固體力學概論07版

1、固體力學概論,(綜合基礎課)2007版,目錄,第一章 前言第二章 基本假設第三章 本構關系（物理方程）第四章 基本方程第五章 能量原理（包括變分原理）第六章 固體力學中的數(shù)值方法,第一章 前言,固體力學的定義固體力學的基本假設與主要研究內(nèi)容學科分支研究對象與任務發(fā)展史參考資料,1. 固體力學的定義,研究可變形固體在外界因素(載荷、溫度、濕度等內(nèi)部質(zhì)點的位移、運動, 固體的應變和破

2、壞規(guī)律的學科. 主要參書:《力學詞典》《大百科全書》 （1）固體力學與理論力學之區(qū)別：理論力學研究對象是質(zhì)點、質(zhì)點系與剛體，不考慮變形。固體力學研究可形變體。 （2）固體與流體的區(qū)別：流體是氣體和流體的總稱，具有易流性，不能承受剪應力，在無論多小的剪力作用下都會發(fā)生變形。水和空氣是常見的兩種流體。,2. 固體力學的內(nèi)容:,研究彈性、塑性、彈塑性問題以及流變性問題; 又分線性問題、非線性問題; 主要研究宏觀問題，

3、也有微觀問題和細觀問題(或稱介觀問題mesomechanics ); 研究的對象主要是均勻介質(zhì), 也研究非均勻介質(zhì)(如復合材料和裂紋體)，各向同性與各向異性介質(zhì); 此外研究各種可變形體的偶合問題:例如熱(濕)彈性問題、熱(濕)塑性問題、熱(濕)彈塑性問題、以及變形體的機~磁電偶合性能(壓電與壓磁性能)；現(xiàn)在電-磁彈性力學正快速發(fā)展.,3. 學科分支,材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、流變學，復合材料力學、斷裂力學(損傷力學)、結構

4、穩(wěn)定性、振動理論、粘彈(塑)性力學、沖擊力學、固體應力波問題、結構(彈~塑性)動力學; 以及許多交叉學科: 氣動彈性理論，生物固體力學、巖土力學、有限元(有限條、有限層、邊界元、離散元、無網(wǎng)格法等);斷裂力學(損傷力學)、復合材料力學、電-磁彈性力學，微尺度力學是發(fā)展中的新興學科。,4. 研究對象,研究各種工程結構：常見的如下結構元件（構件）: （1）桿、桿系、梁、柱，（長＞＞寬和高）（2）板(中厚板)、殼，（厚＜＜長與寬）

5、（3）三維體(空間結構如桁架與剛架)，（4）薄壁結構（飛機機翼與機身等），（5）以及它們的復合體.,5 研究方法（截面法）,截面法是處理固體力學問題的最基本的方法：通過外力（作用力與約束力）與內(nèi)力（應力）平衡求構件的響應（內(nèi)力），通過本構關系求變形（位移與應變），最重要的是材料力學中的平截面法，其中尤以梁的平截面假設最為重要。,截面法,截面法:固體力學問題的普適方法,步驟為： （1）取出構件,畫出所有外力(包括約

6、束反力); （2）用平面切開,并畫出內(nèi)力(廣義力), 若是動平衡需用達朗貝爾原理,化慣性力為作用力；外力與內(nèi)力平衡來求解內(nèi)應力;（3）解出內(nèi)力；算應力; （4）利用物理方程求變形; （ 5） 根據(jù)應力強度準則或變形失效準則進行強度校核; （6）進行優(yōu)化設計.,,,,,,,,,,,,外力,內(nèi)力,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)力,,,,6. 任務,固體力學的發(fā)展主要動力是社會實踐： 任務是

7、研究工程結構在服役條件下的安全性、可靠性; 就是強度問題(應力值不超過許用值) 、剛度問題(變形不太大)、穩(wěn)定性問題、振動問題. 工程結構包括: 飛機、火箭、船舶、車輛、橋梁、房屋、水壩、反應堆、坦克等等.,7. 發(fā)展史,固體力學是一門古老的學科,可追溯到17世紀伽利略Calileo(1564~1642)關于梁與水壩的工作,提出速度、加速度的概念.后來庫侖(C. A. Coulomb), 泊松(R. Poisson), 納維(C-L-M

