第三章 平面问题的基本理论.ppt

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1、 空间问题的数学描述空间问题的数学描述 第三章 平面问题的基本理论 已知的几何参数和载荷（表面力和体积力），一般都与三已知的几何参数和载荷（表面力和体积力），一般都与三个坐标参数个坐标参数x、y、z有关；有关；15个未知函数个未知函数 6个应力分量：个应力分量：6个应变分量个应变分量 3个位移分量：个位移分量：u、v、w，一般都是三个坐标参数一般都是三个坐标参数x、y、z的的函数；函数；基本方程式是三维的，但若某一方向变化规律为已知时，基本方程式是三维的，但若某一方向变化规律为已知时，维数可相应减少。维数可相应减少。第三章 平面问题的基本理论 平面问题的数学描述平面问题的数学描述 已知的几何参

2、数和载荷（表面力和体积力）只与两个坐标，已知的几何参数和载荷（表面力和体积力）只与两个坐标，例如例如x、y有关，而与有关，而与z无关；无关；15个未知函数中只存在有个未知函数中只存在有oxy平面内的分量，且只是平面内的分量，且只是x、y的函数，其余分量或不存在，或可以用的函数，其余分量或不存在，或可以用oxy平面内的分量表示；平面内的分量表示；基本方程式是二维的。基本方程式是二维的。第三章 平面问题的基本理论 2-1 平面应力问题与平面应变问题平面应力问题与平面应变问题 如果所考察的弹性体具有某种特殊的形状，并且承受的是如果所考察的弹性体具有某种特殊的形状，并且承受的是某种特殊的外力，就可以把

3、空间问题简化为近似的平面问题。某种特殊的外力，就可以把空间问题简化为近似的平面问题。平面应力问题几何形状特征：几何形状特征：物体在一个坐标方向（例物体在一个坐标方向（例如如z）的几何尺寸远远小于其他两个坐标方）的几何尺寸远远小于其他两个坐标方向的几何尺寸，如图所示的薄板。向的几何尺寸，如图所示的薄板。载荷特征载荷特征：在薄板的两个侧表面上无表面：在薄板的两个侧表面上无表面载荷，作用于边缘的表面力平行于板面，载荷，作用于边缘的表面力平行于板面，且沿厚度不发生变化，或虽沿厚度变化但且沿厚度不发生变化，或虽沿厚度变化但对称于板的中间平面，体积力亦平行于板对称于板的中间平面，体积力亦平行于板面且沿厚度

4、不变。面且沿厚度不变。第三章 平面问题的基本理论因为板面上不受力，所以因为板面上不受力，所以由于剪应力互等，有由于剪应力互等，有这样，只有平行于这样，只有平行于oxy平面的三个应力分量，即平面的三个应力分量，即 在平面应力问题中，独立的未知函数有在平面应力问题中，独立的未知函数有8个，个，只是只是x和和y的函数，不随的函数，不随z而而变化。变化。注意：注意：由广义虎克定律得到由广义虎克定律得到平面应变问题平面应变问题第三章 平面问题的基本理论几何形状特征几何形状特征：物体沿一个坐标轴（例：物体沿一个坐标轴（例如如z轴）方向的长度很长，且所有垂直于轴）方向的长度很长，且所有垂直于z轴的横截面都相

5、同，即为一等直柱体；位轴的横截面都相同，即为一等直柱体；位移约束条件或支承条件沿移约束条件或支承条件沿z方向也相同。方向也相同。载荷特征载荷特征：柱体侧表面承受的表面力以：柱体侧表面承受的表面力以及体积力均垂直于及体积力均垂直于z轴，且分布规律不随轴，且分布规律不随z变化。变化。由于对称（任一横截面都可以看作是对称面），所有各由于对称（任一横截面都可以看作是对称面），所有各点都只会沿点都只会沿x和和y方向移动，而不会有方向移动，而不会有z方向的位移，即方向的位移，即 因为所有各点的位移矢量都平行于因为所有各点的位移矢量都平行于oxy面，所以称之为平面，所以称之为平面位移问题，习惯上称为平面应变

