高等材料力学课件第二章应力状态.ppt

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1、第二章第二章 应力状态应力状态研究对象三维弹性体微分单元体入手超静定问题静力平衡、几何变形和本构关系等三方面的条件本章从静力学观点出发，讨论一点的应力状态，建立平衡微分方程和边界条件。目录目录2.1 体力和面力体力和面力2.2 应力与应力张量应力与应力张量2.3 二维应力状态与平衡微分方程二维应力状态与平衡微分方程2.4 应力状态的描述应力状态的描述2.5 边界条件边界条件2.6 主应力与应力主方向主应力与应力主方向2.7 应力球张量和球应力偏张量应力球张量和球应力偏张量2.1 体力和面力体力和面力物体外力物体外力分为两类分为两类体力体力面力面力体力和面力分别为物体单位体积或者单位面体力和面力

2、分别为物体单位体积或者单位面积的载荷。积的载荷。2.2 应力与应力张量应力与应力张量内力内力外界因素作用下，物体内部各个部外界因素作用下，物体内部各个部分之间的相互作用力。分之间的相互作用力。附加内力附加内力应力应力应力矢量应力矢量pn随截面的法线方向随截面的法线方向n的方向改变而变化的方向改变而变化,又又受受S S方位变化的影响方位变化的影响。应力状态一点所有截面应力矢量的集合。显然，弹性体内某确定点各个截面的应力矢量应力状态必然存在一定的关系。应力状态分析讨论一点截面方位改变引起的应力变化趋势。应力状态对于结构强度是十分重要的。准确描述应力状态，合理的应力参数。为了探讨各个截面应力的变化趋

3、势，确定可以描述应力状态的参数，通常将应力矢量分解。2.2应力应力2应力矢量应力矢量Pn的的分解方法分解方法:直角坐标轴分解直角坐标轴分解 pn=px i+py j+pz k 2.2应力应力3没有工程意义没有工程意义法线法线 n方向方向的的正应力正应力 n垂直法线垂直法线 n方向方向的的切应力切应力 n n 截面法线确定方向截面法线确定方向位于截面内，方向不定位于截面内，方向不定应力矢量应力矢量 pn与正应力和切应力的关系与正应力和切应力的关系2.2应力应力4l应力矢量应力矢量Pn的分解方法的分解方法:l沿微分面沿微分面S的法线和切线方向分解的法线和切线方向分解 与结构强度关系密切与结构强度关

4、系密切根据截面方位不能完全确定切应力根据截面方位不能完全确定切应力应力分量应力矢量在应力矢量在3个坐标轴上的投影个坐标轴上的投影应力张量应力张量可以描述一点应力状态应力状态2.2应力应力5应力张量应力张量应该注意应该注意应力分量是标量应力分量是标量箭头仅是说明方向箭头仅是说明方向2.2应力应力62.3 平衡微分方程平衡微分方程平衡物体整体平衡，内部任何部分也是平衡的。对于弹性体，必须讨论一点的平衡。微分平行六面体单元x截面截面,应力分量应力分量xxyxzx+dx截面截面,应力分量应力分量2.5平衡方程平衡方程2平衡微分方程切应力互等定理 2.5平衡方程平衡方程3Fx=0 Mi=0 2.4 应力

5、状态应力状态如果应力张量能够描述一点的应力状态，则如果应力张量能够描述一点的应力状态，则1.应力张量可以描述其它应力参数；应力张量可以描述其它应力参数；2.坐标变换与应力张量关系；坐标变换与应力张量关系；3.最大应力及其方位的确定。最大应力及其方位的确定。2.4应力状态应力状态2斜截面上的斜截面上的应力应力斜截面的法线方向矢量为斜截面的法线方向矢量为n，它的三个方向余弦分别为，它的三个方向余弦分别为l，m和和n。pn=pxi+py j+pzk Fb=Fbxi+Fby j+Fbzkn=l i+m j+nk 设设ABCABC的面积的面积为为S S，则，则OBC=lSOCA=mSOAB=nS 斜截面

