弹性力学简明教程第四版课后习题解答

1、标准文档弹性力学简明教程第四版课后 习题解答徐芝纶第一章绪论【1-1】试举例说明什么是均匀的各向异性体,什么是非均匀的各向同性体？【分析】均匀的各项异形体就是满足均匀性假定,但不满足各向同性假定；非均匀的各向异性体,就是不满足均匀性假定,但满足各向同性假定.【解答】均匀的各项异形体如：竹材,木材. 非均匀的各向同性体如：混凝土.【1-2】一般的混凝土构件和钢筋混凝土构件能否作为理想弹性体？ 一般的岩质地基和 土质地基能否作为理想弹性体？【分析】能否作为理想弹性体, 要判定能否满足四个假定： 连续性,完全弹性,均匀性, 各向同性假定.【解答】一般的混凝土构件和土质地基可以作为理想弹性体；一般的钢

2、筋混凝土构件和岩质地基不可以作为理想弹性体.【1-3】五个根本假定在建立弹性力学根本方程时有什么作用？【解答】1连续性假定：假定物体是连续的, 也就是假定整个物体的体积都被组成这 个物体的介质所填满,不留下任何空隙.引用这一假定后,物体的应力、形变和位移等物理量就可以看成是连续的.因此,建立弹性力学的根本方程时就可以用坐标的连续函数来表示 他们的变化规律.完全弹性假定：假定物体是完全弹性的,即物体在对应形变的外力被去除后,能够完全恢复原型而无任何形变.这一假定,还包含形变与引起形变的应力成正比的涵义,亦即两者之间是成线性关系的,即引用这一假定后,应力与形变服从胡克定律,从而使物理方程成为 线性

3、的方程,其弹性常数不随应力或形变的大小而变.均匀性假定：假定物体是均匀的, 即整个物体是由同一材料组成的,引用这一假定后整个物体的所有各局部才具有相同的弹性,所研究物体的内部各质点的物理性质都是相同的, 因而物体的弹性常数不随位置坐标而变化.各向同性假定：假定物体是各向同性的,即物体的弹性在所有各个方向都相同,引用此假定后,物体的弹性常数不随方向而变.小变形假定：假定位移和变形是微小的.亦即,假定物体受力以后整个物体所有各点的位移都远远小于物体原来的尺寸,而且应变和转角都远小于1.这样在建立物体变形以后的平衡方程时,就可以方便的用变形以前的尺寸来代替变形以后的尺寸.在考察物体的位移与形变的关系

4、时,它们的二次幕或乘积相对于其本身都可以略去不计,使得弹性力学中的微分方程都简化为线性的微分方程.【1-4】应力和面力的符号规定有什么区别？试画出正坐标面和负坐标面上的正的应力 和正的面力的方向.【解答】应力的符号规定是：当作用面的外法线方向指向坐标轴方向时即正面时这个面上的应力不管是正应力还是切应力以沿坐标轴的正方向为正,沿坐标轴的负方向为负.当作用面的外法线指向坐标轴的负方向时即负面时,该面上的应力以沿坐标轴的负方向为正,沿坐标轴的正方向为负.面力的符号规定是：当面力的指向沿坐标轴的正方向时为正,沿坐标轴的负方向为负.由以下图可以看出,正面上应力分量与面力分量同号,负面上应力分量与面力分量

5、符号相反.正的应力正的面力实用大全【1-5】试比拟弹性力学和材料力学中关于切应力的符号规定.【解答】材料力学中规定切应力符号以使研究对象顺时针转动的切应力为正,反之为负.弹性力学中规定,作用于正坐标面上的切应力以沿坐标轴的正方向为正,作用于负坐标面上的切应力以沿坐标轴负方向为正,反之为负.【1-6】试举例说明正的应力对应于正的形变.【解答】正的应力包括正的正应力与正的切应力,正的形变包 括正的正应变与正的切应变,此题应从两方面解答.正的正应力对应于正的正应变：轴向拉伸情况下,产生轴向拉 应力为正的应力,弓I起轴向伸长变形,为正的应变.正的切应力对应于正的切应变：在如下图应力状态情况下, 切应力