6、问题。面位移问题，习惯上称为平面应变问题。由由对称条件可知，对称条件可知，根据剪应力互等，根据剪应力互等，由虎克定律，得出由虎克定律，得出第三章 平面问题的基本理论 在平面应变问题中，独立的未知函数有在平面应变问题中，独立的未知函数有8个，个，只是只是x和和y的函数，不随的函数，不随z而而变化。变化。注意：注意：由于由于z方向的伸缩被阻止，所以方向的伸缩被阻止，所以由广义虎克定律得到由广义虎克定律得到 在弹性力学里分析问题，要从三个方面来考虑：在弹性力学里分析问题，要从三个方面来考虑：静静力学方面力学方面、几何学方面几何学方面和和物理学方面物理学方面。首先考虑平面问题的静力学方面，根据平衡条件

7、来首先考虑平面问题的静力学方面，根据平衡条件来导出应力分量与体积力分量之间的关系式，也就是平面问导出应力分量与体积力分量之间的关系式，也就是平面问题的平衡微分方程。题的平衡微分方程。2-2 平衡微分方程第三章 平面问题的基本理论根据微元体处于平衡的条件，可以得到三个平衡微分方程。根据微元体处于平衡的条件，可以得到三个平衡微分方程。第三章 平面问题的基本理论（一）作用于体心（一）作用于体心M的合力矩为零，即的合力矩为零，即略去微量，整理，得出略去微量，整理，得出证明了剪应力互等定理。证明了剪应力互等定理。（二）（二）x方向的合力为零，即方向的合力为零，即第三章 平面问题的基本理论整理后，得整理后

8、，得（三）（三）y方向的合力为零，即方向的合力为零，即类似于上式，可得类似于上式，可得平面问题的平衡微分方程平面问题的平衡微分方程x方向方向PA的正应变的正应变第三章 平面问题的基本理论 2-3 几何方程y方向方向PB的正应变的正应变几何方程表明了应变分量与位移分量之间的关系。几何方程表明了应变分量与位移分量之间的关系。PA与与PB所夹直角的改变，即剪应变所夹直角的改变，即剪应变 由两部分组成：由两部分组成：x方向线素方向线素PA向向y方向的转角，记为方向的转角，记为 ，和，和 y方向线素方向线素PB向向x方向的转角，记为方向的转角，记为 ，即，即第三章 平面问题的基本理论由上图可知，由上图可

9、知，在小变形下，在小变形下，所以，所以同理，同理，所以所以综合以上所列各式，得出平面问题的几何方程式综合以上所列各式，得出平面问题的几何方程式第三章 平面问题的基本理论 要保证物体的位移是连续的，则应变分量之间必须满足要保证物体的位移是连续的，则应变分量之间必须满足一定的条件，即变形协调方程，或相容方程。一定的条件，即变形协调方程，或相容方程。应变分量与应力分量之间的关系，即物理方程，应变分量与应力分量之间的关系，即物理方程，也称为本构方程。也称为本构方程。第三章 平面问题的基本理论 2-4 物理方程 在完全弹性的各向同性体内，在完全弹性的各向同性体内，应变分量与应力分量之间的关系应变分量与应

10、力分量之间的关系由虎克定律导出由虎克定律导出 E 是弹性模量，是弹性模量，G 是剪切弹性是剪切弹性模量，模量，是侧向收缩系数，又称是侧向收缩系数，又称为泊松比。为泊松比。u 平面应力问题的物理方程平面应力问题的物理方程第三章 平面问题的基本理论在平面应力问题中，在平面应力问题中，由虎克定律，得由虎克定律，得，可以用来求得薄板厚度的改变。，可以用来求得薄板厚度的改变。因为在平面应力问题中有因为在平面应力问题中有和和，所以有，所以有和和第三章 平面问题的基本理论u 平面应变问题的物理方程平面应变问题的物理方程 在平面应变问题中，因为物体的所有各点都不沿在平面应变问题中，因为物体的所有各点都不沿z方

