第四章应力与应变关系
第4章 塑性应力应变关系(本构方程)
强化材料卸载：
f ( ij ) 0,
f df d ij 0 ij
4.3 增量理论
在塑性变形时，全量应变和加载历史有关，要建立普遍的全量应变与应力 之间的关系是很困难的，所以主要研究应力和应变增量或应变速率之间的关系 。这种关系叫做增量理论，其中包括：密席斯方程、塑性流动方程和劳斯方程 。前两者适用于理想刚塑性材料，后者适用于弹塑性材料。
x
y 4G2 x y
2
2
2 2 6 xy 4G 2 xy 6
2 2 2 2 2 2 xy yz xz 等式左边为： x y y z z x 6
1 等效应力为：
1 i 2 1
2 2 2 yz xz x y y z z x 6 xy 2 2 2
则等效应变与弹性应变强度关系为： 当 =0.5 时
3 i = 2(1 )
i
弹性应力应变关系特点： 1.应力与应变成线性关系 2.弹性变形是可逆的，应力应变关系单值对 应 3.弹性变形时，应力球张量使物体产生体积 变化;物体形状的改变只是由应力偏张量引 起的。 4.应力主轴与应变2G
同理可得：
y m
1 - E 1 - E
x
z m z
m
1 y y 2G
1 z z 2G
m
x
1 x 2G
1 y y 2G 1 z z 2G
d
2 2 2 x d y d y d z d z d x 6 d xy d yz d xz 2 2 2
材料力学中的应力与应变关系
材料力学中的应力与应变关系材料力学是研究材料在受力作用下的力学行为和性能的学科，应力与应变关系是其中的核心内容之一。
本文将讨论材料力学中的应力与应变的概念及其数学表示，以及应力与应变之间的线性关系与非线性关系。
一、应力的概念及表示应力是指材料单位面积上的内部力，常用符号σ表示。
根据受力情况的不同，可以分为正应力、切应力和体积应力。
正应力是指与作用力方向垂直的内部力，常用符号σ表示；切应力是指与作用力方向平行的内部力，常用符号τ表示；体积应力是指作用在体积内的内部力，常用符号p表示。
正应力的数学表示为σ = F/A，其中F为作用力的大小，A为受力面积。
切应力的数学表示为τ = F/A，其中F为切力的大小，A为受力面积。
体积应力的数学表示为p = F/V，其中F为体积力的大小，V为受力体积。
二、应变的概念及表示应变是指材料在受力作用下产生的形变程度，常用符号ε表示。
根据变形方式的不同，可以分为线性应变和体积应变。
线性应变是指在受力作用下，材料产生的长度或角度发生变化，常用符号ε表示；体积应变是指在受力作用下，材料产生的体积发生变化，常用符号η表示。
线性应变的数学表示为ε = ΔL/L0，其中ΔL为长度变化量，L0为原始长度。
体积应变的数学表示为η = ΔV/V0，其中ΔV为体积变化量，V0为原始体积。
三、应力与应变的线性关系在一定范围内，应力与应变之间可以表现为线性关系。
根据胡克定律（Hooke's Law），线性弹性材料的应力与应变之间满足σ = Eε，其中E为弹性模量。
弹性模量是材料刚度的度量，表示材料单位应力产生的单位应变。
常见的弹性模量有杨氏模量、剪切模量和泊松比。
杨氏模量的数学表示为E = σ/ε，其中σ为应力，ε为线性应变。
剪切模量的数学表示为G = τ/γ，其中τ为切应力，γ为切应变。
泊松比的数学表示为ν = -εv/εh，其中εv为垂直方向的线性应变，εh为水平方向的线性应变。
《弹塑性力学》第四章 应力应变关系(本构方程)-精品文档42页
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2
第四章 应力应变关系（本构方程）
共9个方程，但需确定的未知函数共15个：
ui，ij=ji， ij=ji，
还需要根据材料的物理性质来建立应力与 应变间的关系：
ij = ji = fij ( kl )
Wijij
——W为
的函数。
ij
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§4-1 应变能、应变能密度与弹性材料的
本构关系
因为W只取决于弹性体的初始应变状态和最 终应变状态，与变形过程（加载路线）无关，
所以W 为它的全微分
W
W
ij
ij
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§4-1 应变能、应变能密度与弹性材料的
