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1、第二章 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2.1 体力和面力2.2 应力与应力张量2.3 二维应力状态与平衡微分方程2.4 应力状态的描述2.5 边界条件2.6 主应力与应力主方向2.7 应力球张量和球应力偏张量,2.1 体力和面力,物体外力分为两类体力 面力体力和面力分别为物体单位体积或者单位面积的载荷。,2.2 应力与应力张量,内力外界因素作用下，物体内部各个部分之间的相互作用力。附加内力应力应力矢量pn随截面的法线方向n的方向改变而变化,应力状态一点所有
2、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2,应力矢量沿坐标分解没有工程意义正应力和切应力正应力s n与切应力t n 与结构强度关系密切根据截面方位不能完全确定切应力应力分量应力张量应力张量可以描述一点应力状态,2.2 应力3,应力张量,应该注意应力分量是标量箭头仅是说明方向,2.2 应力4,2.3 平衡微分方程,平衡物体整体平衡，内部任何部
3、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,平衡微分方程,切应力互等定理,2.5 平衡方程2,2.4 应力状态,如果应力张量能够描述一点的应力状态，则应力张量可以描述其它应力参数； 坐标变换与应力张量关系； 最大应力及其方位的确定。,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。当然可以确定正应力s n与切应力t n。,应力矢量与应力分量的关系,2.4 应力状态2,应力不仅随位置改变而变化，而且随截面方位改变而变化。同一点由于截面的法线方向不同，截面上的应力也不同。讨论应力分量在坐标变换时的变化规律。,2.4 应力状态3,任意斜截面的应力转轴公式应力分量满足张
4、量变化规则应力张量为二阶对称张量转轴公式表明：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。应力张量可以确定一点的应力状态。坐标轴转轴后，应力分量发生改变。但是作为整体所描述的应力状态没有变化。,2.4 应力状态4,平面应力状态转轴公式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。正应力二者定义没有差异而切应力定义方向不同,2.4 应力状态5,2.5 边界条件,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。边界面力已知面力边界Ss,面力边界条件确定的是弹性体表面外力与弹性体内部趋近于边界的应力分量的关系。,2.5 边界条件2,面力边界条件描
5、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。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，还必须满足变形连续条件。,2.5 边界条件3,位移边界条件边界位移已知位移边界Su 位移边界条件就是弹性体表面的变形协调弹性体临近表面的位移与已知边界位移相等,2.5 边界条件4,混合边界条件弹性体边界 SSsSu部分边界位移已知位移边界Su 部分边界面力已知面力边界Ss不论是面力边界条件，位移边界条件，还是混合边界条件，任意边界的边界条件数必须等于3个。,2.6 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、最大切应力以及方位主
6、应力和主平面应力状态分析重要参数应力不变量进一步探讨应力状态,主应力和主平面主应力分析,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2,展开,其中：,主元之和,代数主子式之和,应力张量元素构成的行列式,主应力特征方程,2.6 主应力3,应力状态特征方程确定弹性体内部任意一点主应力和应力主轴方向。主应力和应力主轴方向取决于载荷、形状和边界条件等，与坐标轴的选取无关。因此，特征方程的根是确定的，即I1、I2、I3的值是不随坐标轴的改变而变化的。I1、I2、I3 分别称为应力张量的第一、第二和第三不变量。,2.6 主应力4,特征方程有三个实数根s1，s2
7、，s3分别表示这三个根，代表某点三个主应力。对于应力主方向，将s1，s2，s3分别代入,和 l2+m2+n2=1则可求应力主方向。,2.6 主应力5,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,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6,不变性实数性正交性,主应力正交性证明：,下面证明下述结论：1.若s1s2s3，特征方程无重根； 应力主轴必
8、然相互垂直；2.若s1s2s3，特征方程有两重根； s1和s2的方向必然垂直于s3的方向。而s1和s2的方向可以是垂直的，也可以不垂直；3. 若s1=s2=s3，特征方程有三重根； 三个应力主轴可以垂直，也可以不垂直，任何方向都是应力主轴。,2.6 主应力7,设s1，s2，s3 的方向分别为（l1，m1，n1），（l2，m2，n2）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8,如果 s1s2s3,3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
9、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9,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10,主应力是一点所有微分面上最大或最小的正应力。主应力和主平面分析确定最大正应力及其作用方位；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应力圆。最大切应力以及方位的确定。,2.6 主应力11,正应力和切应力分析1 2 3应力圆最大切应力方位,2.6 主应力12,2.7 应力球张量和应力偏张量,应力张量的分解应力球量改变单元体体积，应力偏量改变单元体形状。,八面体单元,2.7 应力分解2,
