弹性力学 第1章 绪论(1)
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7
§1-2 弹性力学的研究方法
弹性力学的研究方法遵循如下规律，即 从工程结构中抽象、简化成用以代替研究 对象或工程结构物的理想化的分析对象即 力学模型.
在此基础上，建立相应的数学模型，并 寻求数学方程的求解方法，因此势必依赖 于数学工具对力学模型及其响应(如位移 ﹑应力和应变)建立起描述变化规律的数 学方程，即数学模型.
（A.J.Saint-
Venant）建立了柱
体扭转和弯曲的基
本理论；
圣维南
（A.J.Saint-Venant）
26
•1862年，艾瑞（G.B.Airy） 发表了关于弹性力学的平面 理论； •1881年，赫兹建立了接触应 力理论；
赫兹（H.Hertz）
27
1868年，基尔霍夫建立 了平板理论;
1824年生於德国，1887 年逝世。曾在海登堡大 学和柏林大学任物理学 教授，他发现了电学中 的“基尔霍夫定理”， 同时也对弹性力学，特 别是薄板理论的研究作 出重要贡献。
10
3.实验方法 •二者结合的方法 •弹性力学的基本方程——偏微分方程的边 值问题，求解的方法有解析法和近似解法。 •解析法在数学上难度极大，因此仅适用于 个别特殊边界条件问题。 •近似解法对于弹性力学有重要意义。
11
12
圆孔应力集中的单元划分
13
圆孔应力集中的FEM解
14
圆孔等应力线图
15
•对于现代工程技术和科研工作者的培养——对于 专业基础，思维方法以及独立工作能力都有不可 替代的作用。
32
建筑工程
水利工程
航空航天工程
船舶机械工程
§1-5 经典弹性力学问题
数学弹性力学的建立
(1). 平衡微分方程(Navier方程)
x x
xy y
xz z
fx
•中国科学家钱伟长，钱学森，徐芝伦，胡海昌,等 在弹性力学的发展，特别是在中国的推广应用做 出了重要贡献。
29
§1.3 发展与研究方法7
钱长 胡海昌
钱学森
30
§1.3 发展与研究方法8
徐芝伦
杨桂通
31
§1.3 发展与研究方法9
•弹性力学——促进数学和自然科学基本理论的建 立和发展；
•广泛工程应用——造船、建筑、航空和机械制造 等。 •发展——形成了一些专门的分学科； •现代科学技术和工程技术——仍然提出新的理论 和工程问题。
9
2﹑数值法
由于人类思维的局限，使人们无法将复 杂的宇宙万物只用简单的表达式来概括。
事实上，工程上的实际问题真正能获得解 析解的情况实属少数，因此，基于能量变 分原理的直接解法，开创了近似求解弹性 理论问题的新途径，随着电子计算机的发 展，有限差分法，有限单元法、边界单元 法、无网格法等各种有效的数值计算方法 迅速发展起来，现在要对各种复杂工程结 构进行弹性分析已没有原则上的困难。
m
z
n
pz
法国工业学院的数学、力学教授纳维埃(Navier,17851835于1821年发表的”弹性固体的平衡与运动的研究报告 ”.
37
(2). 几何方程(Cauchy方程)
x
u x
,
xy
u y
v x
,
x
v y
,
yz
v z
w y
4
弹性力学的研究对象是一般弹性固体， 既粗短杆、板、壳，块体，即使是细长 杆，材料力学关于平截面基本假设也不 再适用，弹性力学还研究非圆截面杆的 扭转、弯曲，孔洞的应力集中，弹性波 等问题。
(a) 材料力学
(b) 弹性力学
5
材料力学的研究对象是杆件，平面假设确定 横截面变形。 ——一维数学问题，求解的基本方程是常微 分方程。
21
五、初始无应力应变的假设
假设物体在未受荷载之前处于一种无应力 和应变状态，称为初始无应力，应变状态。
实际上物体如金属材料，通常是要经过各种 加工过程，如冷轧，热处理，焊接等而成形的， 从而材料早在受载之前其内部就不可避免地存 在着应力，然而，在一般情况下，构件的破坏 主要是由外载引起的，所产生的应力远非初应 力可比，因此，在建立弹性力学理想模型时采 用“初始无应力，应变”的假设是必要而合理 的。另外, 地应力是存在于地层中的天然应力， 称为岩体初始应力，它对于岩石地下工程的稳 定性起着重要的作用。
基本方程的应用-经典弹性力学问题
薄板横向弯曲方程
4w x 4
2
4w x 2 y
2
4w y 4
q D
y
o q(x, y)
t2 t2
x b
z
提出者
泊松(Poisson S.D.1781-1840)法国工业 学院的数学教授
40
厚壁圆筒解答
提出者: 拉梅(me,1795-1870)法国工业学院毕业后赴俄
19
L vmax
b h
vm ax h
二阶微量可以忽略
cos 1 1 2 1 4 cos 1
2! 4!