时刻达到 t +t：位移有增量 uuiei
应变增量 ijeiej 外力功增量：A Vfu d V S F u d S
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§4-1 应变能、应变能密度与弹性材料的
A 本构f关u 系d VF u d ：函S 数增量
则 [C] 为对称矩阵 [C]= [C]T。
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§4-2 线弹性体的本构关系
2.1 各向异性材料 Eijkl 的独立系数为21个——材料为各向
异性线弹性材料。
*对各向异性材料的本构关系可见，剪应 变引起正应力，正应变也产生剪应力。 弹性材料性质一般都具有某些对称性， 利用对称可进一步简化 [C] 中系数。
V
S
Vfiuid V sF iuid SU V Wd
应变能增量A 中有体积分和面积分，利用
弹塑性力学第四章
x
y
)
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§4-3 各向同性材料弹性常数
yz
2(1 )
E
yz
xy
2(1
E
)
xy
zx
2(1
E
)
zx
采用指标
符号表示：
ij
1 E
(1 ) ij
ij kk
ij
E
1
ij
1 2
ij kk
2G
0 0 0
2G
0
0
0
2G 0 0 0
2G 0
0
对
称
2G 0
2G
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§4-3 各向同性材料弹性常数
3.1 本构关系用、G表示
采用指标符号表示：
ij 2Gij ij kk 2Gij iⅠj
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§4-2 线弹性体的本构关系
2.1 各向异性材料 Eijkl 减少为66=36个独立系数，用矩阵 表示本构关系
{}=[c]{}
11
22
33
23
31
T 12
11
22
33
23
31
T 12
x3 弹性主轴
材料主轴，并取另一坐标
系x’i ，且x’1 = x1，x’2=x2，
x2
x’3=-x3。在两个坐标下，
第四章应力与应变关系
（4-3a）
广义虎克定律
在小变形条件下，应变分量都是微量，(a)式在应变 为零附近做Taylor展开后，忽略2阶以上的微量，例如
对 ， 可x 得：
x (f1)0(f1x)0x (f1y)0y (f1z)0z
( f1
yz
)0yz
(f1zx)0zx
(f1xy)0xy
广义虎克定律 展开系数表示函数在其对应变分量一阶导数在应变分 量等于零时的值，而 实( f 1 际) 0 上代表初应力，由于无初应 力假设 等于( f 1零) 0 。 其它分量类推，那么在小变形情况下应力与应变关系 式简化为：
3 t 2 3
和 称 为拉梅(Lame)弹性常数，简称拉梅常数
各向同性体的广义虎克定律
(三)最后通过坐标变换，进一步建立任意正交坐标系应 力与应变关系
在各向同性弹性体中，设 o为x y任z 意正交坐标系，它
的三个轴与坐标系 应O力12主3 轴的方向余弦分别为 、 (l1 ',m1和',n1 ') (l2，',m因2 ',n为2 ')1，(2l3，',m33 ',轴n3是') 主轴，主轴方向的 剪应变和剪应力等于零。 根据转轴时应力分量变换公式得
系O123各轴的方向余弦，知:
l1 n3 cos180 1 m2 cos0 1 l2 l3 m1 m3 n1 n2 cos90 0
各向同性体的广义虎克定律
因此新坐标轴也指向应变主轴方向，剪应变也应该等
于零，且因各向同性时，弹性系数C41，C42和C43应
该不随方向面改变，故取 x, y分, z别为1′，2′和3′轴，同
上式作为虎克定律在复杂受力情况下的一个推广， 因此称为广义虎克定律。式中系数Cm n(m ,n1,是2, ,6) 物质弹性性质的表征，由均匀性假设可知这些弹性性 质与点的位置无关，称为弹性常数。上式也可以写成 矩阵形式
第四章 应力和应变的关系
σ = c ε + c (ε + ε ) y 11 y 12 x z σ z = c11ε z + c12 (ε x + ε y )
