第四版弹性力学第一章绪论201209徐芝纶

1、 连续介质力学 地震科学系地震科学系：盛书中 E-mail: sszcea-连续介质力学？ 连续介质力学连续介质力学研究物体的宏观力学行为。连续介质和质点、刚体一样，都是一种理论模型。连续介质模型认为物质连续地分布在它所占有的容积之内；这是运用数学分析工具统一研究固体、液体、气体的力学行为的基础。连续介质的质点表示一个物质微团，它的尺度和所研究问题的宏观尺度相比是充分地小，小到在此微团内，每种物理量都可看成是均匀分布的常量，因而在数学上可以把此微团当作一个点来处理。另一方面，又要求此微团尺度和分子运动的尺度相比足够地大，大到微团中包括大量的分子，从而能对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的

2、物理量。为了运用数学分析工具，在连续介质力学中把材料当作连续的(或分段连续的)，除了在某些间断面上以外，各物理量存在所需要的各阶偏导数。董湘怀 吴树森 魏伯康等编.材料成形理论基础.化学工业出版社,2008.7. 连续介质力学连续介质力学描述现实世界的宏观力学现象，其最基本的假设是物质连续性假设。这种假设认为具有所研究的物质完全充满一定的物理空间，而与该空间相关的各种物理量，如密度、温度、应力应变、动量和能量等都是该空间的连续函数，可以应用数学分析的方法进行描述。例如，设有一定质量的物质充满一定的空间，P为该空间内的任意一点。取一系列包含P点的子空间Sn。，其体积Vn，质量为Mn，如果极限 存

3、在，则将其定义为P点处物质的质量密度。如果该空间内每一点都可以定义这样的密度，则称在该空间内质量是连续分布的。用同样的方法可以定义动量密度和能量密度等。所以，所谓连续介质就是指物质的质量密度、能量密度和动量密度等，从数学连续性的意义上是存在的。描述这种连续介质描述这种连续介质材料的力学关系，即作为受力或受热响应的运动及变形，称为连续介质力材料的力学关系，即作为受力或受热响应的运动及变形，称为连续介质力学学。多物理场耦合模型及数值模拟导论，孙培德，杨东全，陈奕柏著 0limnnVnMV 从微观角度看，物质并不是连续的，而是由分子、原子以及各种亚原子等粒子组成的离散系统，所以物质的质量等参数在物理

4、空间中其实是不连续的，这已为现代物理实验所证实。但是，只要极限 中的Vn包含足够多的质点在内，而不至于使上述极限值不存在或发生突变，这种模型就是可行的。现实世界中的大量问题都是满足这个要求的。例如水分子的直径大约10-10米，只要研究中所涉及的尺寸比这个值大几个数量级，例如10-8米，就可把水作为连续介质。所以连续介质理论所描述的所以连续介质理论所描述的各种物理现象是大量微观粒子所组成的集合体的一种统计平均效应，是各种物理现象是大量微观粒子所组成的集合体的一种统计平均效应，是将事实上离散的物质系统用统计平均的方法加以光滑化的结果将事实上离散的物质系统用统计平均的方法加以光滑化的结果。 这种连续

5、体假设为基础所得到的具体分析结果，最后还需要实验的检验。但需要指出的是，一百多年来的大量实验已充分证实，这一理论在相当广泛的范围内是充分正确的。多物理场耦合模型及数值模拟导论，孙培德，杨东全，陈奕柏著 0limnnVnMV 本课程主要介绍弹性力学理论，为后续课程（如：地震学，地形变观测等）打基础。 教材与教学参考书教材与教学参考书 教材： 徐芝纶: 2006. 弹性力学. 北京: 高等教育出版社 参考书： 弹性力学简明教程全程导学及习题全解(第3版).刘海英, 2007.中国时代经济出版社 钱伟长,叶开源，1956. 弹性力学. 北京: 科学出版社. 王龙甫，1978. 弹性理论. 北京: 科

6、学出版社. 尹祥础, 1985. 固体力学. 北京: 地震出版社 徐秉业主编, 1981. 弹性与塑性力学-例题与习题. 北京: 机械工业出版社第一节第一节 弹性力学的内容弹性力学的内容第二节第二节 弹性力学中的几个基本概念弹性力学中的几个基本概念第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定第一章 绪论弹性力学弹性力学研究弹性体由于受外力、边界约束或温度改变等原因而发生的应力、形变和位移。第一章第一章 绪绪 论论定义研究弹性体的力学 材料力学、结构力学、弹性力学。它们的研究对象分别如下：材料力学材料力学研究杆件（如梁、柱和轴） 的拉压、弯曲、剪切、扭转和组 合变形等问题。 弹性力学弹