tan 1 3 2 5 tan
3 15
可以在未变形的构形中进行计算
20
四、弹性假设
线弹性假设认为弹性应力与变形的关 系(本构关系),为理想的线性关系，即根 据大量的实验结果，对于钢，铜等金属材 料，在弹性变形范围内应力为线性关系， 这 就 是 有 名 的 虎 克 （ Hooke ） 定 律 。 因 此，服从虎克定律的材料称为线性弹性材 料或者线弹性体，但也有一些材料，如橡 胶，混凝土，其应力与变形的关系为非线 性，称为材料非线性弹性问题。
基尔霍夫 (G.R.Kirchoff)
28
•1930年，Muskhelishvili等发展了应用复变函数 理论求解弹性力学问题的方法等。
•另一个重要理论成果是建立一种能量原理；
•提出一系列基于能量原理的近似计算方法。
•许多科学家.像拉格朗日(grange)，乐甫 (A.E.H.Love)，铁木辛柯(S.P.Timoshenko)做出了 贡献。
17
各向异性 (an- isotropy ) 在各个方向力学性能不一样的材料称为
各向异性材料.
18
三、小变形假设（Small deformations)
经典弹性力学只限于研究小变形情况，即 弹性体的位移将远远小于其宏观尺寸，弹性体 的线应变及角应变将远远小于1，在小变形情 况下，由于物体在变形后的尺寸与变形前相比 相差甚小，外力的作用方向和分布状况的变化 也很小，故在考虑物体及其任何微单元在变形 后的平衡条件时，仍可以用原始尺寸为基础， 小变形假设又称为几何线性变形假设，反之， 则称为几何非线性或有限变形问题。
•柯西1828年提出应力、 应变概念，建立了平衡微 分方程，几何方程和广义 胡克定律。
•柯西的工作是近代弹性
力学的一个起点，使得弹
性力学成为一门独立的固
体力学分支学科。
柯西（A.L.Cauchy）
25
•而后，世界各国的 一批学者相继进入 弹性力学研究领域， 使弹性力学进入发 展阶段。
•1856年，圣维南
§1-3 弹性力学的基本假设陈述如下：
一、连续性假设( continuity )
所谓连续性指的是构成物体的材料是密 实无间的连续介质。按此假设，无论是整个 弹性体还是其内部任何一个构成单元以及单 元的界面之间，也无论是在加载之前还是在 变形之后，材料都是连续的，因而可以认为 物体内任何点处的位移，应力和应变等力学 量也都是空间位置的连续函数.
0
yx x
y y
yz z
fz
0
zx x
zy y
z z
fz
0
提出者:
x
l
xy
m xz
n
px
yx l y m yz n py
zx
l
zy
国任教,此解答在其1833发表的研究报告“均质固定的 内部平衡”中发表.
41
半空间体、半平面体表面受集中力的解答
P r
y
提出者: 圣维南的学生,巴黎大学力学教授包辛乃斯克
(J.V.Boussinesq 1842-1929)在他的著作“弹性固 体的平衡和运动中的能的应用”中发表的.