8、-H. Navier), 圣文南(B. de Saint-Venant ) 哥西(A. L. Couchy), 虎克(Hooke)（胡克定律）等人作出很大貢獻. 伯努利(1654~1705)平截面假設, 歐勒(L. Euler)(1707~1783)壓桿穩(wěn)定的歐勒載荷; 鐵木生柯(Timoshenko)專著”Strength of Materials”, “Theory of Elasticity”、“Theory of Elast

9、ic Stability” 、“Theory of Plates and Shells”影響極大； 此外，俄國 符拉索夫(薄壁桿件理論)也作出重要貢獻。. 中國東漢(127~200) 玄提出鄭線性彈性關系; 宋代李誡《營造法式》；隋代李春（581~618）趙州橋等等，代表中國古代對固體力學的貢獻。,8. 參考資料,《中國大百科全書》，力學卷，1985，8?！读W詞典》，中國大百科全書出版社，1990。Encyclopedia o

10、f Science and Technology, McGraw-Hill, 1982Y. C. Fung, Foundation of Solid Mechanics, Prentice Hall, INC, 1965 E. P. Popov, Introduction to Mechanics of Solids, Prentice Hall, INC, 1968 中國自然科學基金，學科分類目錄及學科代碼，1994 (從這里

11、可看出現(xiàn)代固體力學的發(fā)展方向以及新的學科分類）。,9. 專有名詞的翻譯,材料力學：strength of materials, mechanics of materials彈性力學： theory of elasticity, elasticity, (elastic mechanics 錯誤);塑性力學：theory of plasticity, plasticity, (plastic mechanics 錯誤);介觀力學：

12、mesomechanics； 細觀力學，可是，在專著《Micromechanics of defects in solids 》, T Mura，“micromechanics” 可翻譯為細觀力學,不翻成微觀力學。5. 宏（微）觀力學；macromechanics, micromechanics 這里，英語書籍里“micromechanics”包含介觀尺度問題。6. 經(jīng)典力學：Classic me

13、chanics, （牛頓力學）7 理論力學：theoretical mechanics.,第二章. 基本假設：,基本假設： 連續(xù)性假設~~斷裂問題與界面問題； 均勻性假設~~復合材料。3. 小變形假設~~大變形（幾何非線性問題），線彈性假設~~物理與幾何非線性，5. 各向同性假設~~各向異性，6. 平截面假設：(對直桿拉伸、壓縮與梁彎曲等都適用,尤以梁彎曲的平截面假設意義最重要）。,材

14、料力學中關于平截面假設的應用,以下研究對象都可用平截面假設處理：拉伸：桿或棒 （拉伸強度問題）壓： 壓桿，柱（彈性穩(wěn)定性問題和強度問題）彎曲：梁 （彎曲撓度與應力）扭，扭轉：軸 （扭轉剪切變形與強度）壓彎聯(lián)合作用：梁柱（彎曲與穩(wěn)定性）；,1 平截面假設(在板殼力學中又稱直法線假設),平截面假設：初始與梁的中性軸垂直的平面,在變形后仍垂直于軸線, 并且在垂直軸線方向上無變形； 下面以梁為例,此假設大大簡化了問題

15、. 無窮自由度問題簡化為一個自由度問題,只有一個撓度函數(shù)是要求的.這樣，用彈性力學理論,有15個基本方程,15個基本未知量.根據(jù)平截面假設大大簡化：梁的撓度為 ， 梁的基本方程（控制方程）為：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,p,,① 梁的基本方程,根據(jù)平截面（直法線）假設導出梁的撓度方程：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,②板殼力學中的直法線假設,① 初始與板中性面(中面)垂直的(線段）法線,在

16、變形后仍垂直中面；② 垂直于中面的正應力遠小于平行于中面的應力分量（無法向應變）；③ 在發(fā)生彎曲變形時，板的中面無拉伸變形。①②為基爾霍夫假定（克?；舴蚣俣ǎ?。,③平截面假設的近似性,由懸臂梁問題可知,截面上最大剪應力在中面上,可見最大剪應變在中面上,所以剪切轉角在中面上有最大值;而在梁的上下表面剪應力(剪應變）為零.結論很明顯,橫截面不再是平的（發(fā)生翹曲）.當梁的高長比 時，平截面假定不再成立

