時拉梅等再次肯定了各向同性體只有兩個獨立的彈性常數(shù) 至此 彈性力學(xué)建立了完整的線性理論 彈性力學(xué)問題已經(jīng)化為在給定邊界條件下求解微分方程的數(shù)學(xué)問題 3 線性理論的發(fā)展時期 約于1854 1907 在這段時期 數(shù)學(xué)家和力學(xué)家應(yīng)用已建立的線性彈性理論 去解決大量的工程實際問題 并由此推動了數(shù)學(xué)分析工作的進展 第一章教學(xué)參考資料 第一章教學(xué)參考資料 圣維南 1854 1856 發(fā)表了關(guān)于柱體扭轉(zhuǎn)和彎曲的論文 并提出了圣維南原理 艾里 1862 提出了應(yīng)力函數(shù) 以求解平面問題 赫茲 1882 求解了接觸問題 克?；舴?1850及以后 解決了平板的平衡和震動問題 還有 愛隆對薄殼作了一系列工作等等 彈性力學(xué)在這段時期得到了飛躍的發(fā)展 第一章教學(xué)參考資料 4 彈性力學(xué)更深入的發(fā)展時期 1907 至今 1907年以后 非線性彈性力學(xué)迅速地發(fā)展起來 卡門 1907 提出了薄板的大撓度問題 卡門和錢學(xué)森提出了薄殼的非線性穩(wěn)定問題 力學(xué)工作者還提出了大應(yīng)變問題 非線性材料問題 如塑性力學(xué)等 等等 同時 線性彈性力學(xué)也得到進一步的發(fā)展 出現(xiàn)了許多分支學(xué)科 如薄壁構(gòu)件力學(xué) 薄殼力學(xué) 熱彈性力學(xué) 粘彈性力學(xué) 各向異性彈性力學(xué)等 第一章教學(xué)參考資料 彈性力學(xué)的解法也在不斷地發(fā)展 首先是變分法 能量法 及其應(yīng)用的迅速發(fā)展 貝蒂 1872 建立了功的互等定理 卡斯蒂利亞諾 1873 1879 建立了最小余能原理 以后為了求解變分問題出現(xiàn)了瑞利 里茨 1877 1908 法 伽遼金法 1915 此外 赫林格和瑞斯納 1914 1950 提出了兩類變量的廣義變分原理 胡海昌和鷲津 1954 1955 提出了三類變量的廣義變分原理 第一章教學(xué)參考資料 其次 數(shù)值解法也廣泛地應(yīng)用于彈性力學(xué)問題 邁可斯 1932 提出了微分方程的差分解法 并得到廣泛應(yīng)用 在20世紀(jì)30年代及以后 出現(xiàn)了用復(fù)變函數(shù)的實部和虛部分別表示彈性力學(xué)的物理量 并用復(fù)變函數(shù)理論求解彈性力學(xué)問題的方法 薩文和穆斯赫利什維利作了大量的研究工作 解決了許多孔口應(yīng)力集中等問題 第一章教學(xué)參考資料 1946年之后 又出現(xiàn)了有限單元法 并且得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用 成為現(xiàn)在解決工程結(jié)構(gòu)分析的強有力的工具 彈性力學(xué)及有關(guān)力學(xué)分支的發(fā)展 為解決現(xiàn)代復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的分析創(chuàng)造了條件 并促進了技術(shù)的進步和發(fā)展 四 彈力的主要解法1 解析法 根據(jù)彈性體的靜力學(xué) 幾何學(xué) 物理學(xué)等條件 建立區(qū)域內(nèi)的微分方程組和邊界條件 并應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法求解這類微分方程的邊值問題 得出的解答是精確的函數(shù)解 第一章教學(xué)參考資料 第一章教學(xué)參考資料 2 變分法 能量法 根據(jù)變形體的能量極值原理 導(dǎo)出彈性力學(xué)的變分方程 并進行求解 這也是一種獨立的彈性力學(xué)問題的解法 由于得