6、均为正的切应力,引起直角减小,故为正的切应变.【1-7】试画出图1-4中矩形薄板的正的体力、面力和应力的方向.【解答】Ozy正的体力、应力【1-8】试画出图1-5中三角形薄板的正的面力和体力的方向.【解答】相等?【1-9】在图1-3的六面体上,y面上切应力.yz的合力与z面上切应力zy的合力是否【解答】切应力为单位面上的力,量纲为L,MT °,单位为N/m2.因此,应力的合力应乘以相应的面积,设六面体微元尺寸如dx x dyx dz,那么y面上切应力 y的合力为：yz dx dz(a)z面上切应力合力为：zy dx dy(b)由式(a) (b)可见,两个切应力的合力并不相等.【分析】

7、作用在两个相互垂直面上并垂直于该两面交线的切应力的合力不相等,但对某点的合力矩相等,才导出切应力互等性.第二章平面问题的根本理论【2-1】试分析说明,在不受任何面力作用的空间体外表附近的薄层中图2-14其应力状态接近于平面应力的情况.【解答】在不受任何面力作用的空间外表附近的薄层中,可以认为在该薄层的上下外表都无面力,且在薄层内所有各点都有-'z =xz = yz = 0,只 存在平面应力分量 f xy,且它们不沿z方向变化,仅为x,y的函数.可以认为此问题是平面应力问题.【2-2】试分析说明,在板面上处处受法向约束且不受切向面力作用的等厚度薄片中2-15,当板边上只受x,y向的面力或

8、约束,且不沿厚度变化时,其应变状态接近于平面应变的情况.【解答】板上处处受法向约束时；z = 0,且不受切向面力作用,那么xz = yz =0相应ZX二zy =0板边上只受X,y向的面力或约束,所以仅存在；x, ；y, xy ,且不沿厚度变化,仅为X,y的函数,故其应变状态接近于平面应变的情况.【2-3】在图2-3的微分体中,假设将对形心的力矩平很条 件a Me =0改为对角点的力矩平衡条件,试问将导出什么形式的方程？【解答】将对形心的力矩平衡条件 x Me =0,改为分别 对四个角点A、B D E的平衡条件,为计算方便,在 z方向 的尺寸取为单位1.dx石口'dyczxydy；ydx

9、 1( J dx)dy 1( xy dx)dy 1 dx - ；ydy 12x2ex2弋 y y dy)dx 1 鱼 (yx yx dy)dx 1 dy fxdxdy 1 鱼 - fxdxdy 1 鱼=0 ty2cy22、 Mb =0占 <7dycTdxLx ' x dx)dy 1( yx ' ±dy)dx 1 dy (；y' y dy)dx 1 -(b)ex2cycy2- xydy 1 dx - ；xdy 1 史- ；ydx 1 dx fxdxdy 1 史 fydxdy 1 鱼=0Md=0ydxdy(；y- dy)dx 1xydy 1 dx ；xdy

10、1yxdx 1 dy(c)cy22:x-xdx 1 dx -dx)dy 1- fxdxdy 1fydxdy- 2 2Me-0dxdydxdy)dx 1 xdy 1yxdx 1 dy - ydx 1 -dx(；xxdx)dy 1 dy 一( xy 里 dx)dy 1 dx fxdxdy 1 ® fydxdy 10dx2ex22(d)略去、b、c、d中的三阶小量亦即令d2xdy,dxd2y都趋于0,并将各式都除以dxdy后合并同类项,分别得到F二邓.【分析】由此题可得出结论：微分体对任一点取力矩平衡得到的结果都是验证了切应力互等定 理.【2-4】在图2-3和微分体中,假设考虑每一面上的应

11、力分量不是均匀分布的,验证将导出什么形 式的平衡微分方程？【解答】微分单元体ABCD勺边长dx, dy都是微量,因此可以假设在各面上所受的应力如图a所示,忽略了二阶以上的高阶微量,而看作是线性分布的,如图b所示.方向的尺寸取为一个单位.为计算方便,单元体在zrrnT- / 卜-Jso .XxyyA.CT Lxfx厂y111cx%)cw/IT.cuy$B三冃(b)各点正应力：；yBdy二 xDxdx ；.:xCyDxdxex(二 x)cxdx.:xx-：y ；-yCy)c-dx - ：y ；x ；:y各点切应力:( xy ) Axy( yx) Ayx( xy )B=-xy+y( yx ) A=