σ x = c11ε x + c12 (ε y + ε z )
τ = c 44 γ xy xy τ =c γ 44 yz yz τ zx = c 44 γ zx
= c 44 γ
= c 44 γ
xy
yz
τ
zx
= c 44 γ
zx
第三节 各向同性体中的弹性常数 当绕Z轴转一角度 α 时，即 x y
m1 = sin α
z ( z ')
z
n1 = 0 n2 = 0 n3 = 1
x
x'
y'
α
y
x′
y′
l1 = cos α
α
l2 = − sin α m2 = cos α l3 = 0 m3 = 0
c41 = c42 = c43 = 0 c51 = c52 = c53 = 0 c61 = c62 = c63 = 0 只能证9个数为0
第三节 各向同性体中的弹性常数 （2）沿任意两个相反的方向，弹性关系相同。 如只改变z轴方向，w和z的方向改变,则
γ yz
∂w ∂v = + = −γ yz′ ∂y ∂z
弹性力学第四章应力应变
当变形较小时，可展开成泰勒级数， 并略去二阶以上的小量。
f1 f1 f1 f1 f1 f1 xy x ( f1 )0 x y z yz xz z 0 x 0 xz 0 y 0 yz 0 xy 0
x C11 x C12 y C13 z C14 yz C15 xz C16 xy y C21 x C22 y C23 z C24 yz C25 xz C26 xy z C31 x C32 y C33 z C34 yz C35 xz C36 xy yz C41 x C42 y C43 z C44 yz C45 xz C46 xy
上式中 cmn(m,n=1,2…6)是弹性系数，共36个，对 于均匀材料它们为常数,称为弹性常数,与坐标无关。
上式即为广义胡克定律，可以看出应 力和应变之间是线性的。 可以证明各弹性常数之间存在关系式 cmn = c nm 。对于最一般的各向异性介质，弹 性常数也只有21个。
§4.2 弹性体变形过程中的功与能
yz C41 x C42 y C43 z C44 yz C45 xz C46 xy
xz C51 x C52 y C53 z C54 yz C55 xz C56 xy
(4-2)
xy C61 x C62 y C63 z C64 yz C65 xz C66 xy
0 0 0
f3 f3 f3 f3 f3 f3 z ( f3 )0 z yz x y xz xy z 0 x 0 xz 0 y 0 yz 0 xy 0
弹性力学 第四章应力和应变的关系
vI t
x
x
t
y
y
t
z
z
t
yz
yz
t
xz
xz
t
xy
xy
t
若固定x,y,z的值，则得在dt时间内vI 的增量为，即在上式两边乘以dt
dvI xd x yd y zd z yzd yz xz d xz xyd xy
由于内能密度 vI 是状态的单值函数，dvI 必须是全微分，因此
所以
v
1 2
(
x
x
y y
zz
xy xy
xz xz
zy zy )
张量表示
v
1 2
ij
ij
弹性体应变能 V v dV V
§4－3 各向异性弹性体
（一）极端各向异性弹性体
理论具有36个弹性常数
x c11 x c12 y c13 z c14 xy c15 yz c16 zx y c21 x c22 y c23 z c24 xy c25 yz c26 zx
的值，根据无初始应力假设，( f1)0为0。均匀材料，函数 f1
对应变的一阶偏导数为常数。这是因为对物体内各点来说，
承受相同的应力，必产生相同的应变；反之，物体内各点
有相同的应变，必承受同样的应力。
经过上面的处理后，小变形情况就可简化为
广义胡克定律
x C11 x C12 y C13 z C14 xy C15 yz C16 xz y C21 x C22 y C23 z C24 xy C25 yz C26 xz z C31 x C32 y C33 z C34 xy C35 yz C36 xz xy C41 x C42 y C43 z C44 xy C45 yz C46 xz yz C51 x C52 y C53 z C54 xy C55 yz C56 xz xz C61 x C62 y C63 z C64 xy C65 yz C66 xz
工程弹塑性力学课件：第四章应力与应变的关系(肖)
弹性力学的基本方程
一、平衡方程 应力分量满足平衡方程：
