工程力学:第20课_第13章 应力状态分析(2)
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工程力学课后习题答案工程力学练习册学校学院专业学号教师姓名第一章静力学基础1-1 画出下列各图中物体A,构件AB,BC 或ABC的受力图,未标重力的物体的重量不计,所有接触处均为光滑接触。
(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)1-2 试画出图示各题中AC杆(带销钉)和BC杆的受力图(a)(b)(c)(a)1-3 画出图中指定物体的受力图。
所有摩擦均不计,各物自重除图中已画出的外均不计。
(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)第一章静力学基础 9第二章平面力系2-1 电动机重P=5000N,放在水平梁AC 的中央,如图所示。
梁的A端以铰链固定,另一端以撑杆BC支持,撑杆与水平梁的夹角为30 0。
如忽略撑杆与梁的重量,求绞支座A、B处的约束反力。
题2-1图∑∑=︒+︒==︒-︒=PF F F F F FB A y A B x 30sin 30sin ,0030cos 30cos ,0 解得: N P F F B A 5000===2-2 物体重P=20kN ,用绳子挂在支架的滑轮B 上,绳子的另一端接在绞车D 上,如图所示。
转动绞车,物体便能升起。
设滑轮的大小及轴承的摩擦略去不计,杆重不计,A 、B 、C三处均为铰链连接。
当物体处于平衡状态时,求拉杆AB 和支杆BC 所受的力。
题2-2图∑∑=-︒-︒-==︒-︒--=030cos 30sin ,0030sin 30cos ,0P P F F P F F FBC y BC AB x解得:P F P F AB BC 732.2732.3=-=2-3 如图所示,输电线ACB 架在两电线杆之间,形成一下垂线,下垂距离CD =f =1m ,两电线杆间距离AB =40m 。
电线ACB 段重P=400N ,可近视认为沿AB 直线均匀分布,求电线的中点和两端的拉力。
题2-3图以AC 段电线为研究对象,三力汇交N F NF F F F F F FC A GA y C A x 200020110/1tan sin ,0,cos ,0=======∑∑解得:ααα2-4 图示为一拔桩装置。
8 应力状态与应变状态分析1、应力状态的概念,2、平面应力状态下的应力分析,3、主平面是切应力为零的平面,主应力是作用于主平面上的正应力。
(1)过一点总存在三对相互垂直的主平面,对应三个主应力,主应力排列规定按代数值由大到小为:321σσσ≥≥最大切应力为132max σστ-=(2)任斜截面上的应力ατασσσσσα2sin 2cos 22xy yx yx --++=ατασστα2cos 2sin 2xy yx +-=(3) 主应力的大小22minmax )2(2xyyx yx τσσσσσ+-±+=主平面的方位yx xytg σστα--=2204、主应变122122x y x y xy xyx y()()tg εεεεεεγγϕεε⎡=+±-+⎣=-5、广义胡克定律)]([1z y x x E σσμσε+-=)]([1xzyy Eσσμσε+-=)]([1yxzz Eσσμσε+-=Gzxzxτγ=Gyzyzτγ=,Gxyxyτγ=6、应力圆与单元体之间的对应关系可总结为“点面对应、转向相同、夹角两倍。