12、yxy( xy)Dxy芒dx.:x( yx ) D(xy)Cxydx.x'xydy ；:y(yx ) C二-yxdx dy；x: y由微分单元体的平衡条件IFx二0,二 Fy 二 0,得1 -(|°x + 兀 +2 <11;(匕 S + x+J Ieryx卜沆| 11dy i?dy +上 即丿)I!1：一卜y+R2_12dx + 空 dyldx+ fxdxdy 二 0 创丿亠 yx 丁、令丿Tdx 卜dx+卜 |dy + t.x7y+S丿2IX旳y11 + dx |idx十彳一汝丿i2.mi 了汕丿IT臥xy:xyx.xdX + TXy +dy >dx丿J一dy+

13、 dx >dy+fydxdy = 0Ex丿:x=xyCTy以上二式分别展开并约简,再分别除以dxdy,就得到平面问题中的平衡微分方程:.x : yfx =0；ycyexfy =0【分析】由此题可以得出结论：弹性力学中的平衡微分方程适用于任意的应力分布形式.【2-5】在导出平面问题的三套根本方程时,分别应用了哪些根本假定？这些方程的适用条件是什么？【解答】1在导出平面问题的平衡微分方程和几何方程时应用的根本假设是：物体的连续性和小变形假定,这两个条件同时也是这两套方程的适用条件.2在导出平面问题的物理方程时应用的根本假定是：连续性,完全弹性,均匀性和各向同性假 定,即理想弹性体假定.同样,

14、理想弹性体的四个假定也是物理方程的使用条件.【思考题】平面问题的三套根本方程推导过程中都用到了哪个假定？【2-6】在工地上技术人员发现,当直径和厚度相同的情况下,在自重作用下的钢圆环接近平面应力问题总比钢圆筒接近平面应变问题的变形大.试根据相应的物理方程来解释这种现象.【解答】体力相同情况下,两类平面问题的平衡微分方程完全相同,故所求的应力分量相同.由物理方程可以看出,两类平面问题的物理方程主要的区别在于方程中含弹性常数的系数.由于E为GPa级别的量,而泊松比 卩取值一般在0, 0.5,故主要限制参数为含有弹性模量的系数项,比 较两类平面问题的系数项,不难看出平面应力问题的系数1/E要大于平面

15、应变问题的系数1 - .|2 /E.因此,平面应力问题情况下应变要大,故钢圆环变形大.【2-7】在常体力,全部为应力边界条件和单连体的条件下,对于不同材料的问题和两类平面问题的应力分量 二X,二y和xy均相同.试问其余的应力,应变和位移是否相同？【解答】1应力分量：两类平面问题的应力分量-x,丁 y和x均相同,但平面应力问题二z = TZ二XZ =0,而平面应变问题的力=yz =0,；z二x -r：y .2应变分量：应力分量求应变分量需要应用物理方程,而两类平面问题的物理方程不相同,故应变分量 xz = yz = 0, xy相同,而；x,；z不相同.3位移分量：由于位移分量要靠应变分量积分来求

16、解,故位移分量对于两类平面问题也不同.【2-8】在图2-16中,试导出无面力作用时 之间的关系式【解答】由题可得：l 二 cos-：, m 二 cos ： -90 二sin ：fx AB - 0, fy AB - 0将以上条件代入公式2-15 ,得：-x ABCOS：yx AB Sin -0,- y ABSin：( xy)AB co-0“2-(J)AB r-'-yx AB tan:一二y ab tan :标准文档【2-9】试列出图2-17,图2-18所示问题的全部边界条件.在其端部小边界上,应用圣维南原 理列出三个积分的应力边界条件.=0h11 pg.b.h2*(d»b)V图

17、 2-17q图 2-18、=1实用大全【分析】有约束的边界上可考虑采用位移边界条件,假设为小边界也可写成圣维南原理的三个积 分形式,大边界上应精确满足公式2-15 .【解答】图2-17 :上y=0左(x=0)右x=bl0-11m-100fx s08 y h'g y h1fy ss00代入公式2-15 得 在主要边界上x=0, x=b上精确满足应力边界条件:-x x£ j'g(y0),xy xz0 =°；一P(y h), xy x/0； 在小边界y =o上,能精确满足以下应力边界条件:Cy£ jgh, xy y訂0 在小边界y二h2上,能精确满足以下

