附录 弹性力学参量的张量记法
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弹性力学应力张量的定义
一个任意形状的三维物体,受到任意外力F作用,如下图所示。
●9这个应力分量可以简记为:
⎤
⎡⎥⎥⎤⎢⎡131211σσσττσxz xy x ⎥⎥⎥⎦
⎢⎢
⎢⎣=⎥⎦⎢⎢⎣=3332
31232221σσσσσσστττστσz zy zx yz y yx ij 这9个应力分量的整体构成了一个二阶对称张量,称
为应力张量。
其中,是弹性力学中应用非常广泛的一种张3311,,σσ 量记法,采用该记法能够极大地方便复杂弹性力学公式的书写和记忆。
●后面将证明,这9个应力分量(只有6个独立)可以表示出弹性体内任一点M 的所有截面上的应力。
也就是σ说,在弹性力学里,将采用上面的作为应力的度量。
ij
●类似地,可以定义出弹性力学里的应变张量和位移矢量。
{}
T
xy xz yz z y x ij τττσσσσ=6个独立的应力分量{}
T
xy xz yz z
y x ij εεεεεεε=6个独立的应变分量{}
T
w v u u i =3个独立的位移分量
●弹性力学的主要任务就是建立这15个变量所应满足的关系式(方程式),并用这些控制方程去求解实际一些弹性体的受力和变形。
为了加深对某一点M过任一微分面的应力矢量的理解。
特别地,让我们来看如下特例中定义的,过同一点的、不同方向截面的应力矢量:。
第2章 张量分析§2.1矢量空间、基、基矢1.线性矢量空间设有n 个矢量,1,2,,i i n =a ,它们构成一个集合R ,其中每个矢量i a 称为R 的一个元素。
如()i j i j +≠a a 唯一地确定R 的另一个元素,及i k a (k 为标量)也给定R 内唯一确定的元素,则称R 为线性(矢量)空间。
R 中的零元素记为O ,且具有i ⋅=O a O .2.空间的维数设i α为m 个标量,若能选取i α,使得10mi ii =α=∑a且i α不合为零,则称此m 个矢量线性相关,否则,称为线性无关。
例1 位于同一平面内的两个矢量1a 和2a (如图)是线性无关的,即11220α+α≠a a 若1α和2α为任意值,且不全为零。
例2 位于同一平面内的三个矢量1a ,2a ,3a 是线性相关的,则恒可找到1α,2α,3α(不全为零)使1122330α+α+α=a a a 如图: 21133''=α+αa a a集合R 内线性无关元素的最大个数称为集合或空间的维数。
设R 的维数为n ,则记为n R ,欧氏空间为3R 。
3.空间的基和基元素n R 中任意n 个线性无关元素的全体称为n R 的一个基。
基的每个元素称为基元素,由于n R 的n 确良基元素是线性无关的。
于是n R 内任一个元素r 可表示成基元素的线性组合。
设(1,2,,)i i n =a 为n R 的任选的基,则有:10ni ii ='α≠∑a,i α'为任意的不全为零的标量但总可选取00≠α及i α不全等于零,使得010ni i i =α=α=∑r a或者2a1a21x2x3xi i x =r e110()nnii i i i i ==α=-=ξα∑∑r a a①i αα,00≠ 不全等于零,所以i ξ不全等于零,且为有限值。
② n R 内有无限个基,但只有一个基是独立的,因为n R 内至少只有n 个元素是线性无关的。
弹性力学ppt课件•弹性力学基本概念与原理•弹性力学分析方法与技巧目录•一维问题分析与实例讲解•二维问题分析与实例讲解•三维问题分析与实例讲解•弹性力学在工程领域应用探讨01弹性力学基本概念与原理弹性力学定义及研究对象定义弹性力学是研究弹性体在外力作用下产生变形和内力分布规律的科学。