7、性力学研究各种形状的弹性体，如杆 件、平面体、空间体、板壳、薄壁 结构等问题。 第一节第一节 弹性力学的内容弹性力学的内容 结构力学结构力学在材料力学基础上研究杆系结构 （如 桁架、刚架等）。研究对象 在研究方法上，弹力和材力也有区别： 弹力研究方法：在区域V内严格考虑静力学、几何学和物理学三方面条件，建立三套方程; 在边界s上考虑受力或约束条件，并在边界条件下求解上述方程，得出较精确的解答。第一节第一节 弹性力学的内容弹性力学的内容研究方法研究方法 材料力学也考虑这几方面的条件，但不是十分严格的：常常引用近似的计算假设（如平面截面假设）来简化问题，并在许多方面进行了近似的处理。第一节第一节

8、弹性力学的内容弹性力学的内容研究方法研究方法 因此材料力学建立的是近似理论，得出的是近似的解答。从其精度来看，材力解法只能适用于杆件形状的结构。 弹性力学是其他固体力学分支学科的基础。 弹性力学是工程结构分析的重要手段。尤其对于安全性和经济性要求很高的近代大型工程结构，须用弹力方法进行分析。第一节第一节 弹性力学的内容弹性力学的内容 弹性力学在力学学科和工程学科中,具有重要的地位：地位第一节第一节 弹性力学的内容弹性力学的内容学习弹力的目的：学习弹力的目的：学习目的（4 4）为进一步学习地震学、地球动力学、）为进一步学习地震学、地球动力学、重力与固体潮和他固体力学分支学科打下基重力与固体潮和他

9、固体力学分支学科打下基础。础。（3 3）能用弹力近似解法（变分法、差分法）能用弹力近似解法（变分法、差分法 和有限单元法）解决实际问题；和有限单元法）解决实际问题；（2 2）能阅读和应用弹力文献；）能阅读和应用弹力文献；（1 1）理解和掌握弹力的基本理论；）理解和掌握弹力的基本理论；思考题1. 弹性力学和材料力学相比，其研究对象有什么区别？2. 弹性力学和材料力学相比，其研究方 法有什么区别？ 外力外力其他物体对研究对象（弹性体）的 作用力。 第一章第一章 绪绪 论论外力（定义）作用于物体体积内的力。 （表示）以单位体积内所受的力的 量度，（量纲）.,zyxfff第二节弹性力学中的几个基本概念

10、第二节弹性力学中的几个基本概念 （符号） 坐标正向为正。.22TML体力体力哪些力属于体力？重力、惯性力、物体间的引力 （表示）以单位面积所受的力来量 度， 面力面力（定义）作用于物体表面上的力。.,zyxfff第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 （符号）坐标正向为正坐标正向为正 。（量纲）.21TMLyfxfyfxfxfyfyfxfx)(zOy例：表示出下图中正的面力和体力x)(zOy第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 从历史上看，正是由于研究一点的应力状态才引出了张量的概念，后来进而发展成为一门新的数学分支张量理论，并且在力学，尤其是在固

11、体力学中得到日益广泛的应用。 *力学所处理的物理量，与用以描述他们的坐标系无关。而这类物理量，若借助适当的坐标系进行描述，则表达起来往往是很方便的。在数学上，这样的量就用张量来表示。补充：张量的基本概念 张量张量的一个重要性质是它不依赖于具体的坐标系，因此是客观的。当然为了在数量上对张量进行表征和计算，常常需要选定作为参考的坐标系。在不同的坐标系下得到不同的分量值，不同坐标系下的分量之间具有确定的变换关系。 连续介质力学以及各物理学科研究的都是不依赖坐标系的物理量，因此自然要用张量这一数学工具。连续介质力学的运动规律都是用张量方程来表达的，它对各个坐标系都是成立的。张量理论的表述可有两种不同的

12、方式。第一种方式是完全不借助于坐标系，把张量整体作为研究的对象，对它进行运算。第二种方式是把张量看成是张量分量的集合，张量的运算就归结为张量分量的运算。两种方式各有其优点，第一种表述简单利落，第二种便于实际计算。 能在任意坐标系间变换的张量理论称为普遍张量理论；而只在笛卡儿坐标系间变换的张量理论称为笛卡儿张量理论(所谓笛卡儿坐标系指的就是右手旋转的直角坐标系)。笛卡儿张量理论远比普遍张量理论简单。董湘怀 吴树森 魏伯康等编.材料成形理论基础.化学工业出版社,2008.7.内力内力假想切开物体，假想切开物体，截面两边互相作用截面两边互相作用 的力（合力和合力矩的力（合力和合力矩)，称为内力。，称