x yx zx X 0
x y z
xy y zy Y 0
(1.67)
x y z
xz yz z Z 0
x y z
ij, j Fi 0
二、几何方程
x
u x
y
v y
z
w z
xy
u y
v x
yz
v z
xy
120
1 4
x
+
3 4
y
3 4
xy
x y
190 10-6 130 10-6
xy 577 10-6
1,2
x
y
2
（ x - y
2
）2 +（ xy
2
）2 =30 10-6
330 10-6
1=360 10-6，2 =-300 10-6
2
0
=
arctan(
xy x -
y
)
61。
0
0
30.5。 120.5。
(1.82)
应变与位移的关系→本构关系
材料力学中： x
E x
x
1 E
x
y
z
1 E
x
广义虎克定律： ①正应力→正应变，与剪应变无关
②剪应力→剪应变，与正应变无关
例：贴三角形应变花。
0 =190 10-6，60 =200 10-6，120 =300 10-6， 材料常数：E=206.8109 N / m2, 0.3。
2 y
z 2
2 z
y2
2 yz
yz
0
2 z
x2
应力应变关系
第四章 应力应变关系前一章引进了应力和应变的概念以及应力分析和应变分析的公式。
应力分析仅用到力的平衡概念，应变分析仅用到几何关系和位移的连续性。
这些都没有涉及到所研究物体的材料性质。
本章开始将研究材料的性质。
这些性质决定了各种材料特殊的应力－应变关系，显示出材料的力学性能。
下面将着重描述低碳钢的力学性能，介绍各向同性材料的广义胡克定律。
作为选读材料，将介绍各向异性的复合材料单层板的应力－应变关系。
§4-1 低碳钢的拉伸试验在分别考虑了应力和应变后，从直觉上知道这两个量是互相关联的。
事实上，在第一章的绪论里已经提到过应力应变之间的胡克定律。
它描述了很大一类材料在小变形范围，在简单拉伸（压缩）条件下所具有的线性弹性的力学性能。
低碳钢Q235是工程上常用的金属材料。
这一节着重介绍低碳钢的力学性能，然后简单介绍其他一些材料的性能。
有关材料性能的知识来自于宏观的材料试验，以及从这些试验得出的宏观的、唯象的理论。
固体物理学家一直在从原子和分子量级上研究这些力学性能的微观基础。
力学家也已开始从细观尺度来分析材料的力学性能，并已经取得了很大进展。
材料力学作为固体力学的入门课程，将只限于材料的宏观力学性能的描述。
为了确定应力与应变关系，最常用的办法是用单向拉伸（压缩）试验来测定材料的力学性质。
这种试验通常是在常温（室温）下对试件进行缓慢而平稳加载的静载试验。
5l d =一、低碳钢拉伸试验按照我国的国家标准 “金属拉伸试验试样” （GB6397－86），将试件按规定做成标准的尺寸。
图4－1所示是一根中间直径为d 的圆杆型试件，两端的直径比中间部分大，以便于在试验机夹头上夹持。
试件中间取一段长度为l 的等直部分作为标距。
对圆截面标准试件，规定标距l 与直径d 的关系为 ，或，分别称为10倍试件和5倍试件。
试件也可制成截面为矩形的平板型，平板试件的10倍与5倍试件的标距分别为10l d==l和l =，其中A 为试件的横截面面积。
弹性力学 第04章应力和应变关系
第四章应力与应变关系§4-1 应力和应变的最一般关系式§4-2 弹性体变形过程中的功和能§4-3 各向异性弹性体§4-4 各向同性弹性体§4-5 弹性常数的测定§4-6 各向同性体应变能密度的表达式显然有5225C C =同理可证nmmn C C =这样就证明了极端各向异性体，只有6+30/2=21个独立的弹性常数。
⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧xy xz yz z y x xy xzyz z y x C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C γγγεεετττσσσ66564636266156554535255146454434244 136353433233 126252423222 16 15 14 13 12 111②具有一个弹性对称面的各向异性弹性体如果物体内的每一点都具有这样一个平面，关于该平面对称的两个方向具有相同的弹性，则该平面称为物体的弹性对称面，而垂直于弹性对称面的方向，称为物体的弹性主方向。