”8.1试画出下图8.1(a)所示简支梁A点处的原始单元体。
图8.1[解](1)原始单元体要求其六个截面上的应力应已知或可利用公式直接计算,因此应选取如下三对平面:A点左右侧的横截面,此对截面上的应力可直接计算得到;与梁xy平面平行的一对平面,其中靠前的平面是自由表面,所以该对平面应力均为零。
再取A点偏上和偏下的一对与xz平行的平面。
截取出的单元体如图8.1(d)所示。
(2)分析单元体各面上的应力:A点偏右横截面的正应力和切应力如图8.1(b)、(c)所示,将A点的坐标x、y代入正应力和切应力公式得A点单元体左右侧面的应力为:zMyIσ=bIQSzz*=τ由切应力互等定律知,单元体的上下面有切应力τ;前后边面为自由表面,应力为零。
在单元体各面上画上应力,得到A点单元体如图8.1(d)。
如何在工程力学中进行应力分析?在工程力学领域,应力分析是一项至关重要的任务。
它能够帮助工程师了解结构或材料在受到外力作用时内部的受力情况,从而评估其强度、稳定性和可靠性,为设计安全、高效的工程结构提供关键的依据。
那么,如何进行有效的应力分析呢?首先,我们需要明确应力的基本概念。
应力,简单来说,就是单位面积上所承受的内力。
当物体受到外力作用时,内部会产生抵抗这种外力的力,这种力在单位面积上的表现就是应力。
应力的单位通常是帕斯卡(Pa)或兆帕(MPa)。
在实际的工程力学中,进行应力分析的第一步是确定所研究对象的受力情况。
这包括对各种外力的分析,如集中力、分布力、力偶等。
例如,在桥梁设计中,需要考虑车辆的重量产生的集中力,以及风荷载产生的分布力。
为了准确地描述这些外力,我们通常会建立一个力学模型,将复杂的实际情况简化为易于分析的形式。
接下来,选择合适的分析方法是关键。
常见的应力分析方法有理论分析法、实验法和数值模拟法。
理论分析法基于力学的基本原理和公式进行推导和计算。
例如,对于简单形状和受力情况的结构,可以使用材料力学中的公式来计算应力。
比如,对于受拉伸或压缩的直杆,可以通过力除以横截面积来计算正应力;对于受扭转的圆轴,可以通过扭矩除以抗扭截面系数来计算切应力。
然而,这种方法通常只适用于简单的几何形状和受力情况,对于复杂的结构往往难以直接应用。
实验法是通过对实际结构或模型进行物理实验来测量应力。
常见的实验方法包括电测法、光测法等。
电测法是在结构表面粘贴电阻应变片,当结构受力产生变形时,应变片的电阻会发生变化,通过测量电阻的变化可以推算出应变,进而计算出应力。
光测法则利用光的干涉原理,如光弹性法,来观察结构内部的应力分布。
实验法能够直接获取实际结构的应力数据,但往往成本较高,且实验过程可能会对结构造成一定的破坏。
数值模拟法则是借助计算机软件对结构进行建模和分析。
常见的数值方法有有限元法、边界元法等。
有限元法将结构离散成有限个单元,通过求解每个单元的平衡方程,得到整个结构的应力和变形。
第二章应力状态分析一、内容介绍弹性力学的研究对象为三维弹性体,因此分析从微分单元体入手,本章的任务就是从静力学观点出发,讨论一点的应力状态,建立平衡微分方程和面力边界条件。
应力状态是本章讨论的首要问题。
由于应力矢量与内力和作用截面方位均有关。
因此,一点各个截面的应力是不同的。
确定一点不同截面的应力变化规律称为应力状态分析。
首先是确定应力状态的描述方法,这包括应力矢量定义,及其分解为主应力、切应力和应力分量;其次是任意截面的应力分量的确定—转轴公式;最后是一点的特殊应力确定,主应力和主平面、最大切应力和应力圆等。
