弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 5.1 节基本方程 (1) 平衡方程 f f f () 几何方程 u v w u v v w w u (3) 应变协调方程 (4) 本构方程

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1 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 第五章 : 弹性力学问题的一般原理 第五章 : 弹性力学问题的一般原理 节基本方程 节边界条件 节位移法 节应力法 节解的唯一性 节叠加原理 节圣维南原理

2 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 5.1 节基本方程 (1) 平衡方程 f f f () 几何方程 u v w u v v w w u (3) 应变协调方程 (4) 本构方程

3 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 1 E 1 E 1 E G G G E E G 1 v E E G 1 v E E G 1 v G G G 式中, 上述 4 组方程中, 包括 3 个平衡方程 6 个几何方程 6 个协调方程和 6 个本构方程, 其中独立方程有 15 个 方程中, 含有 6 个应力分量 6 个应变分量和 3 个位移分量等 15 个未知量 因此, 若给定问题的边界条件, 可通过联立方程进行求解 注意, 在上述基本方程中, 将切应力符号表示为 5. 节边界条件 根据工程实际情况可能出现的情况, 边界条件可分为以下三类 : (1) 应力边界条件在弹性体全部边界条件上已知面力 f f f f s s s s 若将边界条件记做 S, 其单位法向量为 l l m n 则边界条件为 3

4 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 l m n f l m n f l m n f s s s ( 在 S 上 ) 举例 : 两端受拉应力平板 p b p a 上边界 : l, m 1, f, f 边界条件写作 : s s l m f l m f s s 即 : ( b) 下边界 : l, m 1, f, f 边界条件写作 : s s l m f l m f s s 即 : ( b) 左边界 : l 1, m, f s 边界条件写作 : p, f s l m f l m f s s 即 : p ( a) 4

5 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 右边界 : l 1, m, f s 边界条件写作 : p, f s l m f l m f s s 即 : p ( a) () 位移边界条件 在弹性体全部边界上已知位移 u u v w 若将边界条件记做 S, 边界条件为 : u u v v w w ( 在 S 上 ) 举例 : 位移控制加载侧限压缩试验中土样 s h r h a r 上述轴对称问题转换为一个平面应变问题, 如右上图所示 在周边边界 : 径向位移为零, 即 : u ( r a) r 在上边界 : 竖向位移为 s, 即 : u s( h) 在下边界 : 5

6 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 竖向位移为零, 即 : u ( ) 在对称轴上 : 径向位移为零, 即 : u ( r ) r (3) 混合边界条件 在弹性体部分边界 S 上已知面力, 而在另一部分边界 S u 上已知位移, 则边界条件为 : l m n f l m n f l m n f s s s ( 在 S 上 ) u u v v w w ( 在 S u 上 ) 举例 : 无限长坝体 a h 上边界为应力边界条件 : l, m 1, f, f 边界条件写作 : s s l m f l m f s s 即 : ( h) 6

7 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 下边界为位移边界条件 : 竖向位移为零, 即 : v ( ) 左边界为应力边界条件 : l 1, m, f, f 边界条件写作 : s s l m f l m f s s 即 : ( a) 右边界为应力边界条件 l 1, m, f g h 边界条件写作 : s, f w s l m f l m f s s 即 : wg h ( ) 5.3 节位移法 基本思路 : 用位移分量表达平衡方程先利用几何方程, 用位移表达本构方程, 再将以位移表示的本构方程代入平衡方程 本构方程几何方程 f = f g = f g h u = 弹性体的本构方程表达为 : 7

8 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 G 1- G 1- G 1- G G G 将几何方程代入上述方程组 u u v w G 1- v u v w G 1- w u v w G 1- u v G v w G w u G 将上述方程代入平衡方程, 即可得已位移法控制方程 以第一式为例 : u u v w u v w u G G G f 1- 化简得 : u u u f 同理, 其他方向平衡方程可化为 : v v v f w w w f 上述方程组内有 3 个方程,3 个未知量, 因此可以求解 8