13、为内力。第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 应力应力应力截面上某一点处，单位截面面积上的 内力值。xxxyy第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 xx（量纲）（表示） 面上沿 向正应力， 面上沿 向切应力。（符号）应力成对出现，坐标面上的应 力以正面正向，负面负向为正。.21TMLxxyxzyxyyzzxzyz( ,1, 2,3)iji jX面上的应力面上的应力y面上的应力面上的应力z面上的应力面上的应力沿着沿着x轴方向的作用力轴方向的作用力( ).nnTor T( )( )( ),xyzTTT( )xxxxyyxzzTeee( )yyxxyy

14、yzzTeee( )zzxxzyyzzTeee( )nT( )nT( )nT()nTS假想面的正负面上的假想面的正负面上的应力是什么关系？应力是什么关系？=yyxxyxyxxyxy)(zOxy例：正的应力第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 应力应力与与面力面力，在正面上，两者正方向一致， 在负面上，两者正方向相反。)(zOxyxfyfxyyfxfxxxy第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 )(zOxyxfyfxyyfxfxxxy弹力弹力与材力材力相比，正应力符号，相同 切应力符号，不同材力：以拉为正材力：以拉为正材力：顺时针向为正材力：顺时针

15、向为正xxxxyy)(zO第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 )(zO 由微分体的平衡条件 得： ,yxxy第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 0 在弹力中， 与 不仅数值相同，符号也相同。在材力中， 与 数值相同，符号相反。因此，弹力与材力中的符号规定不完全相同。yxxy yxxy 切应力互等定理切应力互等定理：），（简记为：321ji,jiij正应变 ，以伸长为正。形变形变 形状的改变。以通过一点的沿坐标 正向微分线段的正应变 和切应 变 来表示。切应变 , 以直角减小为正,用弧度表示。yx ,xy第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性

16、力学中的几个基本概念 形变xxyxzyxyyzzxzyz 正的正应力对应于正的线应变, 正的切应力对应于正的切应变。第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 o zyBCPAxxyyx位移位移 一点位置的移动，用 , 表示, 量纲为 L。以坐标正向为正。变形前 变形后uvyxp,.,vyuxp第二节弹性力学中的几个基本概念第二节弹性力学中的几个基本概念 位移 思考题1. 试画出正负 y 面上正的应力和正的面力 的方向。2. 在 的六面体上，试问x面和y面上切应力的合力是否相等？1ddyx 由微分体的平衡条件，建立平衡微分方程； 由应力与形变之间的物理关系, 建立物理方程；

17、弹力的研究方法，在体积弹力的研究方法，在体积V 内内： 由微分线段上形变与位移的几何关系， 建立几何方程；第一章第一章 绪绪 论论 研究方法研究方法在给定约束的边界 上， 建立位移边界条件。位移边界条件。 在给定面力的边界 上， 建立应力边界条件应力边界条件; ;sus第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 研究方法研究方法 在边界S面上: 然后在边界条件下求解上述方程，得出应力、形变和位移。 任何学科的研究，都要略去影响很小的次要因素，抓住主要因素 建立计算模型 归纳为学科的基本假定。第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 基本假定基本假定 为什么要提出基本假

18、定（1）连续性 假定物体是连续的。 各物理量可用连续函数表示。第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 材料性质假定材料性质假定 弹性力学中的五个基本假定弹性力学中的五个基本假定。 关于材料性质的假定材料性质的假定及其在建立弹力理论中的作用： （2）完全弹性 假定物体是,即应力与应变关系可用胡克定律表示（物理线性）。第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 材料性质假定材料性质假定 a.完全弹性外力取消，变形恢复，无 残余变形。b.线性弹性应力与应变成正比。（3）均匀性 假定物体由同种材料组成。 E、等与位置 无关。（4）各向同性 假定物体各向同性。E、等与方向无关

19、。符合（1）-（4）假定的称为理想弹性体。第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 材料性质假定材料性质假定 （3）,（4）E、等为常数),(zyx（5）小变形假定 假定位移和形变为很 小。. 1 , .b第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 变形状态假定变形状态假定 变形状态假定：变形状态假定：例：梁的 103 1, 1弧度（57.3）.a.位移物体尺寸, 例：梁的挠度v梁高h. a.简化平衡条件：考虑微分体的平衡条件时，可以用变形前的尺寸代替变形后的尺寸。 b.简化几何方程：在几何方程中，由于 可略去 等项,使几何方程成为线性方程。,),(),(),(32

20、第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 变形状态假定变形状态假定 2),(21cos1.12 31sin.3!31tan.3x2311.11xxxxx 弹力基本假定，确定了弹力的研究范围:第三节第三节 弹性力学中的基本假定弹性力学中的基本假定 变形状态假定变形状态假定 理想弹性体的小变形问题。理想弹性体的小变形问题。第一章第一章 绪绪 论论 ( (二二) )本章内容提要本章内容提要 1、弹性力学的内容弹性力学研究弹性体由于受外力作用、边界约束或温度改变等原因而发生的应力、形变和位移。 2、弹性力学中的几个基本物理量：体力体力分布在物体体积内的力、记号为 、 、 ，量纲为L-2M

