弹性力学本构关系
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弹性力学总结弹性力学概述弹性力学是研究物体在受力作用下的变形和恢复行为的物理学分支。
它主要研究物体在力的作用下如何发生形变,并在去除外力后如何回复到原来的状态。
弹性力学在工程、材料科学和地震学等领域都有广泛的应用。
弹性力学的基本原理弹性力学的基本原理主要包括胡克定律和变形的描述。
胡克定律胡克定律是弹性力学研究的基石之一,它描述了弹性物质的应力和应变之间的关系。
根据胡克定律,弹性物体在小应变范围内,应力与应变成正比。
公式表示为:σ = Eε其中,σ代表应力,E代表弹性模量,ε代表应变。
胡克定律适用于各向同性的线性弹性材料。
变形的描述弹性变形通常分为线弹性和非线性弹性两种情况。
线弹性是指应力与应变之间成线性关系的弹性变形,而非线性弹性则是指应力与应变之间存在非线性关系的弹性变形。
在弹性力学中,常用的变形描述方法有拉伸、压缩、剪切和扭转等。
这些变形可以通过位移场、应变场和应力场来描述。
弹性体的应力分析弹性体在受力作用下会发生应力分布。
根据应力的分布规律,可以得出一些重要结论。
平面应力和轴对称应力问题在平面应力问题中,物体受力平面上只有两个应力分量,另一个应力分量为零。
这种情况下,可以根据累积概率法或复数变量法求解。
轴对称应力问题是较为常见的一类问题,这类问题的特点是应力场只与径向位置有关。
通过解析方法或数值方法,可以得到轴对称弹性体的应力分布。
弹性体的本构关系弹性体的本构关系以描述应力和应变之间的关系。
弹性体的本构关系可以是线性的或非线性的。
常见的线性弹性体本构关系有:胡克弹性体、准胡克弹性体和线弹性体。
这些本构关系常用于弹性力学计算中,可以通过试验数据或材料参数得到。
非线性弹性体的本构关系较为复杂,常用的描述方法有牛顿-拉普森方程和本构方程等。
弹性力学应用弹性力学在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个常见领域:工程领域在工程领域中,弹性力学主要用于材料的强度计算、结构的稳定性分析和振动问题的研究。
通过弹性力学的理论,工程师可以预测材料在受力下的变形和破坏情况,并设计出更加安全和可靠的结构。
本构关系1. 各向同性线性弹性本构方程及其中的物理常数G、λ、K 与E、μ的关系式;2. 球量和偏量的本构方程。
对于每一种材料,在一定的温度下,应力和应变之间有着完全确定的关系。
这是材料的固有特性,因此称为物理方程或者本构关系。
一般情况下,材料的应力与应变呈某一函数关系,可表示为:当式中的自变量:x、y、z、yz、zx、xy为小量时,可对其按Taylor级数展开,并略去二阶以上小量,如第一式,有上式中(f 1)0表达了函数f 1在应变分量为零时的值,根据应力应变的一般关系式可知,它代表了初始应力。
而表示函数f1 对应变分量的一阶偏导数,在小变形条件下,它们均为常数,这样可得一线性方程组:上述关系式是胡克(Hooke)定律在复杂应力条件下的推广,因此又称作广义胡克定律。
广义胡克定律中的系数Cmn(m,n=1,2,…,6)称为弹性常数,一共有36个,但可以证明,只有21个常数独立。
如果物体是非均匀材料构成的,物体内各点受力后将有不同的弹性效应,因此一般的讲,Cmn是坐标x,y,z的函数。
但是如果物体是由均匀材料构成的,那么物体内部各点,如果受同样的应力,将有相同的应变;反之,物体内各点如果有相同的应变,必承受同样的应力。
这一条件反映在广义胡克定理上,就是Cmn 为弹性常数。
对于完全的各向异性弹性体,本构关系有21个弹性常数,对于具有一个弹性对称面的各向异性材料,本构各向具有13个弹性常数。
对于正交各向异性材料,弹性常数有9个。
正交各向异性材料的本构方程中,正应力仅与正应变有关,切应力仅与对应的切应变有关,因此拉压与剪切之间,以及不同平面内的剪切之间将不存在耦合作用。