9 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 若忽略体力, 可得拉梅 - 纳维 (Lame-Navier) 方程 : u u u v v v w w w 举例 : 如图所示杆件, 在 方向上端固定, 下端自由, 受自重体力 f, f g 试用位移法求解此问题 的作用 O h 将问题视为一维问题求解, 设 u, v v, 泊松比 将体力和位移分量代入位移法控制方程, 其中第一式自然满足, 而第二式变为 : d v d g E 积分上式得 : g E v A B 由此, 方向应变为 : g A E 根据本构方程, 应力为 g EA 上下边界条件为 : 9

10 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 v h 由第一个边界条件得 : B 由第二个边界条件得 : gh A E 由此, g E gh E v g gh 5.4 节应力法 基本思路 : 用应力分量表达协调方程 先利用本构方程, 用应力分量表达协调方程, 再将以平衡方程代入 以协调方程第二式为例 将本构方程代入 : 1 1 其中, 利用平衡方程 f f 将上述两式代入 : 1

11 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 f f 1 1 同样, 由协调方程第一 三式可得相应表达式, 三个方程相加得 : 1 f f f 1 将上述方程再代入三个方程可得 : 1 f f f f f f f f f f f f f f 1 1 f f 1 1 f f 1 上述方程组称为贝尔特拉米 - 米歇尔 (Beltrami-Mitchell) 方程 不计体力时, 举例 : 设有下图所示柱体, 长度为 l, 截面面积为 A, 两端受集中力 F 作用, 柱体表面为自 11

12 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 由表面 求其应力场与位移场 F F l 解 : (1) 确定体力与面力 选取坐标系, 如图所示 两端 l 有外力作用, 其合力为 F 不计体力 () 写出边界条件 1) 柱体侧面, 法向量为 l l1 l l1 l l1 l l1 l ) 柱体两端 F A 其中 A 为截面面积 3) 控制方程 1 1 根据题意, 可化简为 : d d 对上式进行积分得 : A B 4) 应力场定解 根据边界条件, 可得 : A 1

13 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 F B A 即 F A 5) 求解应变 将应力代入本构方程, 并注意, 得 : 1 F E 1 EA F EA 6) 求解位移 根据几何方程, 对应变进行积分, 并假设无刚体位移, 可得 : F u d EA F v d EA F v d EA 7) 校核 将上述结果分别代入平衡方程 协调方程 边界条件, 均能满足 5.5 节解的唯一性 问题 : 以应力边界条件为例, 设有一弹性体, 所受体力为 f b, 边界上所受面力为 f s, 边界 的单位法向量为 l, 求解该弹性体应力分布 设该弹性力学问题有两组解答, 应力分量分别为 力应分别满足平衡方程和边界条件, 于是可得 : (1) 和 () 根据弹性力学原理, 两组应 (1) i f bj l f, (1) j si () i f bj l f, () j si 13

14 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 上式中, f bj 与 f si 分别为体力和面力分量 将上述两组方程分布对应相减, 可得 (1) () i (1) () 另, (1) (), l j 则 对应于一个弹性体在一个无体力且无面力作用条件下应力分量 根据弹性力学假设, 在无体力且无面力作用下, 弹性体内应力为零 即 : (1) () 故, (1) () 因此, 两组解答是一致的 换言之, 弹性力学问题解是唯一的 5.6 节叠加原理 问题 : 以应力边界条件为例, 设有一弹性体, 若施加体力 (1), 若施加体力 f f (1) () s s () f b 面力 () f s, 弹性体内应力为 后弹性体应力分布, 边界的单位法向量为 l () (1) f (1) b 面力 f s, 弹性体内应力为 求证施加体力 f f (1) () b b 面力 根据弹性力学原理, 两组应力应分别满足平衡方程和边界条件, 于是可得 : (1) i f (1) bj, l f (1) (1) j si () i f () bj, l f () () j si 上式中, f bj 与 f si 分别为体力和面力分量 将上述两组方程分布对应相加, 可得 (1) () 因此, i (1) () f f (1) () bj bj 此即为弹性力学解的叠加原理, (1) () (1) () l j fsi fsi 对应于一个弹性体在体力 f f (1) () b b 面力 f f (1) () s s 作用条件下应力 14