17、，應該考慮橫向剪切。稱為Timoshenko梁理論，獨立未知變量增加一個，截面轉角。但是,當梁長/高比很大時,平截面所得結果符合工程要求。Timoshenko梁彎曲（非純彎）時，須考慮剪切效應，此時橫截面仍是平面，但不再垂直梁中面，與中面有一夾角 ?；疚粗孔?yōu)閮蓚€：,④梁的橫向剪切問題,剪切問題基本方程:應力~應變關系為：僅考慮剪切效應：變形前mn和 pq是直線并且平行，變形后二條線不再是直線，產(chǎn)生彎曲，就是產(chǎn)生截面翹曲；

18、工程上近似(平均意義)為:,⑤ 三點彎曲梁,三點彎曲梁第二項是剪切產(chǎn)生的撓度， 是截面系數(shù)，對于矩形截面，,⑥ 梁的橫向剪切角,梁的橫向剪切角如下圖所示： 剪切系數(shù) 對于矩形等3/2對于圓形截面等于4/3。,,,,,,,,,

19、,,,,,,,,,x,p,z,,⑦ 關于截面形狀系數(shù)的討論,剪切截面系數(shù)（又稱截面形狀系數(shù)）有如下幾種數(shù)值：① 相當于用中性軸處的最大剪切應變代表梁軸由于橫向剪切產(chǎn)生的傾角，是很粗燥的，它比平均剪應變大50%。②用能量原理（單位載荷法）推導了較精確的近似值， ③彈性力學的精確公式為： 當泊

20、松比 時，彈性力學精確解比簡單平均法所得結果大18%。,2 彈性桿的拉伸,單向拉伸(或壓縮):假設在拉伸變形時桿的截面保持平面，并且拉伸變形均勻；這個假定被試驗證明，非常接近真實；注意：桿受壓縮有穩(wěn)定性問題。 基本方程: 拉伸彈性剛度系數(shù)為:,,,,,,P,,,,,L,3 等截面

21、桿扭轉,以圓截面桿為例:圓截面桿在扭矩作用下各個截面保持平面并且變形均勻； 基本方程: 應力~應變關系:扭轉剛度系數(shù)為:,,,,,,,,,,,,第三章 本構關系,反映物質(zhì)宏觀性質(zhì)的數(shù)學模型（本構方程），例如胡克定律，牛頓粘性流體，理想氣體的克拉伯龍方程等服從三大公理：① 確定性公理：

22、質(zhì)點每一時刻的應力完全由組成物體的全部質(zhì)點的全部歷史唯一地決定；② 局部性作用公理：離開質(zhì)點X有限距離的其他質(zhì)點的運動與質(zhì)點X的應力無關；③ 客觀性公理：物質(zhì)性質(zhì)不隨觀察著的變化而改變；對于做剛性運動的參照系具有不變性。,第三章 本構方程（續(xù)）,1 線性應力~應變關系（線彈性） 胡克定律：單向拉伸，如彈簧等 廣義胡克定律：復雜應力狀態(tài)2 非線性應力應變關系：塑性材料3 現(xiàn)代塑性本構關系：含“內(nèi)變量”并與

23、熱相關4 粘彈性本構關系（流變學）：材料機械性能與時間相關 1978年全國力學大會規(guī)定材料本構關系為第一號任務,單軸拉伸試驗曲線,單軸拉伸試驗曲線（同樣可作扭轉與剪切試驗）,應力張量和應變張量,應力張量：任意質(zhì)點的應力有6個獨立分量，形成二階張量應變張量：任意質(zhì)點的應變有6個獨立分量，形成二階張量,Ⅰ 彈性本構關系：線彈性應力~應變關系,胡克定律：線彈性應力~應變關系，應力與應變成正比，比例常數(shù)為彈性常數(shù)（楊氏模

24、量）廣義胡克定律 可改寫為 其中 最一般的各向異性材料，36個常數(shù)中只有21個獨立。對于各類特殊情況，獨立材料常數(shù)不同。,,，,,,,2 三維各向同性材料物理方程：,以應變表示應力： 是體積應變。以應力表示應變：,,，,球應力張量。,,應力偏量。,拉梅常數(shù),拉梅常數(shù)