这样，物体的弹性常数从21个变为13个。
若Oyz 为弹性对称面，则（可用坐标变换公式得到）⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧xy xz yz z y x xy xzyz z y x C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C γγγεεετττσσσ665656554434244 13433233 1242322214 13 1211100000000000000如果互相垂直的3个平面中有2个式弹性对称面，则第3个平面必然也是弹性对称面。
应力和应变关系
第四章应力和应变关系一. 内容介绍前两章分别从静力学和运动学的角度推导了静力平衡方程，几何方程和变形协调方程。
由于弹性体的静力平衡和几何变形是通过具体物体的材料性质相联系的，因此，必须建立了材料的应力和应变的内在联系。
应力和应变是相辅相成的，有应力就有应变；反之，有应变则必有应力。
对于每一种材料，在一定的温度下，应力和应变之间有着完全确定的关系。
这是材料的固有特性，因此称为物理方程或者本构关系。
对于复杂应力状态，应力应变关系的实验测试是有困难的，因此本章首先通过能量法讨论本构关系的一般形式。
分别讨论广义胡克定理；具有一个和两个弹性对称面的本构关系一般表达式；各向同性材料的本构关系等。
本章的任务就是建立弹性变形阶段的应力应变关系。
二. 重点1. 应变能函数和格林公式；2. 广义胡克定律的一般表达式；3. 具有一个和两个弹性对称面的本构关系；4. 各向同性材料的本构关系；3. 材料的弹性常数。
知识点应变能原理应力应变关系的一般表达式完全各向异性弹性体正交各向异性弹性体本构关系弹性常数各向同性弹性体应变能格林公式广义胡克定理一个弹性对称面的弹性体本构关系各向同性弹性体的应力和应变关系应变表示的各向同性本构关系§4.1 弹性体的应变能原理学习思路:弹性体在外力作用下产生变形，因此外力在变形过程中作功。
同时，弹性体内部的能量也要相应的发生变化。
借助于能量关系，可以使得弹性力学问题的求解方法和思路简化，因此能量原理是一个有效的分析工具。
本节根据热力学概念推导弹性体的应变能函数表达式，并且建立应变能函数表达的材料本构方程。
根据能量关系，容易得到由于变形而存储于物体内的单位体积的弹性势能，即应变能函数。
探讨应变能的全微分，可以得到格林公式，格林公式是以能量形式表达的本构关系。
如果材料的应力应变关系是线性弹性的，则单位体积的应变能必为应变分量的齐二次函数。
因此由齐次函数的欧拉定理，可以得到用应变或者应力表示的应变能函数。
弹性力学第四章应力应变
弹性力学问题的求解方法
解析法
通过数学手段，将弹性力学问题转化为数学方程，如微分方程或积 分方程，然后求解这些方程得到弹性体的应力和应变。
数值法
对于一些难以解析求解的弹性力学问题，可以采用数值方法进行求 解，如有限元法、有限差分法等。
实验法
通过实验手段测量弹性体的应力和应变，如拉伸、压缩、弯曲等实验。
本构方程描述了物体内部的应力与应变之间的关系，是材料力学性质的表现。
本构方程的数学表达式因材料而异，对于线性弹性材料，本构方程为：$sigma_{ij} = lambda epsilon_{kk} + 2mu epsilon_{ij}$，其中$lambda$和$mu$分别为拉梅 常数。
04
弹性力学问题解法
01
材料性能评估
利用弹性力学理论，可以对材料的性能进行评估，包括材料的弹性模量、
泊松比、剪切模量等参数，为材料的加工和应用提供依据。
02
材料结构设计
通过弹性力学理论，可以对材料进行结构设计，通过调整材料的微观结
构和组分，优化材料的性能，提高材料的承载能力和稳定性。
03
材料失效分析
弹性力学还可以用于材料失效分析，通过分析材料的应力分布和应变状
分类
单位
根据不同的分类标准，应变可以 分为多种类型，如线应变、角应 变、剪应变等。
应变的单位是单位长度上的变形 量，常用的单位有百分数、弧度 等。
应变状态
01
02
03
单轴应变
当物体受到单向拉伸或压 缩时，只在某一方向上发 生形变，其他方向上保持 不变。
多轴应变
当物体受到多方向上的作 用力时，会在多个方向上 发生形变，形变情况比较 复杂。
弹性力学第四章应力和应变关系