42
楔形体解答
x
教师：蒋玉川 单位：建环学院、土木系 职称：教授
1
主要内容
第1章 绪论及预备知识 第2章 应力分析 第3章 应变分析 第4章 Hook 定律 第5章 弹性力学问题的解法 第6章 柱体的扭转 第7章 平面问题直角坐标解 第8章 平面问题极坐标解 第9章 能量原理及其变分法 第10章 薄板弯曲
弹性力学的研究对象是完全弹性体。
只能从微分单元体入手， 三维数学问题，综合分析的结果是偏微分方 程边值问题。
6
弹性力学是一门技术基础课，它不 仅是固体力学的一门重要基础学科， 即，它是固体力学的其它分支学科， 如塑性力学，有限单元法，板壳力学， 断裂力学，复合材料力学，实验力学 等的基础，而且又是学习土建、水利、 桥梁、机械、航空等专业课程所必备 的理论基础。如土力学、岩石力学中 广泛地用到弹性力学的理论。
16
二、均匀( uniformity )与各向同性( isotropy ) 假设
所谓均质性指的是物体内各处材料的力学性 质都相同，与各点的空间位置无关，
所谓各向同性在各个方向的力学性能都一样的 材料称为各向同性材料.
钢材，陶瓷，甚至混凝土，均可以认为是均匀 和各向同性的，但竹﹑木等纤维材料以及现代复 合材料等，它们的力学性质随方向不同而有明显 差异，则为各向异性材料。
45
复变函数法
提出者:H.N.穆斯海里什维利“数学弹性力 学中的几个基本问题”.
8
求解弹性力学问题归纳为以下三种方法：
1﹑解析法：弹性力学问题的求解从本 质上可以视为一个内部超静定问题，其 求解可以归纳为一个偏微分方程的边值 问题，常用的方法为分离变量法，即运 用力学概念设法分离变量，将偏微分方 程组解耦并化为常微分方程，另外还有 级数解法，复变函数解法，积分变换等， 其解答为封闭的精确解。
xy G xy
yz G yz
zx
G zx
提出者:
扬(Thoms Young,1773-1829),英国物理学家 和考古学家,他利用罗赛塔石(Rosetta) 辨认了 埃及的象形文字.他给出了应力应变间的定量数值 关系,从而使弹性力学正式成为一门科学.
39
22
在上述假设基础上建立起来的 弹性理论称为线弹性理论。
23
§1.4 弹性力学的发展史
弹性力学是一门有悠久历史的学科，早 期研究可以追溯到1678年，胡克（R.Hooke） 发现胡克定律。
这一时期的研究工作主要是通过实验方 法探索物体的受力与变形之间的关系。
24
•近代弹性力学的研究是 从19世纪开始的。
2
第1章 绪论及预备知识
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 §1-5 §1-6
弹性力学的任务和研究对象 弹性力学的研究方法 弹性力学的基本假设 弹性力学的发展史 弹性力学的经典问题 张量简介
§1-1 弹性力学的任务和研究对象
弹性力学又称弹性理论，是固体力学的 一门重要的学科，它的任务是研究固体在 弹性变形时的力学行为,即在力和温度等外 部因素作用下发生弹性变形时的应力和应 变规律，为工程结构及其构件的强度、刚 度、稳定性的设计提供理论基础。
提出者
y
法国中央制造工艺学院力学教授列维(M.Levy,18381910),他还提出了薄板弯曲的单级数解答.
43
二维弹性力学问题-应力函数
x
x
xy
y
fx
0
yx
x
y
y
fy
0
2 ( x y ) 0
引入应力函数
x
2
y 2
fx
x,
y
2
x 2
fy
y,
xy
2
xy
提出者 英国剑桥大学数学教授艾雷(G.R.Airy,1801-1892).
44
柱体的弯曲与扭转
提出者
图6-1
法 国 数 学 、 力学家圣维南 (Saint-Venan,17971886),1853 年 给 出 柱 体 的 弯 曲 与 扭 转 的 半 逆 解 法 .1853年在向法国科学院的报告中,提出著名的原理.
,
z
w , z
zx
w x
u z
提出者:
法国工业学院的数学、力学教授柯西 (Cauchy,1789-1857)于1822年发表的论文.