11、方向移动，即向移动，即w=0，所以所以z方向的线段都没有伸缩，即方向的线段都没有伸缩，即由虎克定律，得由虎克定律，得，代入虎克定律，得，代入虎克定律，得平面应变问题的物理方程平面应变问题的物理方程可以看出，在平面应力问题的物理方程中，将可以看出，在平面应力问题的物理方程中，将 E 换为换为第三章 平面问题的基本理论因为在平面应变问题中也有因为在平面应变问题中也有和和，所以有，所以有和和 换为换为，就得到平面应变问题的物理方程。，就得到平面应变问题的物理方程。同样可以看出，在平面应变问题的物理方程中，将同样可以看出，在平面应变问题的物理方程中，将 E 换为换为，换为换为，就得到平面应力问题的物理

12、方程。，就得到平面应力问题的物理方程。引入记号引入记号第三章 平面问题的基本理论 2-5 平面问题基本方程式的 综合与矩阵表示 应力分量列阵应力分量列阵 应变分量列阵应变分量列阵 位移分量列阵位移分量列阵 体积力分量列阵体积力分量列阵 微分算子矩阵微分算子矩阵第三章 平面问题的基本理论用用应力、应变、位移分量表示的基本方程应力、应变、位移分量表示的基本方程 平衡微分方程平衡微分方程或或 几何方程几何方程或或第三章 平面问题的基本理论 物理方程物理方程（平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）统一写为统一写为用应变表示应力用应变表示应力其中矩阵其中矩阵 D 称为称为弹性矩阵弹性矩阵或应力应

13、变关系转换矩阵或应力应变关系转换矩阵第三章 平面问题的基本理论（平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）这样，用应力、应变和位移分量表示的弹性力学平这样，用应力、应变和位移分量表示的弹性力学平面问题基本方程可以表示为面问题基本方程可以表示为第三章 平面问题的基本理论方程组的总数是方程组的总数是8个：个：2个平衡方程，个平衡方程，3个几何方程和个几何方程和3个物个物理方程。理方程。所包含的未知函数也是所包含的未知函数也是8个：个：3个应力分量个应力分量 ；3个个应变分量应变分量 ；2个位移分量个位移分量 。常从该方程组出发按位移求解。常从该方程组出发按位移求解。第三章 平面问题的基本理论

14、用应力和应变分量表示的基本方程用应力和应变分量表示的基本方程 平衡微分方程平衡微分方程 连续性方程连续性方程 引入二阶微分算子行阵引入二阶微分算子行阵或或或或第三章 平面问题的基本理论 物理方程物理方程用应力表示应变用应力表示应变（平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）统一写为统一写为第三章 平面问题的基本理论其中其中 C 是弹性矩阵是弹性矩阵 D 的逆矩阵。的逆矩阵。（平面应力）（平面应力）（平面应变）（平面应变）第三章 平面问题的基本理论 这样，用应力和应变分量表示的弹性力学平面问这样，用应力和应变分量表示的弹性力学平面问题基本方程可以表示为题基本方程可以表示为方程组的总数是方程组

15、的总数是6个：个：2个平衡方程，个平衡方程，1个连续性方程和个连续性方程和 3 个个物理方程。物理方程。所包含的未知函数也是所包含的未知函数也是6个：个：3个应力分量个应力分量 及及 3 个个应变分量应变分量 。常从该方程组出发按应力求解。常从该方程组出发按应力求解。第三章 平面问题的基本理论 2-6 边界条件u 位移边界条件位移边界条件u 应力边界条件应力边界条件 设平面弹性体在设平面弹性体在 Su 边界上给定边界上给定位移位移 和和 ，它们是边界坐标的已知，它们是边界坐标的已知函数。则在函数。则在 Su 边界上，位移分量必边界上，位移分量必须等于该点的给定位移，即须等于该点的给定位移，即