6、上的应力斜截面上的应力2.4应力状态应力状态3公式表明：已知应力张量，可以确定任意方位公式表明：已知应力张量，可以确定任意方位微分面的应力矢量。微分面的应力矢量。当然可以确定正应力当然可以确定正应力s s n与切应力与切应力t tn。斜截面上的斜截面上的应力应力2.4应力状态应力状态4l应力不仅随位置改变而应力不仅随位置改变而变化，而且随截面方位变化，而且随截面方位改变而变化。改变而变化。l同一点由于截面的法线同一点由于截面的法线方向不同，截面上的应方向不同，截面上的应力也不同。力也不同。l讨论应力分量讨论应力分量在坐标变在坐标变换时的变化规律换时的变化规律。2.4应力状态应力状态5l应力分量

7、应力分量在坐标变换时的变化规律在坐标变换时的变化规律。l坐标系仅作坐标系仅作平移变换平移变换时时,同一点的同一点的 应力不会改变应力不会改变。l考虑考虑坐标系旋转坐标系旋转的情况的情况.2.4应力状态应力状态6l应力分量应力分量在坐标变换时的变化规律。在坐标变换时的变化规律。l斜截面斜截面ABC与与x轴垂直，其应力矢量为轴垂直，其应力矢量为pn 2.4应力状态应力状态7l应力分量应力分量在坐标变换时的变化规律在坐标变换时的变化规律。将将pn，即，即px向向x、y、z轴投影轴投影2.4应力状态应力状态7l应力分量应力分量在坐标变换时的变化规律。在坐标变换时的变化规律。应力分量转轴表达式应力分量转

8、轴表达式2.4应力状态应力状态7l应力分量转轴表达式应力分量转轴表达式2.4应力状态应力状态7l应力变换公式表明应力变换公式表明:当坐标轴作转轴变换时当坐标轴作转轴变换时,应应力分量遵循张量的变换规律力分量遵循张量的变换规律.坐标轴旋转后坐标轴旋转后,应力应力分量的九个分量均有改变分量的九个分量均有改变,但作为整体所描述的但作为整体所描述的应力状态是不变的应力状态是不变的.l应力张量为应力张量为二阶对称张量二阶对称张量l转轴公式表明：新坐标系下的六个应力分量可转轴公式表明：新坐标系下的六个应力分量可通过原坐标系的应力分量确定。通过原坐标系的应力分量确定。平面应力状态转轴公式平面应力状态转轴公式

9、弹性力学以坐标系定义应力分量；弹性力学以坐标系定义应力分量；材料力学以变形效应定义应力分量。材料力学以变形效应定义应力分量。正应力二者定义没有差异正应力二者定义没有差异而切应力定义方向不同而切应力定义方向不同2.4应力状态应力状态52.5 边界条件边界条件弹性体的表面，应力分量必须与表面力满足面弹性体的表面，应力分量必须与表面力满足面力边界条件，维持弹性体表面的平衡。力边界条件，维持弹性体表面的平衡。边界面力已知边界面力已知面力边界Ss s 面力边界条件确定的是弹性体表面确定的是弹性体表面外力与弹性体内部趋外力与弹性体内部趋近于边界的应力分量近于边界的应力分量的关系。的关系。面力边界条件2.5

10、边界条件边界条件22.5边界条件边界条件3面力边界条件描述弹性体表面的平衡，描述弹性体表面的平衡，平衡微分方程描述弹性体内部的平衡。描述弹性体内部的平衡。这种平衡只是这种平衡只是静力学可能的平衡。真正处于平衡状态的弹性体，还必须满足真正处于平衡状态的弹性体，还必须满足变形连续条件。2.5边界条件边界条件4位移边界条件位移边界条件边界位移已知边界位移已知位移边界Su位移边界条件就是就是弹弹性体表面的性体表面的变形协调弹弹性体性体临临近表面的位移与已知近表面的位移与已知边边界位移相等界位移相等2.5边界条件边界条件5混合边界条件混合边界条件弹性体边界弹性体边界 SSs sSu部分边界位移已知部分边