研究对象弹性体,即在外力作用下能够发生变形,当外力去除后又能恢复原状的物体。
弹性体基本假设与约束条件基本假设连续性假设、完全弹性假设、小变形假设、无初始应力假设。
约束条件几何约束(物体形状和尺寸的限制)、物理约束(物体材料属性的限制)。
单位面积上的内力,表示物体内部的受力状态。
应力物体在外力作用下产生的变形程度,表示物体的变形状态。
应变物体上某一点在外力作用下的位置变化。
位移应力与应变之间存在线性关系,位移是应变的积分。
关系应力、应变及位移关系虎克定律及其适用范围虎克定律在弹性限度内,物体的应力与应变成正比,即σ=Eε,其中σ为应力,ε为应变,E为弹性模量。
适用范围适用于大多数金属材料在常温、静载条件下的力学行为。
对于非金属材料、高温或动载条件下的情况,需考虑其他因素或修正虎克定律。
02弹性力学分析方法与技巧0102建立弹性力学基本方程根据问题的具体条件和假设,建立平衡方程、几何方程和物理方程。
选择适当的坐标系和坐标…针对问题的特点,选择合适的坐标系,如直角坐标系、极坐标系或柱坐标系,并进行必要的坐标系转换。
求解基本方程采用分离变量法、积分变换法、复变函数法等方法求解基本方程,得到位移、应力和应变的解析表达式。
确定边界条件和初始条件根据问题的实际情况,确定位移边界条件、应力边界条件以及初始条件。
验证解析解的正确性通过与其他方法(如数值法、实验法)的结果进行比较,验证解析解的正确性和有效性。
030405解析法求解思路及步骤将连续体离散化为有限个单元,通过节点连接各单元,建立单元刚度矩阵和整体刚度矩阵,求解节点位移和单元应力。
张量分析在弹性力学中的应用张量分析在弹性力学中的应用自然界的许多问题用数学语言来描述时都需要引入坐标系,但其本质又与坐标无关。
当有些自然规律用坐标形式表达后,由于复杂的方程式往往使得人们忽略了它的内在本质。
张量是一种特殊的数学表达形式,它描述的结果不会因为坐标系的变化而发生变化[1],因此可以摆脱坐标系的影响,反应事物的本质。
此外通过爱因斯坦求和约定、相关记法的规定等常用的表示方法,使得张量的表达形式变得十分简洁。
弹性力学,又称弹性理论,主要是研究弹性体在外力和其它外界因素作用下产生的应力、形变和位移,广泛应用于建筑、机械、化工、航天等工程领域。
为了求得一定边界条件下物体的应力、应变和位移,先对构成物体的材料以及物体的变形作了五条基本假设,即:连续性假设、均匀性假设、各向同性假设、完全弹性假设和小变形假设,然后分别从问题的静力学、几何学和物理学方面出发,导得弹性力学的基本方程,即平衡微分方程、几何方程和本构方程,共15个方程[2]。
由于方程数目的众多,使得我们在分析过程中往往将大部分注意力集中在了方程的形式上,从而忽略问题的本质。
如果将张量引入到物体的应力、应变和位移中,关于弹性问题的15个方程都可以用相关的符号而不是展开式来表示,一方面可以使得书写简便,更重要的是可以将大部分注意力集中在物理原理上而不是方程本身,从而深化对问题的分析[3,4]。
由于表达简洁、不会改变方程式的本质,张量分析得到了广泛的应用。
黄勇对张量的概念做出了具体的分析[5];林诚之利用张量的概念推导了形状比能的表达式[6];赵超先[7]、黄晓琴[8]将张量应用于物理学中,利用应力张量对麦克斯韦磁场力进行了重新推导;明华军等利用监测得到的张量结果得到了岩体破裂面空间方位的计算方法[9];杨天鸿等以现场岩体渗透结构面概率模型统计资料为依据,采用离散介质方法建立典型裂隙网络模型,提出计算岩体结构面网络的等效渗透系数张量方法[10]。
弹性力学网络课程第一章绪论内容介绍知识点弹性力学的特点弹性力学的基本假设弹性力学的发展弹性力学的任务弹性力学的研究方法内容介绍:一. 内容介绍本章作为弹性力学课程的引言,主要介绍课程的研究对象、基本分析方法和特点;课程分析的基本假设和课程学习的意义以及历史和发展。