16、设平面弹性体在设平面弹性体在 边界边界 上给定表面力分量上给定表面力分量 和和 ，它们，它们是边界坐标的已知函数。则在边界是边界坐标的已知函数。则在边界 上，应力分量与给定表上，应力分量与给定表面力之间的关系，可由边界上微元体的平衡条件得出。面力之间的关系，可由边界上微元体的平衡条件得出。第三章 平面问题的基本理论 在物体的边界上，取一微元三角形在物体的边界上，取一微元三角形ABC，其斜边其斜边BC与物体的边界面重合。与物体的边界面重合。N表示边界的表示边界的外法线方向，外法线方向，N的方向余弦为的方向余弦为cos =l，sin =m，则则dx=mds,dy=lds由微元体平衡条件由微元体平衡

17、条件 ，得，得略去高阶小量，整理后得略去高阶小量，整理后得同理，由同理，由 ，得，得由由 略去高阶小量后，得到略去高阶小量后，得到 。所以，平面问题的应力边界条件所以，平面问题的应力边界条件第三章 平面问题的基本理论在在 上上用矩阵表示为用矩阵表示为在在 上上当边界面垂直于坐标轴时，应力边界条件将简化：当边界面垂直于坐标轴时，应力边界条件将简化：边界垂直于边界垂直于x 轴，轴，l=1,m=0 边界垂直于边界垂直于y 轴，轴，l=0,m=1在在 上上在在 上上第三章 平面问题的基本理论u 混合边界条件混合边界条件 物体的一部分边界具有已知位移，因而具有位移边界条物体的一部分边界具有已知位移，因而

18、具有位移边界条件，另一部分具有已知表面力，因而具有应力边界条件。件，另一部分具有已知表面力，因而具有应力边界条件。按照边界情况，弹性力学问题一般分为三类：按照边界情况，弹性力学问题一般分为三类：位移边界问题位移边界问题：在边界面上全部给定位移，即全部是：在边界面上全部给定位移，即全部是 Su 边界边界 应力边界问题应力边界问题：在边界面上全部给定表面力，即全部是：在边界面上全部给定表面力，即全部是 边边界。这时，外力（包括体力和面力）应是平衡力系。界。这时，外力（包括体力和面力）应是平衡力系。混合边界问题：混合边界问题：既有既有Su 边界，又有边界，又有 边界。二者可以分边界。二者可以分别在边

19、界表面不同的区域上，或同一区域不同的方向上。别在边界表面不同的区域上，或同一区域不同的方向上。人们研究了局部区域上力的作用方式对于弹性力学解答的人们研究了局部区域上力的作用方式对于弹性力学解答的影响问题，提出了影响问题，提出了圣维南原理圣维南原理：如果把物体的某一局部（小部分）边界上作用的表面力改如果把物体的某一局部（小部分）边界上作用的表面力改变其分布方式，但保持静力上的等效（即主矢量相同，对于同变其分布方式，但保持静力上的等效（即主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），则近处的应力分布将有显著的改变，而一点的主矩也相同），则近处的应力分布将有显著的改变，而远处的应力改变极小，可以忽略不计。远

20、处的应力改变极小，可以忽略不计。第三章 平面问题的基本理论 2-7 圣维南原理应用圣维南原理，绝对不能离开应用圣维南原理，绝对不能离开“静力等效静力等效”的条件。的条件。对于局部区域受一平衡力系作用时，圣维南原理还可对于局部区域受一平衡力系作用时，圣维南原理还可叙述如下：叙述如下：如果物体某一局部（小部分）边界表面承受的表面力如果物体某一局部（小部分）边界表面承受的表面力是一平衡力系（即主矢量和主矩都为零），这个平衡表面是一平衡力系（即主矢量和主矩都为零），这个平衡表面力所产生的扰动只限在局部，即只在受力附近产生显著的力所产生的扰动只限在局部，即只在受力附近产生显著的应力，随着远离受力位置应力

21、迅速衰减甚至消失。应力，随着远离受力位置应力迅速衰减甚至消失。第三章 平面问题的基本理论第三章 平面问题的基本理论 2-8 求解平面问题的基本方法 在弹性力学里求解问题，有三种基本方法：在弹性力学里求解问题，有三种基本方法：按位移求解按位移求解，按应按应力求解力求解和和混合求解混合求解。按位移求解按位移求解时，以位移分量为基本未知函数，由一些只包含位时，以位移分量为基本未知函数，由一些只包含位移分量的微分方程和边界条件求出位移分量以后，再用几何方程求移分量的微分方程和边界条件求出位移分量以后，再用几何方程求出应变分量，从而用物理方程求出应力分量。出应变分量，从而用物理方程求出应力分量。按应力求