25、 分別是彈性模量，泊松比與剪切模量。,，,3 非各向同性,單斜體 材料有一個對稱面， 只有13個獨立常數(shù)；正交異性體 有2個相互垂直的對稱面， 9個獨立常數(shù)；橫觀各向同性體 垂直某一方向的各個平面都是各向同性面；只有5個獨立常數(shù)；各向同性體 兩個常數(shù)， ；或者 ； 或者

26、 后者又稱拉梅系數(shù)。 平面正交異性體 例如單向纖維復合材料薄板， 4個獨立常數(shù),,,,Ⅱ 塑性力學,基本實驗 應力~應變關系非線性塑性應變非恢復性，有殘余應變應力與應變非一一對應，與加載歷史有關塑性變形功產(chǎn)生熱；本構關系相當復雜。,,,,,,塑性應力~應變關系非線性的簡化,① ②

27、 ③ ④ ⑤①理想彈塑性； ②彈性線性硬化模型； ③ 理想剛塑性；④剛性線性硬化模型； ⑤ 密律硬化模型,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N=0,N=1,N=0.3,屈服準則：單向拉伸：,殘余應變大于 的應力為,復雜應力狀態(tài)特雷斯卡（Tresca）條件：,在 平面上是正六邊形。

28、米賽斯（Misses）條件：,在 平面上是圓。,應力強度,應力強度（又稱等效應力）：已知應力不變量的第二步變量為：,,,是八面體剪應力,形狀改變應變能。,應力強度為：,應變強度,用主應變表示：應變強度又稱有效應變。羅德參數(shù)： 應力的羅德參數(shù)： 應變羅德參數(shù)：,,,3. 塑性全量理論—塑性形變（或塑性變形）理論,在簡單加載（比例加載）條件下，對塑性變形的簡化;應力強度與應變強

29、度一一對應，若無卸載，與非線性彈性相同。Hencky relation:對于比例加載，塑性形變理論與流動理論結果相同。,,塑性增量理論—流動理論,流動理論（又稱增量理論）：當彈性應變比塑性應變很小時， 加載比與塑性功成比例。,,,,,Ⅲ 流變學（粘彈性力學）,定義：研究材料在外載、溫度、濕度等環(huán)境條件下與時間有關的變形和流動行為的規(guī)律的力學分支；粘彈性介質(zhì)具有固體與流體的雙重性質(zhì)。研究

30、內(nèi)容：蠕變：材料在恒應力作用下變形隨時間增大的過程稱為蠕變，是由分子或原子重新排列引起的。蠕變過程中材料的柔度（模量的倒數(shù)）逐漸增大。 以應力為輸入量而求應變響應者為蠕變。松弛：材料在固定變形下應力隨時間減小的過程稱為松弛。材料的模量（松弛模量）逐漸減小。 以應變?yōu)檩斎肓慷髴憫邽樗沙凇?1 流變體的幾種理想介質(zhì)：,（1）虎克固體：（2）粘性元件（粘壺）, 又稱牛頓流體或阻尼

31、器： 或 是粘性系數(shù)，單位是應力乘時間。（3）理想塑性體（圣文南體）：當 p＜F 時 當P＞F時，u 位移取決于其它條

32、件。,,,,,,,,,,,,,2 馬克斯威爾體,彈簧與粘壺串聯(lián)，控制方程：特性：①若應力是階躍函數(shù)應變在 t=0 時，應變發(fā)生突變；當 時， 表現(xiàn)為流動性質(zhì)。②若應變保持常數(shù)，應力趨于零， 為松弛時間。,，,,,,,,,,,,,3 開爾文體（Kelvin）或Voigt solid: 將粘壺與彈

33、簧并聯(lián)；控制方程：性能：施加 應變輸出：當 時， 其中， 是漸近彈性模量。突出缺點： 當 時，,,,,,,,,。,,,,,,,,,,,,,,,,4 標準固體（standard solid）:將彈簧與開爾文體串聯(lián)，構成標準線性固體， 由于當 時， 所以，它