弹性力学的研究对象是完全弹性体,因此分析从微分单元体入手,基本方程为偏微分方程。
偏微分方程边值问题在数学上求解困难,使得弹性力学的基本任务是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变,物体内部所产生的位移、变形和应力分布等,为解决工程结构的强度,刚度和稳定性问题作准备,但是并不直接作强度和刚度分析。
本章介绍弹性力学分析的基本假设。
弹性力学分析中,必须根据已知物理量,例如外力、结构几何形状和约束条件等,通过静力平衡、几何变形和本构关系等,推导和确定基本未知量,位移、应变和应力等与已知物理量的关系。
由于工程实际问题的复杂性是由多方面因素构成的,如果不分主次地考虑所有因素,问题是十分复杂的,数学推导将困难重重,以至于不可能求解。
课程分析中使用张量符号描述物理量和基本方程。
目前,有关弹性力学的文献和工程资料都是使用张量符号的。
如果你没有学习过张量概念,请进入附录一学习,或者查阅参考资料。
二. 重点1.课程的研究对象;2.基本分析方法和特点;3.弹性力学的基本假设;4.课程的学习意义;5.弹性力学的发展。
特点:弹性力学,又称弹性理论。
作为固体力学学科的一个分支,弹性力学的基本任务是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变,物体内部所产生的位移、变形和应力分布等,为解决工程结构的强度,刚度和稳定性问题作准备,但是并不直接作强度和刚度分析。
构件承载能力分析是固体力学的基本任务,但是对于不同的学科分支,研究对象和方法是不同的。
弹性力学的研究对象是完全弹性体,包括构件、板和三维弹性体,比材料力学和结构力学的研究范围更为广泛。
弹性是变形固体的基本属性,而“完全弹性”是对弹性体变形的抽象。
第五章弹性力学的求解方法和一般性原理知识点弹性力学基本方程边界条件位移表示的平衡微分方程应力解法体力为常量时的变形协调方程物理量的性质逆解法和半逆解法解的迭加原理,弹性力学基本求解方法位移解法位移边界条件变形协调方程混合解法应变能定理解的唯一性原理圣维南原理一、内容介绍通过弹性力学课程学习,我们已经推导和确定了弹性力学的基本方程和常用公式。
本章的任务是对弹性力学所涉及的基本方程作一总结,并且讨论具体地求解弹性力学问题的方法。
弹性力学问题的未知量有位移、应力和应变分量,共计15个,基本方程有平衡微分方程、几何方程和本构方程,也是15个。
面对这样一个庞大的方程组,直接求解显然是困难的,必须讨论问题的求解方法。
根据这一要求,本章的主要任务有三个:一是综合弹性力学的基本方程,并按边界条件的性质将问题分类;二是根据问题性质,确定基本未知量,建立通过基本未知量描述的基本方程,得到基本解法。
弹性力学问题的基本解法主要是位移解法、应力解法和混合解法等。
应该注意的是对于应力解法,基本方程包括变形协调方程。
三是介绍涉及弹性力学求解方法的一些基本原理。
主要包括解的唯一性原理、叠加原理和圣维南原理等,这些原理将为今后的弹性力学问题解建立基础。
如果你在学习本章内容时有困难,请及时查阅和复习前三章相关内容,以保证今后课程的学习。
二、重点1、弹性力学的基本方程与边界条件分类;2、位移解法与位移表示的平衡微分方程;3、应力解法与应力表示的变形协调方程;4、混合解法;5、逆解法和半逆解法;6、解的唯一性原理、叠加原理和圣维南原理§5.1 弹性力学的基本方程及其边值问题学习思路:通过应力状态、应变状态和本构关系的讨论,已经建立了一系列的弹性力学基本方程和边界条件。
本节的主要任务是将基本方程和边界条件作综合总结,并且对求解方法作初步介绍。
弹性力学问题具有15个基本未知量,基本方程也是15个,因此问题求解归结为在给定的边界条件下求解偏微分方程。