22、解按应力求解时，以应力分量为基本未知函数，由一些只包含应时，以应力分量为基本未知函数，由一些只包含应力分量的微分方程和边界条件求出应力分量以后，再用物理方程求力分量的微分方程和边界条件求出应力分量以后，再用物理方程求出应变分量，从而用几何方程求出位移分量。出应变分量，从而用几何方程求出位移分量。在在混合求解混合求解时，同时以某些位移分量和应力分量为基本未知函时，同时以某些位移分量和应力分量为基本未知函数，由一些只包含这些基本未知函数的微分方程和边界条件求出这数，由一些只包含这些基本未知函数的微分方程和边界条件求出这些基本未知函数以后，再用适当的方程求出其它的未知函数。些基本未知函数以后，再用适

23、当的方程求出其它的未知函数。按位移求解按位移求解第三章 平面问题的基本理论在在平面应力问题中，物理方程是平面应力问题中，物理方程是求得应力分量求得应力分量将将几何方程几何方程 代入，得代入，得第三章 平面问题的基本理论再将上式代入平衡微分方程再将上式代入平衡微分方程简化后，得到用位移表示的平衡微分方程简化后，得到用位移表示的平衡微分方程第三章 平面问题的基本理论代入应力边界条件代入应力边界条件简化后，得到用位移表示的应力边界条件简化后，得到用位移表示的应力边界条件 对于平面应变问题，须在上面的各个方程中将对于平面应变问题，须在上面的各个方程中将 E 换为换为 ，将，将 换为换为将平面问题几何方

24、程中将平面问题几何方程中 x对对 y的二阶导数和的二阶导数和 y对对x的二阶导数的二阶导数相加，得到相加，得到第三章 平面问题的基本理论l 按应力求解按应力求解 变形协调方程或相容方程变形协调方程或相容方程对于平面应力问题，将物理方程代入变形协调方程，得到对于平面应力问题，将物理方程代入变形协调方程，得到 利用物理方程将变形协调方程中的应变分量消去，使利用物理方程将变形协调方程中的应变分量消去，使之只包含应力分量（基本未知函数）。之只包含应力分量（基本未知函数）。第三章 平面问题的基本理论 利用平衡微分方程，将上式简化为只包含正应力而不包利用平衡微分方程，将上式简化为只包含正应力而不包含剪应力

25、。将平衡微分方程写成如下形式含剪应力。将平衡微分方程写成如下形式 将前一方程对将前一方程对x求导，后一方程对求导，后一方程对y求导，然后相加，并注意求导，然后相加，并注意得得代入，简化后，得到代入，简化后，得到平面应力问题平面应力问题的相容方程的相容方程将将 换为换为 ，可得到，可得到平面应变问题平面应变问题的相容方程的相容方程第三章 平面问题的基本理论l 小结小结 按位移求解平面应力问题按位移求解平面应力问题位移分量须满足位移分量须满足Q 边界条件边界条件在在 上上在在 Su 上上Q 平衡微分方程平衡微分方程 对于按位移求解平面应变问题，须在上面的平衡微分方对于按位移求解平面应变问题，须在上

26、面的平衡微分方程和边界条件中将程和边界条件中将 E 换为换为 ，将，将 换为换为 。按位移求解平面应变问题按位移求解平面应变问题第三章 平面问题的基本理论求出位移分量后，用几何方程求得应变分量求出位移分量后，用几何方程求得应变分量然后用右式求得应力分量。然后用右式求得应力分量。第三章 平面问题的基本理论 按应力求解平面应力问题按应力求解平面应力问题应力分量须满足应力分量须满足Q 边界条件边界条件在在 上上Q 平衡微分方程平衡微分方程Q 相容方程相容方程第三章 平面问题的基本理论 对于按应力求解平面应变问题，须在上面的相容方程对于按应力求解平面应变问题，须在上面的相容方程中将中将 换为换为 。按