11、界位移已知位移边界Su部分边界面力已知部分边界面力已知面力边界Ss s不论是不论是面力边界条件，位移边界条件，还是还是混合边界条件，任意边界的边界条件，任意边界的边界条件数必须等于数必须等于3 3个。个。2.6 主应力与应力主方向主应力与应力主方向转轴公式描述了应力随坐标转动的变化规律描述了应力随坐标转动的变化规律结构强度分析需要简化和有效的参数结构强度分析需要简化和有效的参数最大正应力、最大切应力以及以及方位主应力和和主平面应力状态分析重要参数应力状态分析重要参数应力不变量进一步探讨进一步探讨应力状态主应力和和主平面2.6主应力主应力2l 切应力为零的微分面称为主微分平面，简称主平面主平面。

12、l主平面的法线称为应力主轴或者称为应力主方向应力主方向。l主平面上的正应力称为主主应力应力。主应力分析主应力分析2.6主应力主应力3ABC为主平面为主平面,方向余弦为方向余弦为(l,m,n)主应力主应力 Pn=n=px=l,py=m,pz=n。主应力分析主应力分析关于l，m，n的齐次线性方程组，非零解的条件为方程组的系数行列式等于零，即2.6主应力主应力4展开 其中：其中：主元之和主元之和 代数主子式之和代数主子式之和应力张量元素应力张量元素构成的行列式构成的行列式主应力特征方程2.6主应力主应力5应力状态特征方程应力状态特征方程确确定定弹弹性性体体内内部部任任意意一一点点主主应应力力和和应应

13、力力主轴方向。主轴方向。主主应应力力和和应应力力主主轴轴方方向向取取决决于于载载荷荷、形形状状和和边界条件等，与坐标轴的选取无关。边界条件等，与坐标轴的选取无关。因因此此，特特征征方方程程的的根根是是确确定定的的，即即I1 1、I2 2、I3 3的值是不随坐标轴的改变而变化的。的值是不随坐标轴的改变而变化的。I1 1、I2 2、I3 3 分分别别称称为为应应力力张张量量的的第第一一、第第二二和第三和第三不变量不变量。2.6主应力主应力6特征方程有三个实数根特征方程有三个实数根s s1 1，s s2 2，s s3 3分分别别表表示示这这三三个个根根，代代表表某某点点三三个个主应力。主应力。对于对

14、于应力主方向应力主方向，将，将s s1 1，s s2 2，s s3 3分别代入分别代入和和 l2+m2+n2=1则可求应力主方向。则可求应力主方向。2.6主应力主应力7主应力和应力主方向取决于结构外力和约束条件，与坐标系无关。因此特征方程的三个根是确定的。特征方程的三个根，即一点的三个主应力均为实数。根据三次方程性质可以证明。任意一点三个应力主方向是相互垂直的三个应力主轴正交的。应力不变量性质应力不变量性质坐标系的改变导致应力张量各分量变化，但应力状态不变。应力不变量正是对应力状态性质的描述。2.6主应力主应力8l不变性l实数性l正交性主应力正交性证明：主应力正交性证明：下面证明下述结论：下面

15、证明下述结论：1.若若s1s2s3，特征方程无重根；特征方程无重根；应力主轴必然相互垂直应力主轴必然相互垂直；2.若若s1s2s3，特征方程有两重根；特征方程有两重根；s s1和和s s2的的方方向向必必然然垂垂直直于于s s3的的方方向向。而而s s1和和s s2的方向可以是垂直的，也可以不垂直；的方向可以是垂直的，也可以不垂直；3.若若s1=s2=s3，特征方程有三重根；特征方程有三重根；三三个个应应力力主主轴轴可可以以垂垂直直，也也可可以以不不垂垂直直，任何方向都是应力主轴任何方向都是应力主轴。2.6主应力主应力9设s1，s2，s3 的方向分别为（l1，m1，n1），（l2，m2，n2）