18、位移边界条件:U y 遇=0, V 沦=0这两个位移边界条件可以应用圣维南原理,改用三个积分的应力边界条件来代替,当板厚 时,可求得固定端约束反力分别为：Fs =0侃 jghQM =0由于y - h2为正面,故应力分量与面力分量同号,那么有:标准文档十b0(6 心2 dx = Pghibb“ JoOhxdx"b丄® LdX"图2-18上下主要边界 y=-h/2 , y=h/2上,应精确满足公式(2-15 )lmfx (s)三(s)hr0-10qh y =一201-q10C-y)y=h/2 = q,(yx)yz；h/2=0,(:-y)y/2=0,(yx)yzh/2=

19、qi在x=0的小边界上,应用圣维南原理,列出三个积分的应力边界条件：负面上应力与面力符号相反,有'h/2仁/2(Jy)xTdx = -Fsh/2“ f_h/2rx)0d -FNh/2匚/耳人士 ydx=M在x=l的小边界上,可应用位移边界条件 ux=( = 0,Vx斗=0这两个位移边界条件也可改用三个 积分的应力边界条件来代替.l:首先,求固定端约束反力,按面力正方向假设画反力,如下图,列平衡方程求反力：'Fx= 0, FnFn=ql =Fn二ql- Fn' Fy =0,FsFs ql =0二 FS-ql-FS' Ma =0,M M ' FSl 丄ql2

20、 -丄5巾=0二 M =他M FSl -吐 2 2 2 2由于x=l为正面,应力分量与面力分量同号,故h/2L2 (口x)x=tdy = Fn =q* _Fnh/2< 匸：®x)x±ydyM=qh-M -FsI-普h/2*./2( xy)x=tdy 二Fs 二-ql -Fs【2-10】试应用圣维南原理,列出图 2-19所示的两个问题中 0A边上的三个积分的应力边界条件,并比拟两者的面力是否是是 静力等效？【解答】由于h LI I,0A为小边界,故其上可用圣维南原理, 写出三个积分的应力边界条件：a上端面0A面上面力fx =0 f-q 'bolqx.尹 xAbh

21、hAb/2 b/2* 匚qb卜N p2M览12y(h»b,6=1),ya图 2-19b心dx_fydX 二b x , qdx - 0 bqb2by£Xdxob xfyxdx(bx<2dxqb212 对oa中点取矩y"0由于OA面为负面,故应力主矢、主矩与面力主矢、主矩符号 相反,有实用大全b应用圣维南原理,负面上的应力主矢和主矩与面力主矢和主矩符号相反,面力主矢y向为正,主矩为负,那么)dx =Fn -b"y:Uxdx一 IVI 一b)dx =：0b212qb2qb综上所述,在小边界 效的.OA上,两个问题的三个积分的应力边界条件相同,故这两个问题

22、是静力等【2-11】检验平面问题中的位移分量是否为正确解答的条件是什么？【解答】1在区域内用位移表示的平衡微分方程式2-18 ;2在S；上用位移表示的应力边界条件式2-19 ;3在Su上的位移边界条件式2-14 ;对于平面应变问题,需将 E 口作相应的变换.【分析】此问题同时也是按位移求解平面应力问题时,位移分量必须满足的条件.【2-12】检验平面问题中的应力分量是否为正确解答的条件是什么？【解答】1在区域A内的平衡微分方程式2-2 ;2在区域A内用应力表示的相容方程式2-21 或2-22 ；3在边界上的应力边界条件式2-15 ,其中假设只求解全部为应力边界条件的问题;4对于多连体,还需满足位

23、移单值条件.【分析】此问题同时也是按应力求解平面问题时,应力分量必须满足的条件.【补题】检验平面问题中的应变分量是否为正确解答的条件是什么？【解答】用应变表示的相容方程式2-20 【2-13】检验平面问题中的应力函数是否为正确解答的条件是什么？【解答】1在区域A内用应力函数表示的相容方程式2-25 ；2在边界S上的应力边界条件式2-15 ,假设全部为应力边界条件；3假设为多连体,还需满足位移单值条件.【分析】此问题同时也是求解应力函数的条件.【2-14】检验以下应力分量是否是图示问题的解答：q a a qxX -'h/2Oh/2I图 2-20图 2-212a图 2-20,sx = -y

24、2q,二 y = xy = 0.b【解答】在单连体中检验应力分量是否是图示问题的解答,必须满足：1平衡微分方程2-2；2用应力表示的相容方程2-21 ； 3应力边界条件2-15 .1将应力分量代入平衡微分方程式,且fx二fy = 0-：x 釣-y0显然满足2将应力分量代入用应力表示的相容方程式2-21 ,有< -.2-2、等式左=TTT2x 2y=聲式0=右O 列丿b2应力分量不满足相容方程.因此,该组应力分量不是图示问题的解答.b图2-21,由材料力学公式,J =M y, xy=FsS 取梁的厚度b=1,得出所示问题的Ibl3解答啼xy2-1二h2-4y2.又根据平衡微分方程和边界条件