38
(3). 物理方程—广义虎克定律
x 2G x y 2G y z 2G z
§1-2 弹性力学的研究方法
弹性力学的研究方法遵循如下规律，即 从工程结构中抽象、简化成用以代替研究 对象或工程结构物的理想化的分析对象即 力学模型.
在此基础上，建立相应的数学模型，并 寻求数学方程的求解方法，因此势必依赖 于数学工具对力学模型及其响应(如位移 ﹑应力和应变)建立起描述变化规律的数 学方程，即数学模型.
（A.J.Saint-
Venant）建立了柱
体扭转和弯曲的基
本理论；
圣维南
（A.J.Saint-Venant）
26
•1862年，艾瑞（G.B.Airy） 发表了关于弹性力学的平面 理论； •1881年，赫兹建立了接触应 力理论；
赫兹（H.Hertz）
27
1868年，基尔霍夫建立 了平板理论;
1824年生於德国，1887 年逝世。曾在海登堡大 学和柏林大学任物理学 教授，他发现了电学中 的“基尔霍夫定理”， 同时也对弹性力学，特 别是薄板理论的研究作 出重要贡献。
10
3.实验方法 •二者结合的方法 •弹性力学的基本方程——偏微分方程的边 值问题，求解的方法有解析法和近似解法。 •解析法在数学上难度极大，因此仅适用于 个别特殊边界条件问题。 •近似解法对于弹性力学有重要意义。
11
12
圆孔应力集中的单元划分
13
圆孔应力集中的FEM解
14
圆孔等应力线图
15
•对于现代工程技术和科研工作者的培养——对于 专业基础，思维方法以及独立工作能力都有不可 替代的作用。
32
建筑工程
水利工程
航空航天工程
船舶机械工程
§1-5 经典弹性力学问题
数学弹性力学的建立
(1). 平衡微分方程(Navier方程)
x x
xy y
xz z
fx
•中国科学家钱伟长，钱学森，徐芝伦，胡海昌,等 在弹性力学的发展，特别是在中国的推广应用做 出了重要贡献。
29
§1.3 发展与研究方法7
钱长 胡海昌
钱学森
30
§1.3 发展与研究方法8
徐芝伦
杨桂通
31
§1.3 发展与研究方法9
•弹性力学——促进数学和自然科学基本理论的建 立和发展；
•广泛工程应用——造船、建筑、航空和机械制造 等。 •发展——形成了一些专门的分学科； •现代科学技术和工程技术——仍然提出新的理论 和工程问题。
9
2﹑数值法
由于人类思维的局限，使人们无法将复 杂的宇宙万物只用简单的表达式来概括。
事实上，工程上的实际问题真正能获得解 析解的情况实属少数，因此，基于能量变 分原理的直接解法，开创了近似求解弹性 理论问题的新途径，随着电子计算机的发 展，有限差分法，有限单元法、边界单元 法、无网格法等各种有效的数值计算方法 迅速发展起来，现在要对各种复杂工程结 构进行弹性分析已没有原则上的困难。
m
z
n
pz
法国工业学院的数学、力学教授纳维埃(Navier,17851835于1821年发表的”弹性固体的平衡与运动的研究报告 ”.
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(2). 几何方程(Cauchy方程)
x
u x
,
xy
u y
v x
,
x
v y
,
yz
v z
w y
4
弹性力学的研究对象是一般弹性固体， 既粗短杆、板、壳，块体，即使是细长 杆，材料力学关于平截面基本假设也不 再适用，弹性力学还研究非圆截面杆的 扭转、弯曲，孔洞的应力集中，弹性波 等问题。
(a) 材料力学
(b) 弹性力学
5
材料力学的研究对象是杆件，平面假设确定 横截面变形。 ——一维数学问题，求解的基本方程是常微 分方程。
21
五、初始无应力应变的假设
假设物体在未受荷载之前处于一种无应力 和应变状态，称为初始无应力，应变状态。
实际上物体如金属材料，通常是要经过各种 加工过程，如冷轧，热处理，焊接等而成形的， 从而材料早在受载之前其内部就不可避免地存 在着应力，然而，在一般情况下，构件的破坏 主要是由外载引起的，所产生的应力远非初应 力可比，因此，在建立弹性力学理想模型时采 用“初始无应力，应变”的假设是必要而合理 的。另外, 地应力是存在于地层中的天然应力， 称为岩体初始应力，它对于岩石地下工程的稳 定性起着重要的作用。
基本方程的应用-经典弹性力学问题
薄板横向弯曲方程
4w x 4
2
4w x 2 y
2
4w y 4
q D
y
o q(x, y)
t2 t2
x b
z
提出者
泊松(Poisson S.D.1781-1840)法国工业 学院的数学教授
40
厚壁圆筒解答
提出者: 拉梅(me,1795-1870)法国工业学院毕业后赴俄
19
L vmax
b h
vm ax h
二阶微量可以忽略
cos 1 1 2 1 4 cos 1
2! 4!