34、最終具有固體性質(zhì)。四元件模型（四參量模型）：將開爾文體與馬克斯威爾體串聯(lián)，構成四參量模型。最終具有流體特性。廣義馬克斯威爾體, 將多個馬克斯威爾體并聯(lián)構成，最終具有流體特性。廣義固體模型：將開爾文體串聯(lián)構成，最終具有固體特性。,,,,,,,,,,,5 微分型本構關系,更普遍的線性粘彈性模型：以標準固體（standard solid）模型為例:將彈簧與開爾文體串聯(lián)，構成標準線性固體，本構方程的標準形式：,,，,,6

35、三維本構關系,三維本構關系： 分體量與偏量： 是微分算子，例如，有時，很多問題可假設體積應變的蠕變分量可忽略。,,,,,7 遺傳積分（蠕變型）,又稱記憶積分或卷積積分：疊加原理，Boltzmann superposition principle： 在

36、 作用下，應變服從疊加原理：當一系列應力增量 連續(xù)作用時，產(chǎn)生的應變 等于： 是蠕變?nèi)崃俊?,,,,8 松弛型遺傳積分,當一系列應變增量 連續(xù)作用時，產(chǎn)生的應力 等于 ： 是松弛模量。修正的疊加原理：其中

37、 是應變的非線性函數(shù)。,,,,9 拉普拉斯變換：Laplace transformation,拉普拉斯變換對求解線性粘彈性問題至關重要，通過下式將時域問題變換為S 域內(nèi)問題：很多教科書上有變換表。其逆變換式為：,,,,,,10 對應原理,對上式進行拉氏變換得： 于是得到拉氏變換域內(nèi)的“線彈性”問題。還可以在拉氏變換域內(nèi)進行有限元計算。但是，逆變換相當復雜，這里學問很深。,,11 復模量,當材料或結

38、構受簡諧變化應力作用時 ,即 輸入 ，代入本構方程：,,,是復數(shù)柔量。,是松弛模量。,復合材料力學-I,定義：兩個及以上不同性質(zhì)材料復合而成的材料。優(yōu)點：比剛度和比強度大；可設計性；耐腐蝕；減振性能好；可用容傷安全理念；等特點：①非均質(zhì)性（纖維和基體之間界面層以及層間性能突變）；②各向異性（單層板為正交異性）；③橫向性能比縱向性能差，層合板橫向剪切模量低；④層間應力有奇異性；⑤混

39、雜效應。復合材料力學與材料力學、彈性力學之間關系密切，幾乎涵蓋所有材料力學問題，以及斷裂力學和損傷力學。分微觀力學，細觀力學，宏觀力學三個層次；基本假定：纖維與基體都是均質(zhì)線彈性；基體是各向同性；纖維考慮其各向異性（以碳纖維為例）,復合材料力學-續(xù),細觀理學：單向纖維復合材料的宏觀力學性能與組分材料的力學性能的關系：,,,,復合材料力學-續(xù),二維（單層板）的應力~應變關系其中，,，,復合材料力學-續(xù),應力~應變關系：對上

40、式求逆得到：,,復合材料-續(xù)（層合板）,層合板的剛度系數(shù)可由各單層的材料性能算出：拉伸剛度：拉彎耦合剛度彎曲剛度,,,阿基米德橋（SFT）,第四章 基本方程,彈性力學有15個基本方程： 3個平衡方程； 6個協(xié)調(diào)方程； 6個本構方程；15個基本未知量： 3個位移分量； 6個應力分量； 6個應變分量；* 加適當邊界條件。,1.平衡或運動方程,平衡方程展開一個方程:

41、運動方程: 指標重復服從加法約定,,,,,2 幾何方程(應力~位移關系),對于小應變情況， 這是哥西應變式，共有六個應變，六個方程。 對于大變形（計入非線性項）：分拉格朗日與歐拉表示：拉格朗日應變：歐拉應變：,,,，,3 變形協(xié)調(diào)方程：,（i, j 交換）共有六個方程:以下只寫出兩個有代表性的式子：,,,4 彈性本構關系,（