应力状态分析表明应力分量为二阶对称张量。
本课程分析中使用张量符号描述物理量和基本方程,如果你没有学习过张量概念,请进入附录一,或者查阅参考资料。
本章的另一个任务是讨论弹性体内一点-微分单元体的平衡。
弹性体内部单元体的平衡条件为平衡微分方程和切应力互等定理;边界单元体的平衡条件为面力边界条件。
二、重点1、应力状态的定义:应力矢量;正应力与切应力;应力分量;2、平衡微分方程与切应力互等定理;3、面力边界条件;4、应力分量的转轴公式;5、应力状态特征方程和应力不变量;知识点:体力;面力;应力矢量;正应力与切应力;应力分量;应力矢量与应力分量;平衡微分方程;面力边界条件;主平面与主应力;主应力性质;截面正应力与切应力;三向应力圆;八面体单元;偏应力张量不变量;切应力互等定理;应力分量转轴公式;平面问题的转轴公式;应力状态特征方程;应力不变量;最大切应力;球应力张量和偏应力张量§2.1 体力和面力学习思路:本节介绍弹性力学的基本概念——体力和面力,体力F b和面力F s的概念均不难理解。
应该注意的问题是,在弹性力学中,虽然体力和面力都是矢量,但是它们均为作用于一点的力,而且体力是指单位体积的力;面力为单位面积的作用力。
体力矢量用F b表示,其沿三个坐标轴的分量用F b i(i=1,2,3)或者F b x、F b y和F b z表示,称为体力分量。
应⼒状态分析第⼆章应⼒状态分析⼀. 内容介绍弹性⼒学的研究对象为三维弹性体,因此分析从微分单元体⼊⼿,本章的任务就是从静⼒学观点出发,讨论⼀点的应⼒状态,建⽴平衡微分⽅程和⾯⼒边界条件。
应⼒状态是本章讨论的⾸要问题。
由于应⼒⽮量与内⼒和作⽤截⾯⽅位均有关。
因此,⼀点各个截⾯的应⼒是不同的。
确定⼀点不同截⾯的应⼒变化规律称为应⼒状态分析。
⾸先是确定应⼒状态的描述⽅法,这包括应⼒⽮量定义,及其分解为主应⼒、切应⼒和应⼒分量;其次是任意截⾯的应⼒分量的确定—转轴公式;最后是⼀点的特殊应⼒确定,主应⼒和主平⾯、最⼤切应⼒和应⼒圆等。
应⼒状态分析表明应⼒分量为⼆阶对称张量。
本课程分析中使⽤张量符号描述物理量和基本⽅程,如果你没有学习过张量概念,请进⼊附录⼀,或者查阅参考资料。
本章的另⼀个任务是讨论弹性体内⼀点-微分单元体的平衡。
弹性体内部单元体的平衡条件为平衡微分⽅程和切应⼒互等定理;边界单元体的平衡条件为⾯⼒边界条件。
⼆. 重点1.应⼒状态的定义:应⼒⽮量;正应⼒与切应⼒;应⼒分量;2.平衡微分⽅程与切应⼒互等定理;3.⾯⼒边界条件;4.应⼒分量的转轴公式;5.应⼒状态特征⽅程和应⼒不变量;§2.5 ⾯⼒边界条件学习思路:在弹性体内部,应⼒分量必须与体⼒满⾜平衡微分⽅程;在弹性体的表⾯,应⼒分量必须与表⾯⼒满⾜⾯⼒边界条件,以维持弹性体表⾯的平衡。
⾯⼒边界条件的推导时,参考了应⼒⽮量与应⼒分量关系表达式。
只要注意到物体边界任意⼀点的微分四⾯体单元表⾯作⽤应⼒分量和⾯⼒之间的关系就可以得到。
⾯⼒边界条件描述弹性体表⾯的平衡,⽽平衡微分⽅程描述物体内部的平衡。
当然,对于弹性体,这仅是静⼒学可能的平衡,还不是弹性体实际存在的平衡。
⾯⼒边界条件确定的是弹性体表⾯外⼒与弹性体内部趋近于边界的应⼒分量的关系。
学习要点:1. ⾯⼒边界条件。
物体在外⼒作⽤下处于平衡状态,不仅整体,⽽且任意部分都是平衡的。
在弹性体内部,应⼒分量必须与体⼒满⾜平衡微分⽅程;在弹性体的表⾯,应⼒分量须与表⾯⼒满⾜⾯⼒边界条件,以满⾜弹性体表⾯的平衡。