第四章应力和应变关系应变能原理应力应变关系的一般表达式完全各向异性弹性体正交各向异性弹性体本构关系弹性常数各向同性弹性体应变能格林公式广义胡克定理一个弹性对称面的弹性体本构关系各向同性弹性体的应力和应变关系应变表示的各向同性本构关系一、内容介绍前两章分别从静力学和运动学的角度推导了静力平衡方程，几何方程和变形协调方程。
由于弹性体的静力平衡和几何变形是通过具体物体的材料性质相联系的，因此，必须建立了材料的应力和应变的内在联系。
应力和应变是相辅相成的，有应力就有应变；反之，有应变则必有应力。
对于每一种材料，在一定的温度下，应力和应变之间有着完全确定的关系。
这是材料的固有特性，因此称为物理方程或者本构关系。
对于复杂应力状态，应力应变关系的实验测试是有困难的，因此本章首先通过能量法讨论本构关系的一般形式。
分别讨论广义胡克定理；具有一个和两个弹性对称面的本构关系一般表达式；各向同性材料的本构关系等。
本章的任务就是建立弹性变形阶段的应力应变关系。
二、重点1、应变能函数和格林公式；2、广义胡克定律的一般表达式；3、具有一个和两个弹性对称面的本构关系；4、各向同性材料的本构关系；5、材料的弹性常数。
§4.1 弹性体的应变能原理学习思路:弹性体在外力作用下产生变形，因此外力在变形过程中作功。
同时，弹性体内部的能量也要相应的发生变化。
借助于能量关系，可以使得弹性力学问题的求知识点解方法和思路简化，因此能量原理是一个有效的分析工具本节根据热力学概念推导弹性体的应变能函数表达式，并且建立应变能函数表达的材料本构方程。
根据能量关系，容易得到由于变形而存储于物体内的单位体积的弹性势能，即应变能函数。
探讨应变能的全微分，可以得到格林公式，格林公式是以能量形式表达的本构关系。
如果材料的应力应变关系是线性弹性的，则单位体积的应变能必为应变分量的齐二次函数。
因此由齐次函数的欧拉定理，可以得到用应变或者应力表示的应变能函数。
第四章应力与应变关系本构方程
第四章 应力与应变关系 本构方程
4―1 4－2 4－3 4－4 4－5
广义虎克定律 应变能、应变能与弹性常数的关系 正交各向异性体的本构方程 层向同性体的本构方程 各向同性体的本构方程
zx
G
常数关系:
E (1 )(1 2 )
E G 2(1 )
Ez
z
z
Ez
zy y
Ey
zx x
Ex
xy
xy
Gxy
yz
yz
Gyz
zx
zx
Gzx
4－4 层向同性体的本构方程
层向同性材料，弹性常数有5个
C11 C12 C13 C23 C55 C66
C44
1 2
(C11
C22 )
x C11 x C12 y C13 z
y C12 x C11 y C13 z
UA
单位体积的变形能，即应变能
U0 U0 ( x , y , z , xy , yz , zx )
二、弹性体内力的功
xxdxdydz 1. 正应力作的功： y ydxdydz
zzdxdydz
xy xydxdydz 2. 剪应力作的功： yzyzdxdydz
zx zxdxdydz
则，单元体积上内力的功：
Cmn Cnm
4－3 正交各向异性体的本构方程
对于正交各向异性材料，弹性常数有9个
C15 C16 C25 C26 C35 C36 C45 C46 0 C14 C24 C34 C65 0
1 有限元-应力应变关系
p 时，应力与应 线弹性阶段， 变成比例。
E
E
上 海 交 通 大 学
SJTU
纯剪切应力状态下，线弹性阶段， p 时，切应力与切应变成比例。
o
p
G
G
G
剪切弹性模量（Shear Modulus)
Robert Hooke－England Scientist
y
x
x
x
y
z
z
上 海 交 通 大 学
SJTU
x
z
z
1 x
x
E
线应变 x : 同样可以得 到y 和 z
2 2 x y
y
E 3 x z3 z E
1 x 2 x 3 x
x
x ( y z )
b
上 海 交 通 大 学
SJTU
2 无屈服、强化和局部变形现象，衡
量其强度的唯一指标是强度极限。
3 受拉直至断裂，变形很小，横截面
o
的大小几乎无变化。
0.4 ~ 0.5%
典型脆性材料
材料力学 Mechanics of Materials
第四章 应力－应变关系
其他塑性材料的拉伸 1.7 其它塑性金属材料拉伸时的力学行为
断口
1 低碳钢拉伸
2
颈缩阶段－滑移线
上 海 交 通 大 学
SJTU
低碳钢（受拉）
铸铁（受压）
混凝土（受压）
铸铁（受拉）