42、1）. 彈性應力~應變關系：廣義胡克定律 可改寫為 其中 36個常數(shù)中只有21個獨立。這是指最一般的各向異性材料，對于各類特殊情況，獨立材料常數(shù)不同。,,,,，,,,,5 邊界條件：,（1）位移邊界條件：在給定位移的邊界 上，

43、 (a) 又稱第一類邊界條件，代號 。,,，,（2） 應力邊界條件：,在給定外力的邊界（ ）上： （b)

44、 是外法線方向余弦。第二類邊界條件 ，代號 。,,,（3） 混合邊界條件,混合邊界條件: 在（ ），為（a）；在（ ）（b）.此外，還有彈性邊界條件、移動和滑動邊界條件；動邊界條件（例如彈性支持條件，接觸，摩擦邊界條件），問題比較復雜。,,,彈性力學問題的解法（位移法和應力法）,①.位移方法：拉梅（Lame, G.）方程，即用位移表示平衡方程,以下是三種不同表示方法：

45、需將應力邊界條件改寫為位移.,,② 應力解法,用應力表示的協(xié)調(diào)方程，即 拜爾脫拉密（Beltrami, E.）~密乞爾(Michell, J. H.)方程：用應力表示協(xié)調(diào)方程。當然，位移邊界條件也需要用應力表示。,,,,,彈性力學一般定理,（1）. 應變能定理–克拉貝龍定理,即功能互等定理: 又俗稱為 “功能互等定理” 注意與 ”功的互易（reciprocal）定理”

46、 相區(qū)別。 彈性體內(nèi)的應變能等于變形過程中外力所做之功；(證明從略)注意：與虛功原理相對照（外力虛功等于內(nèi)里虛功）。,（2） 唯一性定理—克?；舴蚨ɡ砘蚣~曼定理,證明： 兩組解 它們滿足平衡方程: 邊界條件:,,,,,,證明(2)：,構造新的解（1）-（2）， （3）-（4），（5）-（6）得到,，,,,證明(3),上式的解肯定為0。 所以證明，兩組解相等。 ***注釋：若全邊界均為應力

47、條件，則位移解可能差一剛體位移。結論：對于線彈性材料（結構），只要給出一組滿足平衡方程，協(xié)調(diào)方程，與邊界條件的解，那么它就是真解（與彈性常數(shù)無關）。所以，彈性力學就有試湊法。,（3 ） 圣文南原理,物體在上受一平衡力系作用時，在離較遠的區(qū)域應力可以忽略。 時, 分別是外力作用區(qū)的最大線尺寸與我們關注的質(zhì)點位置和力作用點的距離。,,,（4）

48、 功的互易(等)定理,又稱位移互等定理（reciprocal theory of displacement）：設兩組力（體力與面力）作用在同一物體上，第一組力對第二組力產(chǎn)生的位移所做之功，等于第二組力對第一組力產(chǎn)生的位移所做之功； =,,第五章 能量原理,能量原理是宇宙間普適的,從熱力學第一定律,理論力學的能量(機械能)守恒定律,虛位移(虛功)原理,

49、材料力學的卡氏定理,彈性力學的變分原理，以及各種近似數(shù)值方法.熱力學第一定律（First Law of Thermodynamics) 系統(tǒng)所吸收的熱量等于外力功加上系統(tǒng)內(nèi)能的增量。,,機械能守恒律（理論力學）,理論力學的機械能守恒律：T 是動能； V ：勢能， E ：總能(是常數(shù))機械能守恒律是宇宙間基本規(guī)律之一。機械能有時可轉化為熱能，熱能轉換為機械能，有熱功當量。,理論力學中能量原理的應用(第二宇宙速度)

50、,求第二宇宙速度時，飛船離開火箭時的速度（動能）應能克服地球對它的引力勢。動能 引力勢由此得到：兩個問題：（1）引力勢為什么是這個表達式？ （2）動能和勢能之和為什么等于零？,（1）虛位移原理（理論力學）,物體(或質(zhì)點與質(zhì)點系)在 n個外力(包括約束力 )作用下而平衡, 則外力所作之虛功之和為零.對于理想