27、应力求解平面应变问题按应力求解平面应变问题求出应力分量后，用物理方程求得应变分量求出应力分量后，用物理方程求得应变分量然后对几何方程积分求得位移分量，并使其满足位移边界条件。然后对几何方程积分求得位移分量，并使其满足位移边界条件。在在 Su 上上第三章 平面问题的基本理论 2-9 应力函数 由上节可知，按应力求解平面应力问题时，在体积由上节可知，按应力求解平面应力问题时，在体积力为常量时，应力分量力为常量时，应力分量 应当满足平衡微分方应当满足平衡微分方程程 以及相容方程以及相容方程并在边界上满足应力边界条件。并在边界上满足应力边界条件。在在 上上第三章 平面问题的基本理论 平衡微分方程是一个

28、非齐次微分方程组，它的解包含两平衡微分方程是一个非齐次微分方程组，它的解包含两部分，即，任意一个特解及下列齐次微分方程的通解：部分，即，任意一个特解及下列齐次微分方程的通解：特解可以取为特解可以取为也可以取为也可以取为等形式。等形式。为了求得齐次微分方程的通解，将其中前一个方程改写为为了求得齐次微分方程的通解，将其中前一个方程改写为第三章 平面问题的基本理论根据微分方程理论，这就一定存在某一个函数根据微分方程理论，这就一定存在某一个函数 A(x,y)，使得使得同样，将第二个方程改写为同样，将第二个方程改写为可见也一定存在某一个函数可见也一定存在某一个函数 B(x,y)，使得使得由剪应力互等，可

29、得由剪应力互等，可得因而又一定存在某一个函数因而又一定存在某一个函数 ，使得，使得第三章 平面问题的基本理论将上式代入，即得通解将上式代入，即得通解将通解与任一组特解叠加，即得微分方程的全解将通解与任一组特解叠加，即得微分方程的全解 称为平面问题的应力函数，也称称为平面问题的应力函数，也称Airy（艾瑞）应力函数。艾瑞）应力函数。将微分方程的上述解代入相容方程，得将微分方程的上述解代入相容方程，得当当 X 及及 Y 为常量，上式简化为为常量，上式简化为第三章 平面问题的基本理论展开为展开为这就是用应力函数这就是用应力函数 表示的相容方程。它是一个重调和方表示的相容方程。它是一个重调和方程。应力

30、函数程。应力函数 (x,y)是重调和函数。上式可简写为是重调和函数。上式可简写为如果体积力不计，则微分方程的解可简化为如果体积力不计，则微分方程的解可简化为 所以，对于按应力求解平面问题，如果体积力是常量，问题所以，对于按应力求解平面问题，如果体积力是常量，问题就变为要找出一个应力函数就变为要找出一个应力函数 (x,y)，使其满足重调和方程，然使其满足重调和方程，然后由上式确定应力，并使其满足应力边界条件。如果需要，再利后由上式确定应力，并使其满足应力边界条件。如果需要，再利用物理方程确定应变，由几何方程求出位移。用物理方程确定应变，由几何方程求出位移。第三章 平面问题的基本理论 显然，应力函

31、数的确定是用应力法求解问题的关键。由于显然，应力函数的确定是用应力法求解问题的关键。由于重调和方程是高阶偏微分方程，它的解一般都不可能直接求出。重调和方程是高阶偏微分方程，它的解一般都不可能直接求出。因此，在具体求解问题时，只能采用逆解法或半逆解法。因此，在具体求解问题时，只能采用逆解法或半逆解法。所谓所谓逆解法逆解法，就是先设定各种形式的、满足相容方程的应，就是先设定各种形式的、满足相容方程的应力函数力函数 (x,y)，用公式求出应力分量，然后根据应力边界条件用公式求出应力分量，然后根据应力边界条件来考察，在各种形状的弹性体上，这些应力分量对应于什么样来考察，在各种形状的弹性体上，这些应力分