25、得出：3q xyy2 lh3c xy-2q 3lh3芥.试导出上述公式,并检验解答的正确性.4 lh【解答】1推导公式在分布荷载作用下,h 3的惯性矩I12应用截面法可求出任意截面的弯矩方程和剪力方程2qx.M(xr 诗 xL 2|梁发生弯曲形变,梁横截面是宽度为1,高为h的矩形,其对中性轴Z轴所以截面内任意点的正应力和切应力分别为:xy二 3Fs x一 2bh得:根据平衡微分方程第二式M xCT =x I3c x y y = -2q3 lh34y_3q体力不计.根据边界条件；yy抑2将应力分量代入平衡微分方程2-2 第一式：第二式2x h2 /3 h4 lhCT亠=0x3lh32 2x yx

26、 y左-6q.孑 6q 30 =右lh3lh3自然满足将应力分量代入相容方程2-23-4y2.满足f-2-.2 、&C+ 1馭 创丿J八12q誥_12q泽右应力分量不满足相容方程.故,该分量组分量不是图示问题的解答.【2-15】试证实：在发生最大与最小切应力的面上,正应力的数值都等于两个主应力的平均值.【解答】1确定最大最小切应力发生位置22任意斜面上的切应力为 =lm匕-5,用关系式I m =1消去m得-_I2 一 I4 匚2 -门 =1/ 4 - 1/2 -12 r 2 -1由上式可见当丄_丨2=0时,2时,-n为最大或最小,即丨=为n max =mi n因此,切应力的最大,最小值

27、发生在与x轴及y轴即应力主向成 45°的斜面上.CT1,得 a 1 = arctanxy:1二1100 50=arcta n阳+10励晋0150 -10010,50=35 16'2求最大,最小切应力作用面上,正应力匚n的值任一斜面上的正应力为最大、最小切应力作用面上丨=1/2,带入上式,得11-n1 -二2 二 21 二222证毕.【2-16】设已求得一点处的应力分量,试求,；2,1(aKx =100, J =50, xy =1050; (b)J = 200 = 0, xy =400;(c)6 - -2OO0"1OOQ xy - -400; (d)j - -1000

28、；y - -1500, xy =500.【解答】由公式2-6a. -a+ t2 及 tan僅 1 =-xy以Xxy标准文档(b)6200+.+200 02512-400-312：1= arctan51220°"rctan -0.7837 57' -400(c)-2000 1000.I122000+1000)2-400-2052(d)丄 1052 + 2000 =arcta n-400=arctan -7.38 = -82 32'If1000+ 15005002-691-1809"rctan11000 询如0.618=31 43'500【2-

29、17】设有任意形状的等候厚度薄板,体力可以不计,在全部边界上包括孔口边界上 受有均匀压力q.试证Sx = Sy = -q及 xy = 0 能满足平衡微分方程、相容方程和应力边界条件,也能满足位移单值条件,因而就是正确的解答.【解答】1将应力分量二x= -q,xy = °,和体力分量fx =fy =0分别带入平衡微分方程、相容方程'、2 : u 1=0yf(a)(b)显然满足a b2对于微小的三角板 A, dx, dy都为正值,斜边上的方向余弦I = cos n,x , m = cos n, y ,将二x KI二7,xy ",代入平面问题的应力边界条件的表达式2-15

30、,且fx 二-qcos n, x , fy 二 qcos n, y,那么有-xcos n ,x 一 -qcos n,x,二 ycos n, y 一 -qcos n,y所以二x _ _q, ；y _ -q.对于单连体,上述条件就是确定应力的全部条件.3对于多连体,应校核位移单值条件是否满足.该题为平面应力情况,首先,将应力分量代入物理方程2-12 ,得形变分量,忖"j)q, xy =0(d)将d式中形变分量代入几何方程2-8 ,得孔竿( e).x E:-yE :x:-y前两式积分得到x实用大全u=Lqx fi(y),v=qy(x)(f)其中fi y , f2 x分别任意的待定函数,可以