1. 极端各向异性体的弹性常数为21个。
2.具有一个对称面的各向异性材料正交各向异性体:物体内的任一点存在三个弹性对称平面,在每一个对称平两侧对称方向上各自具有相同的弹性性质,这种物体称为正交各向异性体。
正交各向异性体的弹性常数为9个。
3.横观各向同性体若物体内的任一点在平行于某一平面的所各方向都具有相同的弹性性质,而垂直于该面的弹性性质不同,这种正交异性体称为横观各向同性体。
1.弹性体应变能学习思路:弹性体在外力作用下产生变形,因此外力在变形过程中作功。
同时,弹性体内部的能量也要相应的发生变化。
借助于能量关系,可以使得弹性力学问题的求解方法和思路简化,因此能量原理是一个有效的分析工具。
本节根据热力学概念推导弹性体的应变能函数表达式,并且建立应变能函数表达的材料本构方程。
根据能量关系,容易得到由于变形而存储于物体内的单位体积的弹性势能,即应变能函数。
探讨应变能的全微分,可以得到格林公式,格林公式是以能量形式表达的本构关系。
如果材料的应力应变关系是线性弹性的,则单位体积的应变能必为应变分量的齐二次函数。
因此由齐次函数的欧拉定理,可以得到用应变或者应力表示的应变能函数。
学习要点:1. 应变能;2. 格林公式;3. 应变能原理。
弹性体发生变形时,外力将要做功,内部的能量也要相应的发生变化。
本节通过热力学的观点,分析弹性体的功能变化规律。
根据热力学的观点,外力在变形过程中所做的功,一部分将转化为内能,一部分将转化为动能;另外变形过程中,弹性体的温度将发生变化,它必须向外界吸收或释放热量。
设弹性体变形时,外力所做的功为d W,则d W=d W1+d W2其中,d W1为表面力F s所做的功,d W2为体积力F b所做的功。
变形过程中,由外界输入热量为d Q,弹性体的内能增量为d E,根据热力学第一定律,d W1+d W2=d E - d Q因为将上式代入功能关系公式,则如果加载很快,变形在极短的时间内完成,变形过程中没有进行热交换,称为绝热过程。
绝热过程中,d Q=0,故有d W1+d W2=d E对于完全弹性体,内能就是物体的应变能,设U0为弹性体单位体积的应变能,则由上述公式,可得即设应变能为应变的函数,则由变应能的全微分对上式积分,可得U0=U0( ij),它是由于变形而存储于物体内的单位体积的弹性势能,通常称为应变能函数或变形比能。
在绝热条件下,它恒等于物体的内能。
比较上述公式,可得以上公式称为格林公式,格林公式是以能量形式表达的本构关系。
本构关系
1. 各向同性线性弹性本构方程及其中的物理常数G 、λ、K 与 E 、μ的关系式;
2. 球量和偏量的本构方程。
对于每一种材料,在一定的温度下,应力和应变之间有着完全确定的关系。
这是材料的固有特性,因此称为物理方程或者本构关系。
一般情况下,材料的应力与应变呈某一函数关系,可表示为:
当式中的自变量: εx 、εy 、εz 、 γyz 、 γzx 、 γxy 为小量时,可对其按Taylor 级数展开,并略去二阶以上小量,如第一式,有
上式中(f 1)0表达了函数 f 1 在应变分量为零时的值,根据应力应变的一般关系式可知,它代表了初始应力。
而,,01 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂x f ε表示函数 f 1 对应变分量的一阶偏导数,在小变形条件下,它们均为常数,这样可得一线性方程组:
上述关系式是胡克(Hooke )定律在复杂应力条件下的推广,因此又称作广义胡克定律。
广义胡克定律中的系数C mn (m ,n=1,2,…,6)称为弹性常数,一共有36个,但可以证明,只有21个常数独立。
如果物体是非均匀材料构成的,物体内各点受力后将有不同的弹性效应,因此一般的讲,C mn 是坐标x ,y ,z 的函数。