16、和（l3，m3，n3），则 分别乘以l2，m2，n2 分别乘以-l1,-m1,-n1六式相加，可得 2.6主应力主应力10如果 s1s2s33个应力主方向相互垂直 如果 s1=s2s3可以等于零，也可以不等于零。s3与s1和s2的方向垂直，而s1和s2的方向可以垂直或不垂直。s3的垂直方向都是s1和s2的应力主向。2.6主应力主应力11如果 s1=s2=s3则 l1l2+m1m2+n1n2 l2l3+m2m3+n2n3l1l3+m1m3+n1n3 均可为零或者不为零。任何方向都是应力主方向。因此问题可证。1.若s1s2s3，应力主轴必然相互垂直；2.若s1s2s3，s1和s2必然垂直于s3。而

17、s1和s2可以是垂直的，也可以不垂直；3.若s1=s2=s3，任何方向都是应力主轴。2.6主应力主应力12主应力是一点所有微分面上最大或最小的主应力是一点所有微分面上最大或最小的正应力。正应力。主应力和主平面分析确定最大正应力及其主应力和主平面分析确定最大正应力及其作用方位；作用方位；最大切应力的确定。最大切应力的确定。讨论任意截面正应力和切应力的变化趋势讨论任意截面正应力和切应力的变化趋势应力圆。最大切应力以及方位的确定。最大切应力以及方位的确定。2.6主应力主应力13正应力和切应力正应力和切应力2.6主应力主应力14正应力和切应力正应力和切应力2.6主应力主应力15主应力与方向余弦表达式应

18、力应力圆圆2.6主应力主应力16主应力与方向余弦表达式设设1 12 23 3 应力应力圆圆2.6主应力主应力17应力应力圆圆2.6主应力主应力18最大正应力最大切应力最大切应力方位最大切应力方位2.6主应力主应力19l2=0.5m2=0n2=0.5 八面体单元八面体单元2.6主应力主应力20方向余弦表达式由于由于 所以所以 正应力正应力切应力切应力八面体单元八面体单元2.6主应力主应力21八面体单元八面体单元八面体切应力是一个与八面体切应力是一个与第四强度理论等效应力第四强度理论等效应力有关的一个量有关的一个量,因此也因此也是一个与塑性材料的失是一个与塑性材料的失稳有关的物理量稳有关的物理量.

19、八面体单元的正应力和八面体单元的正应力和切应力均是不变量切应力均是不变量.2.6主应力主应力222.7 应力球张量和应力偏张量应力球张量和应力偏张量应力张量的分解应力张量的分解应力张量的分解应力张量的分解应力球量改变单元应力球量改变单元体体积，体体积，应力偏量改变单元应力偏量改变单元体形状。体形状。2.7应力张量应力张量2应应力力偏偏张张量量的的计计算算应应力力偏偏张张量量sij与与应应力力张张量量ij的的应应力力主主方方向向相相同同，而而且且其其主主应应力力仅仅相相差差一一个个平平均均应应力力。因因此此可可用用正正应应力力特特征征方方程程计计算算。2.7应力张量应力张量3体力与面力体力与面力

20、体力体力:分布在物体整个体积内部各个质点上分布在物体整个体积内部各个质点上的力，又称为质量力。的力，又称为质量力。体力分量的方向体力分量的方向规定与坐标轴方规定与坐标轴方向一致为正，反向一致为正，反之为负。之为负。体力沿三个坐标轴的分量用体力沿三个坐标轴的分量用Fbi(i=1,2,3)或者或者Fbx,Fby,Fbz表示，称为体力分量。表示，称为体力分量。体力与面力体力与面力面力面力:分布在物体表面上的力分布在物体表面上的力。面力的方向规定以面力的方向规定以与坐标轴方向一致与坐标轴方向一致为正，反之为负。为正，反之为负。面力矢量用面力矢量用Fs表示，其分量用表示，其分量用Fsi（i=1，2，3）或者或者Fsx、Fsy和和Fsz表示，称为面力分量。表示，称为面力分量。