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材料弹性概述/应力介绍

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我们将从建立描述应力 和应变 之间关系的本构方程开始。这是连续介质力学中专注于纯弹性区的子集,特别是将重点放在线性弹性上,其中胡克定律成立。

图 1: (a) 作用于物体的外部力 将在内部传递。物体上想象的切片上的一个点将受到表面力的作用。(b) 作用在这个切片上的力可以投影到作用在面积 上的正向或切向分量。

应力和应变的概念起源于考虑作用于物体上的力和物体的位移。从力开始,可以施加两种类型的力。首先是表面力,它可以是点力,也可以是作用在表面上的分布力。其次是体力,它作用于物体的每个元素,而不仅仅是表面(例如,重力、电场等)。

所关注的物体受到许多力的作用,这些力通过材料传递。在物体内部的任何一点,您可以想象将其切开以观察想象的切割表面上的力,如图 1 所示。这些力是切割面两侧的材料之间的相互作用。我们将物体中某点的应力定义为作用在该想象切割表面的力。

图 2: 一个具有应力的无穷小长方体材料,根据 坐标系定义。

您还记得,应力被定义为力除以作用力的面积。力 是一个矢量量,允许将分量投影到法线和切向方向。如图 1 所示,法向分量根据角度 定义,产生法向应力 。力的切向分量 可以进一步投影到图 1 中标识为 的两个正交方向,产生两个正交剪切应力。这是根据角度 执行的,得到

这里需要注意的是,我们定义的坐标系使得 方向是垂直于切割表面的方向。使用 而不是 很方便,因为它允许我们将索引传递给应力和应变量。在这个例子中,法向应力由 给出,以指定法向应力施加到法线在 方向的表面上,并在 方向上投射一个力。切向分量 指定法线为 的表面,力分别在 方向上投影。切割一个无穷小的长方体,应力在所有三个方向上定义,如图2所示。为了比较,一些教科书中使用的符号将写法向应力为 ,而在这里我们将使用 。这些教科书还使用 表示剪切应力,例如 ,而在这里我们将使用 。这使得应力状态可以简洁地用矩阵(张量)形式表示

图 1 中通过物体上某点切出的想象切片可以是任何平面,但作用力保持不变。这会导致表面法线的定义改变,并可能导致应力表达式发生变化。应力的物理存在不会改变,但描述方式会改变,即坐标系会发生改变。本节的其余部分将重点介绍应力坐标变换的表达和分析。

平面应力

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我们将从简化正在处理的图景开始。平面应力条件存在于薄的二维物体中,例如一张纸,该物体在平面外没有应力。这使我们能够写成 . 此外,在 方向上没有剪切力,因此 。对于处于平面应力条件下的物体,我们的目标是确定任何轴方向下某点的应力状态。

图 3(a) 平面应力条件下定义的面积 ,其中面积的法线为 ,从 旋转了 。A 在 方向上的投影如图所示。(b) 图中显示了作用在该面积上的总应力的分量。

对于该物体,零力方向为 方向,即纸面向外方向,非零应力状态在 方向,其分量为

想象一个新的区域,它定义在一个绕 轴旋转的平面上,其法线方向定义为 ,它与 的夹角为 ,如图 3 所示。

作用在该区域上的力的分量由原始应力作用在新区域的投影面上确定。

          [1 & 2]

其中元素 是 A 在原始方向上的投影,如图 3 (a)所示,以及 方向上的总应力,其中 。然后,除以 A 得

          [3 & 4]

图 3 (b)所示的总应力投影到 坐标中的法线方向,得到

          [5]

类似地,我们将切线投影到平面并得到

          [6]

得到

          [7]

          [8]
图 4: 一个新的区域,它相对于图 3中所示的原始区域旋转了

已知 ,因此只需要确定 。为此,我们定义了一个新的区域,该区域相对于我们原始平面旋转了 /2,如图 4 所示。在这个新的方向上,

          [9]

          [10]

将总应力投影到法线方向得到

          [11]

公式910代入公式11中的,得到

          [12]

众所周知的三角恒等式

分别应用于公式7812中的,得到:

          [13]
          [14]

          [15]

主应力

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从这个推导中可以得到许多直接结果,从这些结果中我们可以获得更深入的见解。从 的方程得到的其中一个结果是 ,对于所有 。这意味着应力张量 的迹是不变的。

第二个结果是,最大法向应力和剪切应力以周期为 的正弦波变化。在这个振荡中,法向应力和剪切应力相移,导致 (1) 最大和最小法向应力在剪切为零时发生,(2) 最大和最小剪切应力相移 /4,(3) 最大和最小法向应力相移 /2,(4) 最大和最小剪切应力相移 /4,从最小和最大法向应力。

任何应力状态都可以旋转,以产生。这使得应力张量对角化,并给出极端的法向应力。在这种方向下,平面称为主平面,法向应力称为主应力。产生这些主应力的方向称为主轴。按照惯例,我们将第一个主应力定义为为最大值,依次递减的主应力为,虽然在这里我们只限制在二维平面应力,并且只枚举

我们知道在主方向上,这意味着我们可以使用方程式8来表示来确定旋转张量(它是主张量)所需的角(),

得到

          [16]

如图 5 所示,通过绘制 的图形,我们可以观察到相邻根之间相隔 /2。此外,我们现在可以使用勾股定理来求解主应力。

图 5: 根的图形演示,它们之间相隔

对于一个简单的直角三角形,斜边为 ,两条直角边分别为 ,我们知道

这可以与勾股定理 和 **公式 16** 组合起来

这些可以进一步组合,得到

          [17]

          [18]

这些方程式告诉我们,对于给定的应力状态,,需要进行怎样的旋转才能使与主轴对齐。

将这些方程式代入公式13中的,可以确定主应力。