32、量对应于什么样的表面力，从而得知所设定的应力函数可以解决什么问题。的表面力，从而得知所设定的应力函数可以解决什么问题。所谓所谓半逆解法半逆解法，就是针对所要求解的问题，根据弹性体的，就是针对所要求解的问题，根据弹性体的边界形状和受力情况，假设部分或全部应力分量为某种形式的边界形状和受力情况，假设部分或全部应力分量为某种形式的函数，从而推出应力函数函数，从而推出应力函数 (x,y)，然后来考察，这个应力函数然后来考察，这个应力函数是否满足相容方程，以及，原来所假设的应力分量和由这个应是否满足相容方程，以及，原来所假设的应力分量和由这个应力函数求出的其余应力分量，是否满足应力边界条件。如果相力函数

33、求出的其余应力分量，是否满足应力边界条件。如果相容方程和各方面的条件都能满足，自然也就得出正确的解答；容方程和各方面的条件都能满足，自然也就得出正确的解答；如果某一方面不能满足，就要另做假设，重新考察。如果某一方面不能满足，就要另做假设，重新考察。第三章 平面问题的基本理论 2-10 多项式应力函数及其应用举例例例1 设物体所占区域为一矩形域，其坐标系和受力情况如图所示设物体所占区域为一矩形域，其坐标系和受力情况如图所示（忽略体积力）（忽略体积力），并设边界应力，并设边界应力 均为常数。试写出应均为常数。试写出应力函数及各应力分量。力函数及各应力分量。由应力函数的性质及图示边界受力情由应力函数

34、的性质及图示边界受力情况，可知应力函数况，可知应力函数 (x,y)只能是只能是x、y的二的二次多项式，即有次多项式，即有 可以看出此应力函数满足相容方程可以看出此应力函数满足相容方程 ，相应的应力分量为，相应的应力分量为第三章 平面问题的基本理论 不难看到，这个应力分量也满足物体的边界条件。因此，不难看到，这个应力分量也满足物体的边界条件。因此，上图所示的矩形物体的应力状态为均匀应力状态，它可由二次上图所示的矩形物体的应力状态为均匀应力状态，它可由二次多项式应力函数给出。并且，还可以看到以下几点：多项式应力函数给出。并且，还可以看到以下几点：（1）的线性项的线性项C4x+C5y+C6不影响应力

35、分布，对于单连通区不影响应力分布，对于单连通区域可以不考虑。域可以不考虑。（2）若单独取）若单独取 中每一个二次单项式，则分别得到以下三种应中每一个二次单项式，则分别得到以下三种应力状态：力状态：（a）x方向的简单拉伸，这时有方向的简单拉伸，这时有 （b）y方向的简单拉伸，这时有方向的简单拉伸，这时有 （c）x和和y方向的纯剪切，这时有方向的纯剪切，这时有因而如图所示应力状态亦是上述三种简单应力状态的迭加。因而如图所示应力状态亦是上述三种简单应力状态的迭加。第三章 平面问题的基本理论例例2 如图所示为长为如图所示为长为L，高为高为2h，单位厚度的纯弯曲梁（忽略体单位厚度的纯弯曲梁（忽略体积力）

36、积力）。该梁两端作用有弯矩。该梁两端作用有弯矩M，对应的应力分布对应的应力分布 x如图所示，如图所示，并且关于并且关于x轴是反对称的。轴是反对称的。试写出应力函数及各应力分量。试写出应力函数及各应力分量。设设 ，则由应力函，则由应力函数的性质可知，应力函数数的性质可知，应力函数 (x,y)应应是是 x,y的三次多项式的三次多项式才能给出纯弯曲梁两端的线才能给出纯弯曲梁两端的线性应力分布，所以设性应力分布，所以设不难看出，不难看出，(x,y)满足相容方程满足相容方程 ，对应的应力分布为，对应的应力分布为但是因为梁的上下表面不受力，两端剪应力亦为零，所以有但是因为梁的上下表面不受力，两端剪应力亦为