tan 1 3 2 5 tan
3 15
可以在未变形的构形中进行计算
20
四、弹性假设
线弹性假设认为弹性应力与变形的关 系(本构关系),为理想的线性关系，即根 据大量的实验结果，对于钢，铜等金属材 料，在弹性变形范围内应力为线性关系， 这 就 是 有 名 的 虎 克 （ Hooke ） 定 律 。 因 此，服从虎克定律的材料称为线性弹性材 料或者线弹性体，但也有一些材料，如橡 胶，混凝土，其应力与变形的关系为非线 性，称为材料非线性弹性问题。
基尔霍夫 (G.R.Kirchoff)
28
•1930年，Muskhelishvili等发展了应用复变函数 理论求解弹性力学问题的方法等。
•另一个重要理论成果是建立一种能量原理；
•提出一系列基于能量原理的近似计算方法。
•许多科学家.像拉格朗日(grange)，乐甫 (A.E.H.Love)，铁木辛柯(S.P.Timoshenko)做出了 贡献。
17
各向异性 (an- isotropy ) 在各个方向力学性能不一样的材料称为
各向异性材料.
18
三、小变形假设（Small deformations)
经典弹性力学只限于研究小变形情况，即 弹性体的位移将远远小于其宏观尺寸，弹性体 的线应变及角应变将远远小于1，在小变形情 况下，由于物体在变形后的尺寸与变形前相比 相差甚小，外力的作用方向和分布状况的变化 也很小，故在考虑物体及其任何微单元在变形 后的平衡条件时，仍可以用原始尺寸为基础， 小变形假设又称为几何线性变形假设，反之， 则称为几何非线性或有限变形问题。
•柯西1828年提出应力、 应变概念，建立了平衡微 分方程，几何方程和广义 胡克定律。
•柯西的工作是近代弹性
力学的一个起点，使得弹
性力学成为一门独立的固
体力学分支学科。
柯西（A.L.Cauchy）
25
•而后，世界各国的 一批学者相继进入 弹性力学研究领域， 使弹性力学进入发 展阶段。
•1856年，圣维南
§1-3 弹性力学的基本假设陈述如下：
一、连续性假设( continuity )
所谓连续性指的是构成物体的材料是密 实无间的连续介质。按此假设，无论是整个 弹性体还是其内部任何一个构成单元以及单 元的界面之间，也无论是在加载之前还是在 变形之后，材料都是连续的，因而可以认为 物体内任何点处的位移，应力和应变等力学 量也都是空间位置的连续函数.
0
yx x
y y
yz z
fz
0
zx x
zy y
z z
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0
提出者:
x
l
xy
m xz
n
px
yx l y m yz n py
zx
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国任教,此解答在其1833发表的研究报告“均质固定的 内部平衡”中发表.
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半空间体、半平面体表面受集中力的解答
P r
y
提出者: 圣维南的学生,巴黎大学力学教授包辛乃斯克
(J.V.Boussinesq 1842-1929)在他的著作“弹性固 体的平衡和运动中的能的应用”中发表的.