31、通过几何方程的第三式求出,将式f代入式e 的第三式,得dfiy _ df2xdy dx等式左边只是y的函数,而等式右边只是x的函数.因此,只可能两边都等于同一个常数于是有dfi(y)呷 df2(x)dydx积分后得 f,- y u0, f2 x - x v0代入式f得位移分量L -1)E(7)EUo(g)qy x v0其中U0,V0,为表示刚体位移量的常数,需由约束条件求得从式g可见,位移是坐标的单值连续函数,满足位移单值条件.因而,应力分量是正确的解 答.【2-18】设有矩形截面的悬臂梁,在自由端受有集中荷载F 图2-22 ,体力可以不计.试根据材料力学公式,写出弯应力二y =0,然后证实这

32、些表达式满足平衡微分方程和相容方程,再说明这些表达式是否就表示正确的解答.【解答】1矩形悬臂梁发生弯曲变形,任意横截面上 的弯矩方程 M x二-Fx,横截面对中性轴的惯性矩为3lz =h /12,根据材料力学公式h/2 O1h/2|F丄rn!1标准文档实用大全弯应力；xM (x)12FIzh3xy ；该截面上的剪力为 Fs x二-F,剪应力为-xyFs(x)S*biz丁 丄 yy1h3/122' |L 26F'h22取挤压应力；_ = 02将应力分量代入平衡微分方程检验第一式：,12F12F小亠左2 y3y=0 =右hh第二式：左=0+0=0=右该应力分量满足平衡微分方程.3将

33、应力分量代入应力表示的相容方程满足相容方程左二'2 二X、y = 0 =右4考察边界条件h/2./2(x)x=0 dy=0 = x向面力主矢在主要边界y = h/2上,应精确满足应力边界条件2-15lmfxfyh .y2上0-100y上2代入公式2-15,得0100J y y =h/2 = 0,. xyy =_h/2 -=0;二y ym/2 =°, yx0y知2在次要边界x=0上,列出三个积分的应力边界条件,代入应力分量主矢主矩h/2、*出ydy =0 =面力主矩h/27/2(-xy)x=0h/23 S/2|-6-( - y2)d - F = y向面力主矢】h 4一按正方向假

34、设,即面力的主矢、满足应力边界条件在次要边界上,首先求出固定边面力约束反力,主矩,Fn =0,Fs-F,M-Fl其次,将应力分量代入应力主矢、主矩表达式,判断是否与面力主矢与主矩等效:h/2h/2 12F/2(二人盘丫 =-/2有如丫 =0 =Fnh/2h/2 12F2jOxydy 二一/2iy dy =mh/2/2"xdy 二一仁 h3h/2 6F 'h22 Y 匚-y dy = _F <4 丿满足应力边界条件,因此,它们是该问题的正确解答.【2-19】试证实,如果体力虽然不是常量,但却是有势的力,即体力分量可以表示为X 二一；x中其中是势函数,那么应力分量亦可用应力

35、函数表示成为.x-2J,试导出相应的相容方程.x _y【解答】1将fx,fy带入平衡微分方程2-2.xfy=°Yx；：yx-V+二 0: x；x汐=0:x(a)将a式变换为-V)y(b)yCTxy-V)为了满足式b,可以取F c2即二x ' r Vy不 V, xy :'oyex(xcy2对体力、应力分量fx,fy,；x,二y求偏导数,得：fx；：2V：fy；：2V:xa 2 , exr 2c2XJ：.Ic2X:4.<2、zf 2 exc 22_yr 2 ex, -2：ya 4：yc 2-yd y-；：2Vy 宀:24:、2 ,-2 一f 2 f 2f 2Q<

36、;exQ<x :yy(c)将c式代入公式2-21 得平面应力情况下应力函数表示的相容方程2efxcfyW2Tx+by=1+AC 2-21将c式代入公式2-22 或将d式中的替换为,的平面应变情况下的相容方程:1 - J云 c2V h才V c2V 淨 汽简222 +2+4+2+4+2 +22 +2(1+L)2 + 2excy次cycyexex<xcycypxdy 丿整理得：444Ec云.<c2V二T 十 2+y=-(1-A).2 +7(d)dxex cycyI ex即平面应力问题中的相容方程为(e)84丄c应丄41 2卩金2V丄C2V小4厶一J“门匚2、2dxex cy cy1