但是如果物体是由均匀材料构成的,那么物体内部各点,如果受同样的应力,将有相同的应变;反之,物体内各点如果有相同的应变,必承受同样的应力。
这一条件反映在广义胡克定理上,就是C mn 为弹性常数。
对于完全的各向异性弹性体,本构关系有21个弹性常数,
对于具有一个弹性对称面的各向异性材料,本构各向具有13个弹性常数。
对于正交各向异性材料,弹性常数有9个。
正交各向异性材料的本构方程中,正应力仅与正应变有关,切应力仅与对应的切应变有关,因此拉压与剪切之间,以及不同平面内的剪切之间将不存在耦合作用。
1.极端各向异性体的弹性常数为21个。
2.具有一个对称面的各向异性材料
正交各向异性体:物体内的任一点存在三个弹性对称平面,在每一个对称平两侧对称方向上各自具有相同的弹性性质,这种物体称为正交各向异性体。
正交各向异性体的弹性常数为9个。
3.横观各向同性体
若物体内的任一点在平行于某一平面的所各方向都具有相同的弹性性质,而垂直于该面的弹性性质不同,这种正交异性体称为横观各向同性体。
如:层状岩层、复合板材等。
横观各向同性体的弹性常数为5个。
4. 各向同性体:各向同性体的弹性常数仅为2个。
这两个常数可用弹性模量 E 和泊松比 μ 表示。
为了使得各向同性材料的本构关系公式表达简洁,令
C 11−C 12=2ν ;ν=G C 12=λ
体积应变:
体积弹性模量:
[]Θz y x 3
13
10=++=σσσσ
后文进行推导这个用体应变表示的方程
另一说法:
(2)物理方程的主应力形式
若将三个坐标轴方向设为三个主应力方向,则有:
表明:三个主应力方向与三个主应变方向重合。
3
)体积应力形式与体积弹性模量
)
(21z y x E
σσσμ
++-=
注:这里的e 就是体积应变θ
,0===xy zx yz τττ0
===xy zx yz γγγz
y x εεε++[])(2)(1z y x z y x E σσσμσσσ++-++=
令
μ
21-=
E
K —— 体积弹性模量
(4)物理方程的应变表示形式 将物理方程的基本形式中解出xy
zx yz z y x τττσσσ,,,,,将其用应变表示。
从中解出 σx ,有
⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+-+=
x x e E
εμμμσ211
—— 用应变量表示的物理方程
进一步引入 拉梅常数
())
1(2,)
21(1μμμμ
λ+=
-+=
E
G E 则
方程中 λ 、G 称为Lame 系数。
至此,上面的结论得以验证
例:如图所示钢制圆柱,其直径为d ,外面套有一厚度为t 的钢制圆筒(圆柱和圆筒间无摩擦),沿圆柱
轴向施加均匀压力q ,求刚柱内的应力(E 、μ已知)。
ΘE e μ
21-=
e
E
Θμ
21-=
[])(1
z y x
x E
σσμσ
ε+-=[]
)()1(1
z y x x
E
σσσμσμ++-+=
[]
ΘE
x
μσμ-+=
)1(1
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡--+=
e E
E x μ
μσμ21)1(1
讨论
(1)如果外筒为刚性筒,怎么办? (2)如果是立方体外套刚性筒,怎么办? (3)如果均匀压力q 变成集中力P ,有什么变化? 总结 1本构方程
2.球量和偏量的本构方程:
体积弹性模量:
五个弹性常数: E 、μ、G 、λ、K ,只有两个独立。
注意:这里的K 和上面K 另一个定义二者意义差不多,但是有差别,差了三倍,
原因在于湖大固体力学版本的
中σ0是平均正应力[]Θz y x 3
1310=++=
σσσσ 而其他版本中e
E
Θμ21-=,因此两个版本中K 的定义不同, []Θz y x 3
13
10=++=σσσσ表示应力球张量,
而
e
E
Θμ21-=被定义为第一应力不变量,称为体积应力。