37、零，所以有 。第三章 平面问题的基本理论 根据材料力学中纯弯曲梁的平截面假设，可得根据材料力学中纯弯曲梁的平截面假设，可得 ，其中，其中，为截面得惯性矩。所以，得到如图所示纯弯曲为截面得惯性矩。所以，得到如图所示纯弯曲梁的应力分布梁的应力分布第三章 平面问题的基本理论 2-11 斜面上的应力、主应力及斜方向的应变 已知任一点已知任一点P处的处的应力分量应力分量可以求得经过该点平行于可以求得经过该点平行于z轴而轴而倾斜于倾斜于x轴轴和和y轴的轴的任何斜面上的应力。任何斜面上的应力。N代表斜面代表斜面AB的外法线方向，其方向的外法线方向，其方向余弦为余弦为cos(N,x)=l，cos(N,y)=m

38、 XN和和YN代表斜面代表斜面AB上的上的应力应力s在在x轴轴和和y轴上的投影。由轴上的投影。由PAB的平衡条件得的平衡条件得命斜面命斜面AB上的正应力为上的正应力为 N，则由，则由投影可得投影可得Q 斜面上的应力、主应力斜面上的应力、主应力第三章 平面问题的基本理论将将XN和和YN上式代入，得上式代入，得命斜面命斜面AB上的正应力为上的正应力为 N，则由，则由投影可得投影可得将将XN和和YN上式代入，得上式代入，得 如果经过如果经过P点的某一斜面上的剪应力等于零，则该斜面上点的某一斜面上的剪应力等于零，则该斜面上的正应力称为的正应力称为P点的一个主应力，而该斜面称为点的一个主应力，而该斜面称

39、为P点的一个应力点的一个应力主面，该斜面的法线方向（即主应力的方向）称为主面，该斜面的法线方向（即主应力的方向）称为P点的一个点的一个应力主方向。应力主方向。第三章 平面问题的基本理论Q 斜方向的应变斜方向的应变 已知任一点已知任一点P处的处的应变分量应变分量，可以求得经过该点平行于，可以求得经过该点平行于xy面的任何面的任何斜向微小线段斜向微小线段PN的正应变，也可以求得的正应变，也可以求得经过该点平行于经过该点平行于xy面面的任何两个斜向微的任何两个斜向微小线段小线段PN与与PN之间夹角的改变。之间夹角的改变。P点的坐标为点的坐标为(x,y)，N点的坐标为点的坐标为(x+dx,y+dy),

40、PN的的长度为长度为dr，PN的方的方向余弦为向余弦为cos(PN,x)=l，cos(PN,y)=m PN在坐标轴上的投影为在坐标轴上的投影为 dx=ldr,dy=mdr 第三章 平面问题的基本理论变形之后，线段变形之后，线段PN移到移到P1N1，在坐标轴上的投影成为在坐标轴上的投影成为 令线段令线段PN的正应变为的正应变为 N，则该线段在变形后的长度为则该线段在变形后的长度为dr+N dr，而这一长度的平方就等于上式中两个方向的投影而这一长度的平方就等于上式中两个方向的投影的平方和的平方和 除以除以 ，并应用，并应用dx=ldr,dy=mdr，得得 设设P点的位移分量为点的位移分量为u、v，

41、则，则N点的位移分量为点的位移分量为 第三章 平面问题的基本理论略去微小量，化简为略去微小量，化简为由于由于，可以由上式得出，可以由上式得出应用几何方程，得到应用几何方程，得到第三章 平面问题的基本理论线段线段PN与与PN之间夹角的改变之间夹角的改变 变形之后，变形之后，PN成为成为P1N1，方向余弦方向余弦为为l1和和m1 。线段线段PN在变形之前的方向在变形之前的方向余弦是余弦是l，m，在变形之后线段在变形之后线段PN成成为为P1N1，它的方向余弦为它的方向余弦为l1和和m1。N是是PN的正应变。的正应变。令线段令线段PN和和PN 在变形前后的夹在变形前后的夹角分别为角分别为 及及 1。求出求出 1 以后，即可求得以后，即可求得PN和和PN 之间夹角的改变之间夹角的改变 1。