51、約束 則外加作用力所作功為零.,彈性力學的能量原理,1 . 虛功原理（包括虛位移原理與虛力原理）虛位移：所有幾何約束允許的位移(滿足協(xié)調(diào)條件和位移邊界條件）即為虛位移，寫為 。虛位移又稱為“可能位移”。彈性體在平衡狀態(tài)下，外力、內(nèi)力在微小虛位移下做的功（稱為虛功）之和等于零。,2. 虛位移原理,彈性體在平衡狀態(tài)下，外力對虛位移所做的功（稱為虛功）等于虛位移所引起的彈性體

52、應變能的增量。,,,,,,,,,虛位移原理（續(xù)1）,上式第一項為零，第二項等于這是內(nèi)力虛功，即內(nèi)力（應力）對虛位移產(chǎn)生的虛應變所做的功（或為應力對虛應變所作的虛功）。結論：內(nèi)力虛功等于外力虛功,虛功原理(續(xù)2),根據(jù)專著（胡): 虛功原理的數(shù)學表達式為：此式中， 和 是變形可能位移與應變， 是靜力可能應力。*** 是可能面力。這個原理包括虛功原理與虛余功原理兩個原理,虛功原

53、理(續(xù)3),包括虛位移原理與虛內(nèi)力（應力）原理：按大百科全書的詞條：這里有疏誤,.,式中,是體力和位移；,是面上可能面力和可能位移，,分別是可能應力分量和可能應變分量。此原理可包括（1）虛位移原理和（2）虛內(nèi)力（應力）原理。,3. 最小勢能原理,以位移為基本未知量的變分原理?？倓菽艿扔?: 分別為真實位移與虛位移。,,,,最小勢能原理（續(xù)）,定義：

54、平衡時，所有可允許位移（可能位移）中，真實位移使總勢能取極小值：可能位移是滿足協(xié)調(diào)方程與位移邊界條件的位移。意義：因為位移滿足了連續(xù)性條件和位移邊界條件，由最小勢能原理可導出平衡方程和應力邊界條件。 由此導出有限元基本方程,,4 最小余能原理,以應力為未知量的變分原理。真實應力所具有的余能恒小于其他可能應力相應的余能。 所有可能應力（滿足平衡方程與靜力邊界條件的應力）函數(shù)中，真實應力場取總余能為極?。O值）。,,,，,

55、最小余能原理（續(xù)）,它代表應變協(xié)調(diào)方程和位移邊界條件。虛余功： 虛余能： 總余能：最小余能原理：,,,,,修正的余能原理,修正的余能原理:約束條件：（ 域 內(nèi)）（ 位移邊界上）,5 廣義變分原理,是以上兩個原理的推廣；彈性力學的解必須滿足廣義勢能變分為零的條件，（又稱駐值條件），即： 為邊界指定面力和位移 。此

56、變分原理具有三類變量：位移，應力與應變。,,,,6 瑞斯納變分原理,瑞斯納變分原理（Reissner） 其中 是應變余能，兩類獨立變函數(shù) 共9個 。有限元法的雜交元由此導出.,,,A 材料力學中的能量法（一）,卡氏第一定理：若彈性體受數(shù)個已知廣義力 作用，在他們的作用點產(chǎn)生沿各廣義力方向上的位移：

57、 則由廣義位移表示的應變能 U 對某個廣義位移 的偏導數(shù)等于與 相應的廣義力 ， 數(shù)學表達式為：此定理英文名稱：Castigliano‘s first theorem.,材料力學中的能量法（二）,克羅蒂~恩蓋塞定理（Crotti~Engesser‘s theorem):若彈性體作用有n個廣義力 ， 產(chǎn)生n個廣義位移 ，它們

58、方向與相應的廣義力相同；則由廣義力表示的應變能對廣義力的偏導數(shù)，等于相應的廣義位移，表達式為：此定理又稱卡氏第二定理。,B 彈性穩(wěn)定理論中的能量法,,,,,,C 振動問題的能量法,瑞利商：根據(jù)瑞利原理，保守系統(tǒng)的機械振動的自振頻率的近似值，由下式泛函的駐值決定。 是動能 ； 是勢能例如，弦振動，設振形

59、函數(shù)為當 n=2時， 相對誤差為 0.007 精確解為：,斷裂力學中的能量原理,彈性斷裂力學中的能量法：Griffith 表面能理論2 能量釋放率準則3 復合型裂紋的能量釋放率理論 4 復合型裂紋的最小能量密度準則 5 J 積分理論（準則）：RICE守恒積