37、-卩1欣 cy即 '、- -12V .1 -卩证毕.第三章平面问题的直角坐标解答【3-1】为什么在主要边界大边界上必须满足精确的应力边界条件式2-15 ,而在小边界上可以应用圣维南原理, 用三个积分的应力边界条件即主矢量、主矩的条件来代替？如果在主要边界上用三个积分的应力边界条件代替式2-15,将会发生什么问题？【解答】弹性力学问题属于数学物理方程中的边值问题,而要使边界条件完全得到满足,往往比拟困难.这时,圣维南原理可为简化局部边界上的应力边界条件提供很大的方便.将物体一小局部边界上的面力换成分布不同,但静力等效的面力主矢、主矩均相同,只影响近处的应力分布, 对远处的应力影响可以忽略

38、不计.如果在占边界绝大局部的主要边界上用三个积分的应力边界条件来代替精确的应力边界条件公式2-15,就会影响大局部区域的应力分布,会使问题的解答精度缺乏.【3-2】如果在某一应力边界问题中,除了一个小边界条件,平衡微分方程和其它的应 力边界条件都已满足, 试证：在最后的这个小边界上,三个积分的应力边界条件必然是自然满足的,固而可以不必校核.【解答】区域内的每一微小单元均满足平衡条件,应力边界条件实质上是边界上微分体的平衡条件,即外力面力与内力应力的平衡条件.研究对象整体的外力是满足平衡 条件的,其它应力边界条件也都满足,那么在最后的这个次要边界上,三个积分的应力边界条件是自然满足的,因而可以不

39、必校核.【3-3】如果某一应力边界问题中有m个主要边界和n个小边界,试问在主要边界和小边界上各应满足什么类型的应力边界条件,各有几个条件？【解答】在m个主要边界上,每个边界应有 2个精确的应力边界条件,公式2-15, 共2m个；在n个次要边界上,如果能满足精确应力边界条件, 那么有2n个；如果不能满足公 式2-15的精确应力边界条件, 那么可以用三个静力等效的积分边界条件来代替 2个精确应 力边界条件,共3n个.【3-4】试考察应力函数 G二ay3在图3-8所示的矩形板°x 和坐标系中能解决什么问题体力不计?htK.l【解答】相容条件：y 图3-8 不管系数a取何值,应力函数 G -

40、ay3总能满足应力函数表示的相容方程,式2-25.求应力分量当体力不计时,将应力函数门代入公式2-24,得:X 二 6ay, ；y = 0, xy 二 yx = °标准文档考察边界条件上下边界上应力分量均为零,故上下边界上无面力左右边界上；当a>0时,考察二分布情况,注意到.xy = 0,故y向无面力左端：fx4crx)xd =6ay(0 兰 y 兰h) fy =(隔 匕=0右端：艮二x心=6ay0乞y h乙=旳人土=0应力分布如下图,当I? h时应用圣维南原理可以将分布的面力,等效为主矢,主矩fx主矢的中央在矩下边界位置.即此题情况下,可解决各种偏心拉伸问题.偏心距e:由于在

41、A点的应力为零.设板宽为b,集中荷 载p的偏心距e:£1-PLHP；xAP pe2bh bh /6同理可知,当a<0时,可以解决偏心压缩问题.【3-5】取满足相容方程的应力函数为：门=ax2y,门=bxy2,门=cxy3,试求出应力分量不计体力,画出图3-9所示弹性体边界上 的面力分布,并在小边界上表示出面力的主矢量 和主矩.Lh/2h/2IlO(l? h)图3-9【解答】1由应力函数门二ax2y,得应力分量表达式匚x =0,；y =2ay, xy = yx 一 -2axRx +myxs = fxs 考察边界条件,由公式2-15.my Wxys = fys 主要边界,上边界 y

42、 = - h上,面力为2hhfxy 二 一；=2axfyy=ah22 主要边界,下边界 y二-,面力为h、fxr亠,次要边界,左边界 x=0上,面力的主矢,主矩为x向主矢:Fxh/2二一 i/2 二xhdy =0y向主矢:Fyh/2二-/2 xykdy =0主矩：Mh/2/2 二 xx 卫 ydy = O次要边界,右边界x=l上,面力的主矢,主矩为x向主矢:Fxh/2./2 J x x4dy = 0y向主矢:Fyh/2h/2/2 xyd"/2-2aldy2alh主矩：Mh/2二/2xxzLydy = 0xOy实用大全弹性体边界上面力分布及次要边界面上面力的主矢,主矩如下图:=bxy2