材料力学 Mechanics of Materials
第四章 应力－应变关系
第四章应力应变关系
4 应力应变关系4.1弹性变形时应力和应变的关系当材料所受应力小于其线弹性极限时，材料应力应变间的关系服从广义Hooke 定律，即1()1()1()111222x x y z y yx zz z x yxy xy yz yz zx zxE E E G G G εσνσνσεσνσνσεσνσνσετετετ⎧=--⎪⎪⎪=--⎪⎨⎪=--⎪⎪⎪===⎩，， （4.1） 式中，E 为拉压弹性模量，G 为剪切模量，ν为泊松比，对于各向同性材料，三个常数之间满足()21E G ν=+关系。
由上式可得11212()()33m x y z x y z m E E ννεεεεσσσσ--=++=++= （4.2） 于是11()'2x m x m x E G νεεσσσ+-=-= 或1112''22x m x x m G G Eνεεσσσ-=+=+ 类似地可以得到1112''22y m y y m G G E νεεσσσ-=+=+ 1112''22z m z z m G G Eνεεσσσ-=+=+于是，方程（4.1）可写成如下形式1212'00'0000'x xy xz x xy xz m v yx y yz yx y yz m G E m zx zy z zx zy z εγγσττσγεγτστσσγγεττσ-⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭即'1122ij ij m ij ij m G Eνεεεσδσ-'=+=+ （4.3）显然，弹性变形包括体积改变的变形和形状改变的变形。
前者与球应力分量成正比，即12m m E νεσ-= （4.4）后者与偏差应力分量成正比，即''12''12''12111222x x m x G y y m y G z z m z G xy xy yz yz zx zxG G G εεεσεεεσεεεσετετετ⎧=-=⎪=-=⎪⎨=-=⎪⎪===⎩，，或简写为2ij ij G σε''= （4.5）此即为广义Hooke 定律。
动荷载下土的应力应变关系
4．3．1 等效线性模型（Hardin-Drnevich 模型）
等效线性模型就是将土视为粘弹性体，采用等效弹性模量 E 或 G 和等效阻尼比 λ 来反
映土体动应力～动应变关系的非线性与滞后性。并且将模量与阻尼比表示为动应变幅的函
数，即 Ed = E(ε d )， λ = λ(ε d ) 或 Gd = G(ε d )， λ = λ(ε d ) ，同时在确定上述关系中考
4．2 应力应变关系的力学模型
从土受力后的表现可以抽象出以下三个基本力学元件（即弹性元件、粘性元件和塑性元 件），并且可用这三个元件的组合来近似地描述土的力学性能。
如果在上述每种力学元件上作用的应力σ 为往返动应力，即σ d = σ m sin ω ⋅ t ，则可以
看出，对于弹性元件（Hooke 模型），动应力应变关系为过原点的一条斜直线（如图 4-4a）， 直线的斜率取决于弹性元件的弹性模量 E，应力应变曲线内的面积等于零。对塑性元件
σ d ≥ σ 0 时为粘性元件的关系，因此组合成一个
如图 4-9 所示的曲线形态。
图 4－8
6
σ
σ σ0 o −σ0
σ0
c (Bigham 体)
σ
σ
σ
0
σ0
σc o εd
E1
σ
σ
E2
σ0
σd
σ0 1
o E
−σ0 1
E1 E 1 εd
图 4-9
图 4-10
对于双曲线模式如图 4-10 所示，当 σ d ≤ σ 0 时，σ d = (E1 + E2 )ε d ；当 σ d ≥ σ 0 时，
（3）变形积累性
由于土体在受荷过程中会产生不可恢复的塑性变形，这一部分变形在循环荷载的作用下
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。 (三)强化阶段——CD段
过了屈服阶段以后，材料又恢复了抵抗变形的能力，
要化使 ，它强增化加 阶变 段形 中必 的须最增高加点拉D所力对，应这的种现称象D为称强为度材极料限的。强
.
广义虎克定律--应力应变曲线 (四)局部变形阶段——DG段
过了D点以后，在局部范围内，横截面急剧缩小，继 续伸长需要拉力相应减小，到G点处，试件被拉断。
.
