彈性力學(xué) 第一章 序論

彈性力學(xué)第一章序論第1頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月需要理由么？（needornotneed,that’saproblem.）上課花的錢要比上網(wǎng)多；練習(xí)忍耐力的大好時機(jī)；尊重自己，認(rèn)真可以讓自己看起來很紳士或淑女；學(xué)會利用微觀的思想建模。好好學(xué)彈性力學(xué)的理由：第2頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

彈性力學(xué)：

是固體力學(xué)的一個分支，研究彈性體由于外力作用或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力、形變和位移。緖論

本課程較為完整的表現(xiàn)了力學(xué)問題的數(shù)學(xué)建模過程，建立了彈性力學(xué)的基本方程和邊值條件，并對一些問題進(jìn)行了求解。彈性力學(xué)基本方程的建立為進(jìn)一步的數(shù)值方法奠定了基礎(chǔ)。彈性力學(xué)是學(xué)習(xí)塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、有限元方法的基礎(chǔ)。第3頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)工程力學(xué)問題的建模第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第三節(jié)彈性力學(xué)的學(xué)習(xí)方法緖論第4頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)工程力學(xué)問題的建模工程力學(xué)問題的建模過程如下：

工程力學(xué)問題建立力學(xué)模型的過程，一般要對三方面進(jìn)行簡化：結(jié)構(gòu)簡化；受力簡化。材料簡化；第5頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月材料簡化

根據(jù)各向同性、連續(xù)、均勻等假設(shè)進(jìn)行簡化。結(jié)構(gòu)簡化

如空間問題向平面問題的簡化，向軸對稱問題的簡化，實體結(jié)構(gòu)向板、殼結(jié)構(gòu)的簡化。受力簡化根據(jù)圣維南原理，復(fù)雜力系簡化為等效力系。第一節(jié)工程力學(xué)問題的建模第6頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)工程力學(xué)問題的建模在建立數(shù)學(xué)模型的過程中，通常要注意分清問題的性質(zhì)進(jìn)行簡化：線性化：對高階小量進(jìn)行處理，能進(jìn)行線性化的，進(jìn)行線性化。實驗驗證：模型建立以后，對計算的結(jié)果進(jìn)行分析整理，返回實際問題進(jìn)行驗證，一般主要通過實驗進(jìn)行。

實驗一般分為直接實驗和相似實驗。直接實驗比較簡單時可以直接進(jìn)行，但有時十分困難，就需進(jìn)行相似實驗。

相似實驗的模型一般應(yīng)與實際問題的邊界條件和形態(tài)是幾何相似的；運動規(guī)律無量綱的表現(xiàn)形式相同；運動狀態(tài)的初始和邊界條件相同。

第7頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

車頭第11頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月高層建筑與大型橋梁第12頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月高層建筑與大型橋梁

樓高

420.5m

共88層

金茂大廈第13頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月高層建筑與大型橋梁

浦東開發(fā)區(qū)第14頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月高層建筑與大型橋梁第15頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月纜索與立柱高層建筑與大型橋梁第16頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月飛機(jī)靜載試驗第19頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月水壩光彈實驗－模擬實驗第20頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月－現(xiàn)代計算技術(shù)與計算機(jī)應(yīng)用。計算機(jī)方法第21頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車碰撞第22頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月碰撞時氣囊與人的相互作用第23頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月豪華游艇第24頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月戰(zhàn)斗機(jī)的振動模態(tài)分析第25頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月飛鳥與空中客車機(jī)翼相撞第26頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月運動中的乒乓球尾流第27頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月人造骨骼第28頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠輪胎第29頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月輪胎與輪轂第30頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月天文望遠(yuǎn)鏡桁架第31頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼結(jié)構(gòu)接頭第32頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月齒輪嚙合第33頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

工程實例第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容研究內(nèi)容：彈性力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，研究彈性體由于外力作用或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力、形變和位移。（1）比薩斜塔：建筑物由于自重和荷載引起地基不均勻的沉降，可簡化為半平面在載荷作用下的位移問題。第34頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械構(gòu)件，大的如水輪機(jī)第36頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