15 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 5.7 节圣维南原理 ( 一 ) 原理内容 圣维南原理是弹性力学的基础性原理, 是由法国力学家圣维南于 1855 年提出的 其内容是 : 分布于弹性体上的一小块面积内的载荷所引起的物体中的应力, 在距离载荷作用区稍远的地方, 基本上只与载荷的合力和合力矩有关, 载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布 ( 二 ) 主要作用 其作用有 :(1) 边界条件简化 () 有限影响区域应力 位移等未知函数必须满足求解域内的基本方程和边界上的边界条件 主要的困难在于难以满足边界条件 圣维南原理可用于简化小边界上的应力边界条件 如果把物体的一小部分边界上的面力, 变换为分布不同但静力等效的面力 ( 主矢量相同, 对同一点的主矩也相同 ), 那么, 近处的应力分量将有显著的改变, 但远处所受影响可以不计 ⑴ 精确的应力边界条件在边界 l 上, σ (, ) f ( ) l (, ) f ( ) l 要求在边界上任一点, 应力与面力数值相等, 方向一致, 往往难以满足 用下列条件代替上式条件 h/ h/ σ h/ l f h/ F N ( ) d 1 ( )d 1( ) h/ h/ ( σ ) d 1 ( )d 1 ( ) h/ l f / M h h/ h/ ( σ ) d 1 ( )d 1( ) h/ l f h/ F S 则使得问题得以简化, 且根据圣维南原理, 这种替换对问题求解影响范围有限, 远场应力解 15

16 弹性力学讲义 (14 版 ), 山东大学岩土中心王者超 答是准确的 注意 : 1 圣维南原理只能应用于一小部分边界( 小边界, 次要边界或局部边界 ); 静力等效 指两者主矢量相同, 对同一点主矩也相同 ( 三 ) 举例 设悬臂梁自由端有集中力 F 作用, 梁高为 h, 厚度为, 跨度为 l 梁自由端无轴向应力, 顶部和底部没有荷载作用, 写出边界条件 F h h l 主要边界上 ( 即上下表面 ), 严格满足边界条件 : h h 次要边界上 ( 左侧 ), 根据圣维南原理, 主矢量相同, 主矩相同即可, 即 : F h h d 因此, 该问题的边界条件如下 : F h h h h d ( 本章完 ) 16

知识点二 : 张量基础 e e, δ, j j 当 j; 当 j e jk, 当, j, k 为顺序排列 ; -, 当, j, k 为逆序排列 ;, 当指标中有两个相等 e e e e e e e e e j j j j j jk k ejk esk δδ js δδ s j

知识点二 : 张量基础 e e, δ, j j 当 j; 当 j e jk, 当, j, k 为顺序排列 ; -, 当, j, k 为逆序排列 ;, 当指标中有两个相等 e e e e e e e e e j j j j j jk k ejk esk δδ js δδ s j 知识点一 : 弹性力学绪论 形状范围方法上 弹性力学 : 杆 板 壳 水坝等材料力学 : 杆状结构力学 : 杆状物件组合 连续性 均匀性 弹性 弹塑性 蠕变 疲劳等 弹性 基本假设 : 在基本假设的基础上还有应力 变形状态的附加假设 基本假设 3 各向同性 线性完全弹性 5 小变形 6 无初始应力 知识点二 : 张量基础 e e, δ, j j 当 j; 当 j e jk, 当, j, k 为顺序排列

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