60、分,D 結構力學的能量法,1 力法（force method）：以廣義力為未知量求解靜不定結構的方法稱為力法?；靖拍钍牵瑢⒍嘤嗉s束去掉，代之以廣義力(多余廣義力），為保證解除多余約束的結構變形與內(nèi)力（應力）與原結構相同，必須滿足連續(xù)性條件，即變形協(xié)調(diào)條件。n 度靜不定系統(tǒng)就有n 個連續(xù)性條件,正好彌補了平衡方程數(shù)的不足。將n 個連續(xù)性條件與平衡方程聯(lián)立，就能解出所有未知廣義力。,2 單位載荷法：根據(jù)虛功原理導出的求結

61、構位移的方法。求給定結構某點的位移時，在該點施加單位載荷：單位廣義力。單位載荷方向與所求位移方向相同。于是， 是單位載荷引起的軸力，剪力與彎矩； 是真實載荷引起的軸力，剪力與彎矩, 為所求位移。,,，,,,,,3 位移法：（displacement method）:以廣義位移為基本未知量求解結構力學問題的方法，又稱剛度法與矩陣位移法。

62、包括轉角位移法；又稱“力矩分配法”；“變形分配法”。首先列出所有廣義位移（其數(shù)目等于自由度數(shù)），并將這些廣義位移施加約束，構成基本體系。再解除對某廣義位移 s 的約束，若在廣義位移 r 的方向上施加一廣義力，該廣義力在 s 處產(chǎn)生單位位移，則該廣義力數(shù)值上等于剛度系數(shù) ，所有剛度系數(shù)可由結構分析得到。通?？捎脛菽茉韥斫⑵胶夥匠蹋?系統(tǒng)的總勢能：

63、 為節(jié)點未知廣義位移； 載荷作用點的位移。 為載荷數(shù)， 為自由度數(shù)；根據(jù)能量原理： 得矩陣形式：,,,,第六章 固體力學的數(shù)值方法：,瑞雷~李茲法（Rayleigh－Ritz method）: 通過泛函(最小勢能原理）駐值條件求未知（位移）函數(shù)的近似方法。,令所求函數(shù)為,的線性組合：,個已知函數(shù),,為未知常系數(shù)，

64、,組成的泛函,的駐值條件,,,通過由,的代數(shù)方程組。,得到,個求,假定位移函數(shù),的表達式為：,,,將上述位移函數(shù)代入作為泛函的總勢能 的表達式，根據(jù)駐值條件，得這是求 3n個待定常數(shù)的線性代數(shù)方程組。 3n 個常系數(shù)求得后，問題解決。,,,,,2 伽療金法,2 布勃諾夫~伽療金法（Bubnov~Galerkin method）,假定位移函數(shù),的表達式為：,,為,個待定常數(shù),已知函數(shù),滿足全部位移與力的邊界條

65、件，根據(jù)虛功原理，,,,,,,3 加權殘數(shù)法（method of weighted residuals）彈性力學問題提法如下： 在邊界上,在域V 內(nèi)，,,,,,是算子,,不含,令解,的試函數(shù)為：,,,為待求的未知參數(shù)（或函數(shù)），,代入控制方程與邊界條件，一般不為零，有殘數(shù)：,,為消滅這些殘數(shù)，用權函數(shù),乘殘數(shù),并積分：,,得到,的代數(shù)方程組。,固體力學的有

66、限元方法,有限元：位移元（協(xié)調(diào)元）：基于最小勢能原理；例如等參元；雜交元：基于修正余能原理（單元內(nèi)滿足應力平衡條件，邊界上用位移差值條件）；邊界元法：基于邊界積分方程（位移法和應力法）；無網(wǎng)格法：有線條法：例如瓦楞板有限面法：例如層合板散體有限元：處理巖石和碎石塊等。,結束語,固體力學包含多個學科分支，內(nèi)容繁多，大百科全書每個詞條都是重點，都應該講，因時間有限，只能講概論；概論課的目的是對固體力學專業(yè)的同學達到復習、整理、