小的如各種齒輪，他們在工作中都將受到載荷作用，需要對他們進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析，而這些分析是我們過去用理論力學(xué)或材料力學(xué)的方法辦不到的。第37頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月研究方法材料力學(xué)：基本假設(shè)、計算假設(shè)彈性力學(xué)：基本假設(shè)、數(shù)學(xué)分析研究對象材料力學(xué)：桿件彈性力學(xué)：塊體結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)第一節(jié)工程力學(xué)問題的建模第38頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

基本假設(shè)第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容

對于上述工程問題，我們需要研究彈性體由于外力作用或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力、形變和位移。

首先我們通過假設(shè)對問題加以簡化：（1）連續(xù)性假設(shè)：這樣物體內(nèi)的一些物理量，例如應(yīng)力、應(yīng)變和位移等可用連續(xù)函數(shù)表示。（2）線彈性假設(shè)：假定物體服從胡克定律。（3）均勻性假設(shè)：假定物體由同一材料組成，這樣材料常數(shù)不隨位置坐標(biāo)變化。第39頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）各向同性假設(shè)：物體內(nèi)一點的彈性性質(zhì)在各個方向上相同。（5）小變形假設(shè)：假定位移和應(yīng)變是微小的。這樣，可以用變形前的尺寸代替變形后的尺寸，在考察物體的應(yīng)變和位移時，可以略去高階小量，這對于方程的線性化十分重要。

在上述簡化的基礎(chǔ)上，我們現(xiàn)在的問題是要得出普遍的描述上述問題的力學(xué)和數(shù)學(xué)模型。

彈性力學(xué)課程較為完整的表現(xiàn)了工程問題的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建模過程，建立了彈性力學(xué)的基本方程和邊值條件，并對一些問題進(jìn)行了求解。彈性力學(xué)基本方程的建立為進(jìn)一步的數(shù)值方法奠定了基礎(chǔ)。第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第40頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

以上的假設(shè)對于工程中不少問題是適用的，但對于一些問題的誤差太大，就必須用另外的簡化方案，但許多概念基本理論仍然是共同的，彈性力學(xué)是學(xué)習(xí)塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、有限元方法等學(xué)科的基礎(chǔ)。第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第41頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月基本規(guī)定體積力：慣性力、重力F表面力：表面力P體力分量：表力分量：第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容外力：符號規(guī)定：與坐標(biāo)軸方向一致為正，反之為負(fù)。第42頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月一應(yīng)力的概念第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容

物體承受外力作用，物體內(nèi)部各截面之間產(chǎn)生附加內(nèi)力，為了顯示出這些內(nèi)力，我們用一截面截開物體，并取出其中一部分：第43頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

物體承受外力作用，物體內(nèi)部各截面之間產(chǎn)生附加內(nèi)力，為了顯示出這些內(nèi)力，我們用一截面截開物體，并取出其中一部分：第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容一應(yīng)力的概念第44頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

其中一部分對另一部分的作用，表現(xiàn)為內(nèi)力，它們是分布在截面上分布力的合力。取截面的一部分，它的面積為ΔA，為物體在該截面上ΔA點的應(yīng)力。ΔQΔA平均集度為ΔQ/ΔA，其極限作用于其上的內(nèi)力為ΔQ，第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第45頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月通常將應(yīng)力沿垂直于截面和平行于截面兩個方向分解為Sστ正應(yīng)力σ切應(yīng)力τ第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第46頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月二應(yīng)力分量xyzo第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容

應(yīng)力不僅和點的位置有關(guān)，和截面的方位也有關(guān)。描述應(yīng)力，通常用一點平行于坐標(biāo)平面的單元體，各面上的應(yīng)力沿坐標(biāo)軸的分量來表稱為應(yīng)力分量。

相對平面上的應(yīng)力分量在略去高階小量的意義上大小相等，方向相反。第47頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