21、T-2，以坐标 正向为正。xfyfzf第一章教学参考资料第一章教学参考资料面力面力 分布在物体表面上的力，记号为 。量纲为L-1MT-2 ，以坐 标正向为正。应力应力 单位截面面积上的内力，记号 ，量纲为L-1MT-2，以正 面正向为正，负面负向为正；反之 为负。xyx第一章教学参考资料第一章教学参考资料zyxfff,第一章教学参考资料第一章教学参考资料位移位移一点位置的移动，记号为 、， 量纲为L，以坐标正向为正。uwvxyyx ,第一章教学参考资料第一章教学参考资料 3 3、弹性力学中的基本假定、弹性力学中的基本假定 理想弹性体假定连续性，完全弹性，均匀性，各向同性。 小变形假定。 4 4

22、、弹性力学、弹性力学问题的问题的研究方法研究方法 已知：物体的边界形状，材料性质，体力,边界上的面力或约束。 求解：应力、形变和位移。第一章教学参考资料第一章教学参考资料 解法：在弹性体区域V 内， 根据微分体上力的平衡条件，建立平衡微分方程；根据微分线段上应变和位移的几何条件，建立几何方程；根据应力和应变之间的物理条件，建立物理方程。 在弹性体边界s上， 根据面力条件，建立应力边界条件， 根据约束条件，建立位移边界条件。 然后在边界条件下，求解区域内的微分方程，得出应力、形变和位移。第一章教学参考资料第一章教学参考资料 ( (三三) )弹力的发展简史弹力的发展简史 与其他任何学科一样，从这门

23、力学的发展史中，我们可以看出人们认识自然的不断深化的过程：从简单到复杂，从粗糙到精确，从错误到正确的演变历史。许多数学家、力学家和实验工作者做了幸勤的探索和研究工作，使弹性力学理论得以建立，并且不断地深化和发展。 第一章教学参考资料第一章教学参考资料 1、发展初期（约于16601820） 这段时期主要是通过实验探索了物体的受力与变形之间的关系。1678年，胡克通过实验，发现了弹性体的变形与受力之间成比例的规律。1807年，杨做了大量的实验，提出和测定了材料的弹性模量。伯努利（1705）和库仑（1776）研究了梁的弯曲理论。一些力学家开始了对杆件等的研究分析。 第一章教学参考资料第一章教学参考资

24、料 2、理论基础的建立（约于18211855）这段时间建立了线性弹性力学的基本理论，并对材料性质进行了深入的研究。纳维（1820）从分子结构理论出发，建立了各向同性弹性体的方程，但其中只含一个弹性常数。柯西（18201822）从连续统模型出发，建立了弹性力学的平衡（运动）微分方程、几何方程和各向同性的广义胡克定律。第一章教学参考资料第一章教学参考资料格林（1838）应用能量守衡定律，指出各向异性体只有21个独立的弹性常数。此后，汤姆逊由热力学定理证明了上述结果。同时拉梅等再次肯定了各向同性体只有两个独立的弹性常数。至此，弹性力学建立了完整的线性理论，弹性力学问题已经化为在给定边界条件下求解微分

25、方程的数学问题。 3、线性理论的发展时期（约于18541907）在这段时期，数学家和力学家应用已建立的线性弹性理论，去解决大量的工程实际问题，并由此推动了数学分析工作的进展。第一章教学参考资料第一章教学参考资料第一章教学参考资料第一章教学参考资料圣维南（18541856）发表了关于柱体扭转和弯曲的论文，并提出了圣维南原理。艾里（1862）提出了应力函数，以求解平面问题。赫兹（1882）求解了接触问题。克希霍夫（1850及以后）解决了平板的平衡和震动问题。还有，爱隆对薄壳作了一系列工作等等。弹性力学在这段时期得到了飞跃的发展。第一章教学参考资料第一章教学参考资料 4 4、弹性力学更深入的发展时期、弹性力学更深入的发展时期（1907-至今）1907年以后，非线性弹性力学迅速地发展起来。卡门（1907）提出了薄板的大挠度问题；卡门和钱学森提出了薄壳的非线性稳定问题；力学工作者还提出了大应变问题，非线性材料问题（如塑性力学等）等等。同时，线性线性弹性力学也得到进一步的发展弹性力学也得到进一步的发展，出现了许多分支学科，如薄壁构件力学、薄壳力学、热弹性力学、粘弹性力学、各向异性弹性力学等。第一章教学参考资料第一章教学参考资料 弹性力学的解法