43、将应力函数代入公式2-24,得应力分量表达式= 2bx, - y = 0, xy = yx - -2by考察应力边界条件,主要边界,由公式2-15 得在"匚主要边界,上边界上,面力为-h-hfx y = -=2bh, fy y12二 0在y二一,下边界上,面力为2yy 2二-bh, f 一 =02在次要边界上,求得：分布面力可按2-15计算,面里的主矢、主矩可通过三个积分边界条件在左边界x=0,面力分布为fx x = 0 = 0, fy x=0 = 2by 面力的主矢、主矩为一x 向主矢：FxJ x/y =02hhy 向主矢：Fy 一xy x/y 一-2byxTdy = 02 2h/

44、2主矩；m =二xx£ydy =0在右边界x=l上,面力分布为fx I x = l = 2bl, fy x = I - -2by面力的主矢、主矩为h/2h/2x 向主矢：Fx=/2 r x丄 dy =/22b|dy =2b|hh/2h/2y 向主矢：Fy2 xy x丄 dy =/2 2by d"0h/2h/2主矩：M -/2 二 x土 ydy =/22biydy =0弹性体边界上的面力分布及在次要上面力的主矢和主矩如下图3：=cxy3将应力函数代入公式2-24 ,得应力分量表达式2 J X 二 6cxy, J y 二0, xy 二 yx 二 _3cy考察应力边界条件,在主要

45、边界上应精确满足式2-15 上边界"冷上面力为i3.2- 下边界y=-上,面力为2' h |32 T2丁h,fy次要边界上,分布面力可按2-15 计算,面力的主矢、主矩可通过三个积分边界求得: 左边界x=0上,面力分布为fx x =0 二 0, fy x =0 =3cy2面力的主矢、主矩为亠、一h/2x向王矢：Fx h/2Jxz0dy=°h/2h/2213y向王矢：Fyh/2 xyx/yh/2 -3cy dy=；ch、h/2主矩：M =-匸/2玉匕ydy =0右边界X =1上,面力分布为2fx X=l i=6cly, fy x=l - -3cy面力的主矢、主矩为x向

46、主矢h/2Fx'"h/2-X X丄 d八/26c|ydy =0主矩：h/2h/2213M =/2x土 ydy-d/cfdy dh3y向主矢：Fy弹性体边界上的面力分布及在次要边界上面力的主矢和主矩,如下图【3-6】试考察应力函数：xy3h2 -4y2,2h3能满足相容方程,并求出应力分量不计体力,画出图3-9所示矩形体边界上的面力分布在小边界上画出面 力的主矢量和主矩,指出该应力函数能解决的问题.【解答】1将应力函数代入相容方程2-25:h/2h/2O.ly图3-9(l? h)2：.x :y-4y显然满足h/2h/2213/2 r x士 dy =/2 3cy d-ch2将代入

47、式2-24,得应力分量表达式12Fxy _3 ,；- y = 0, xy = yxh3由边界形状及应力分量反推边界上的面力：在主要边界上上下边界上, y,应精确满足应力边界条件式2-15,应2力"Jy0, ： &yx0* y =dh/2小 yx,y/2因此,在主要边界上,无任何面力,即y在x=0, x=l的次要边界上,面力分别为:X =0： fx =0, fy12Fly -3, f yh3F因此,各边界上的面力分布如下图:4y22h J h在x=0,x=0上x=l上x向主矢:Fniy向主矢:主矩：MFsi =h/21 =h/2fxdy=0,_b/2 xh/2fydy =F,-

48、_h/2-h/2fxydy =0,FN2FS2m2h/2f xdy = 0_h/2 xh/2 f fydy = F-Jn/2 yh/2fxydy - -Fl因此,可以画出主要边界上的面力,和次要边界上面力的主矢与主矩,如图:F作用的问题.(a)(b)因此,该应力函数可解决悬臂梁在自由端受集中力标准文档x3"-7】试唤=号-4扫3訂1誥3牢十能满足相容方程,并考察它在h/2h/2lO(I? h)【解答】 将应力函数代入式2-25 图3-9所示矩形板和坐标系中能解决什么问题设 矩形板的长度为I,深度为h,体力不计.实用大全=0,x门24qy寸一 h3,4 .2血；:x2 ：y2h3-24qy图3-9代入2-25,可知应力函数 满足相容方程.2将応代入公式2-24,求应力分量表达式6qx2y 4q£ 3qy h3 h3 5h-fyy-1)226qx(h u3 (