平行于單元體面的應(yīng)力稱為切應(yīng)力，用τyx

、τyz表示，其第一下標(biāo)y表示所在的平面，第二下標(biāo)x、y分別表示沿坐標(biāo)軸的方向。如圖示的τyx、τyz。σyτyxτyzxyzo第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容符號規(guī)定：圖示單元體面的法線為y,稱為y面，應(yīng)力分量垂直于單元體面的應(yīng)力稱為正應(yīng)力。正應(yīng)力記為,沿y軸的正向為正,其下標(biāo)表示所沿坐標(biāo)軸的方向。第48頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

平行于單元體面的應(yīng)力如圖示的τyx、τyz，沿x軸、z軸的負(fù)向為正。第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容圖示單元體面的法線為y的負(fù)向，正應(yīng)力記為

,沿y軸負(fù)向為正。第49頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性力學(xué)材料力學(xué)第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容

注意彈性力學(xué)切應(yīng)力符號和材料力學(xué)是有區(qū)別的，圖示中，彈性力學(xué)里，切應(yīng)力都為正，而材料力學(xué)中相鄰兩面的的符號是不同的。

在畫應(yīng)力圓時，應(yīng)按材料力學(xué)的符號規(guī)定。第50頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月其它x、z正面上的應(yīng)力分量的表示如圖所示。凡正面上的應(yīng)力沿坐標(biāo)正向為正，逆坐標(biāo)正向為負(fù)。獨立應(yīng)力分量：第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第51頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

外力作用下，物體各點發(fā)生位移，但是某點位移的大小并不能確定該處應(yīng)力的大小，它與物體的整體約束有關(guān)。應(yīng)變反映局部各點相對位置的變化，與應(yīng)力直接相關(guān)，變形體力學(xué)中彈性力學(xué)對這種關(guān)系作了最為簡化的假設(shè)，在各向同性線彈性的條件下，彈性常數(shù)只有兩個。二應(yīng)變的概念第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容1、線應(yīng)變2、剪應(yīng)變第52頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月例1矩形薄板，板上受面力時，；時，；試?yán)L出面力的方向。例2矩形薄板，板受面力如圖示，試寫出邊界條件。第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第53頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月例3已知單元體各面上的應(yīng)力分量，試在單元上標(biāo)出方向與數(shù)值。第二節(jié)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容第54頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月與其他學(xué)科的關(guān)系：材料力學(xué)：研究桿狀結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)力學(xué)：研究桿系結(jié)構(gòu)；彈性力學(xué)：一般平面問題、板、殼和實體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步較精確的分析桿狀結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)進(jìn)程第三節(jié)彈性力學(xué)的基本方法第55頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)彈性力學(xué)的基本方法

例如，對于高度較大的梁（深梁），材料力學(xué)基于平面假設(shè)的公式不再成立。彈性力學(xué)不引用平面假設(shè)，得到較為精確的解答。對于帶孔的拉伸構(gòu)件平面假設(shè)也不再成立，應(yīng)力的分布是不均勻的，彈性力學(xué)的計算表明，在孔邊發(fā)生應(yīng)力集中。彈性力學(xué)在研究中也吸收了結(jié)構(gòu)力學(xué)的一些研究方法。第56頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

彈性力學(xué)的公式推導(dǎo)比較繁復(fù)，公式的意義不明確，不便記憶，因此初學(xué)者，感到困難。

在學(xué)習(xí)中，不要過分拘泥于細(xì)節(jié)，應(yīng)著眼于彈性力學(xué)的基本思想和基本概念的理解，公式的結(jié)構(gòu)和推導(dǎo)的主要過程，公式的推導(dǎo)和記憶，最好通過矩陣形式和張量。第三節(jié)彈性力學(xué)的基本方法第57頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于基本方程是偏微分方程組，接觸較少，理解有困難。偏微分方程組的直接求解是十分困難的，只有在邊界條件比較簡單時，可以解出，大多需要通過數(shù)值方法求解，因此基本方程的意義很大程度上是為將來的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

在推導(dǎo)過程中，善于利用小變形略去高階小量，在邊界條件中，要分清主要邊界和次要邊界，在次要邊界上根據(jù)圣維南原理，用等效力系的條件進(jìn)行替代。第三節(jié)彈性力學(xué)的基本方法