42
楔形体解答
x
教师：蒋玉川 单位：建环学院、土木系 职称：教授
1
主要内容
第1章 绪论及预备知识 第2章 应力分析 第3章 应变分析 第4章 Hook 定律 第5章 弹性力学问题的解法 第6章 柱体的扭转 第7章 平面问题直角坐标解 第8章 平面问题极坐标解 第9章 能量原理及其变分法 第10章 薄板弯曲
弹性力学的研究对象是完全弹性体。
只能从微分单元体入手， 三维数学问题，综合分析的结果是偏微分方 程边值问题。
6
弹性力学是一门技术基础课，它不 仅是固体力学的一门重要基础学科， 即，它是固体力学的其它分支学科， 如塑性力学，有限单元法，板壳力学， 断裂力学，复合材料力学，实验力学 等的基础，而且又是学习土建、水利、 桥梁、机械、航空等专业课程所必备 的理论基础。如土力学、岩石力学中 广泛地用到弹性力学的理论。
16
二、均匀( uniformity )与各向同性( isotropy ) 假设
所谓均质性指的是物体内各处材料的力学性 质都相同，与各点的空间位置无关，
所谓各向同性在各个方向的力学性能都一样的 材料称为各向同性材料.
钢材，陶瓷，甚至混凝土，均可以认为是均匀 和各向同性的，但竹﹑木等纤维材料以及现代复 合材料等，它们的力学性质随方向不同而有明显 差异，则为各向异性材料。
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复变函数法
提出者:H.N.穆斯海里什维利“数学弹性力 学中的几个基本问题”.
8
求解弹性力学问题归纳为以下三种方法：
1﹑解析法：弹性力学问题的求解从本 质上可以视为一个内部超静定问题，其 求解可以归纳为一个偏微分方程的边值 问题，常用的方法为分离变量法，即运 用力学概念设法分离变量，将偏微分方 程组解耦并化为常微分方程，另外还有 级数解法，复变函数解法，积分变换等， 其解答为封闭的精确解。
xy G xy
yz G yz
zx
G zx
提出者:
扬(Thoms Young,1773-1829),英国物理学家 和考古学家,他利用罗赛塔石(Rosetta) 辨认了 埃及的象形文字.他给出了应力应变间的定量数值 关系,从而使弹性力学正式成为一门科学.
39
22
在上述假设基础上建立起来的 弹性理论称为线弹性理论。
23
§1.4 弹性力学的发展史
弹性力学是一门有悠久历史的学科，早 期研究可以追溯到1678年，胡克（R.Hooke） 发现胡克定律。
这一时期的研究工作主要是通过实验方 法探索物体的受力与变形之间的关系。
24
•近代弹性力学的研究是 从19世纪开始的。
2
第1章 绪论及预备知识
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 §1-5 §1-6
弹性力学的任务和研究对象 弹性力学的研究方法 弹性力学的基本假设 弹性力学的发展史 弹性力学的经典问题 张量简介
§1-1 弹性力学的任务和研究对象
弹性力学又称弹性理论，是固体力学的 一门重要的学科，它的任务是研究固体在 弹性变形时的力学行为,即在力和温度等外 部因素作用下发生弹性变形时的应力和应 变规律，为工程结构及其构件的强度、刚 度、稳定性的设计提供理论基础。
提出者
y
法国中央制造工艺学院力学教授列维(M.Levy,18381910),他还提出了薄板弯曲的单级数解答.
43
二维弹性力学问题-应力函数
x
x
xy
y
fx
0
yx
x
y
y
fy
0
2 ( x y ) 0
引入应力函数
x
2
y 2
fx
x,
y
2
x 2
fy
y,
xy
2
xy
提出者 英国剑桥大学数学教授艾雷(G.R.Airy,1801-1892).
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柱体的弯曲与扭转
提出者
图6-1
法 国 数 学 、 力学家圣维南 (Saint-Venan,17971886),1853 年 给 出 柱 体 的 弯 曲 与 扭 转 的 半 逆 解 法 .1853年在向法国科学院的报告中,提出著名的原理.
,
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w , z
zx
w x
u z
提出者:
法国工业学院的数学、力学教授柯西 (Cauchy,1789-1857)于1822年发表的论文.
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(3). 物理方程—广义虎克定律
x 2G x y 2G y z 2G z