广义虎克定律--应力应变曲线 在常温、静载情况下，由材料拉伸试件可得到 应力与应变关系曲线。不同材料得到的应力应变曲 线不同。图4-1给出低碳钢应力应变曲线。从图中可 看出，该曲线大致可分为四个阶段：
图4-1 某材料应力与应变关系曲线
.
广义虎克定律--应力应变曲线
(一)弹性阶段——OB段
在此段内，撤去外力时 (
A点与B点非常接近，工程上弹性极限 B和比例极限 并A 不严格区分。这种情况下，横向应变 与' 轴向应
变 绝 对值之比一般是常数，即
'
（4-2）
称为横向变形系数或泊松比。
.
广义虎克定律--应力应变曲线 (二)屈服阶段——BC段
当 后，B出现应变增加很快，而应力在很小范围
内波动的阶段。这种应力变化不大，而应变显著增加的
y
f2
(
x
,
y
,
z
,
yz
,
zx
,
xy
)
z f 3 ( x , y , z , y z , zx , x y )
yz
f4
(
x
,
y
,
z
,
yz
,
zx
,
xy
)
zx
f5
(
x
,
y
,
z
,
yz
,
zx
,
xy
)
x y f 6 ( x , y , z , y z , zx , x y )
（4-3b）
zx
C51x
C52 y
C53z
C54 yz
C55 zx
C56 xy
xy C61x C62 y C63z C64 yz C65 zx C66 xy
.
广义虎克定律
上式表明在弹性体内，任一点的每一应力分量都是 6个应变分量的线性函数，反之亦然。简单拉伸实验已 指出在弹性极限以内，应力与应变呈线性关系，与上 式一致。
C15 C25
C16 C26
x y
z
yz
CC3411
C32 C42
C33 C43
C34 C44
C35 C45
C36 C46
z yz
zx
C51
C52
C53
C54
C55
C56
zx
xy C61 C62 C63 C64 C65 C66 xy
(4-4)
可以证明对各向异性体，由于应变能存在，也只有 21个弹性常数独立，对各向同性体，只有两个弹性常 数独立。
.
X x
yx y
zx z
X
2u
t2
xy x
y y
zy z
Y
2v t2
xz x
yz y
z z
Z
2w t2
平衡运动微分方程
.
应力与应变关系
x
u x
y
v y
z
w z
xy
v x
u y
yz
w y
v
z
zx
u z
w x
几何方程
应力与应变关系
要解决弹性动力学问题，还要研究应力与应变的关 系，这种关系通常被称为物理方程或本构方程。即还 需要补充应力与应变关系(6个方程)。应力与应变的关 系反映物质固有的物理特性，应力分量与应变分量的 一一对应关系，在线性弹性范围内，便是广义虎克定 律。
地球物理场论 I
海洋地球科学学院 地球探测信息与技术系
宋鹏
.
第四章 应力与应变关系
4.1 广义虎克定律 4.2 工程弹性常数及相互间关系式 4.3 简单和复杂应力状态下弹性应变能和应变能密度 4.4 能量密度与能通量密度
.
应力与应变关系 在前几章中，从静力学、动力学和几何学的观点分 别研究了应力和应变。前面知道联结应力分量(6个)与 位移分量(3个)有3个方程，联结应变分量(6个)与位移 分量(3个)有6个方程，15个未知数9个方程，还需要6 个方程才能求解弹性动力学问题。
.
（4-3a）
广义虎克定律
在小变形条件下，应变分量都是微量，(a)式在应变 为零附近做Taylor展开后，忽略2阶以上的微量，例如
对 ， 可x 得：
x
(f1)0
(f1x)0x
(f1y)0y
(f1
z
)0z
( f1
yz
)0yz
(f1zx)0zx
(f1xy)0xy
.
广义虎克定律 展开系数表示函数在其对应变分量一阶导数在应变分 量等于零时的值，而 实( f 1 际) 0 上代表初应力，由于无初应 力假设 等于( f 1零) 0 。 其它分量类推，那么在小变形情况下应力与应变关系 式简化为：
x C11x C12 y C13z C14 yz C15 zx C16 xy
y
C21x
C22 y
C23z
C24 yz
C25 zx
C26 xy
z yz
C31x C41x
C32 y C42 y
C33z C43z
C34 yz C44 yz
C35 zx C36 xy C45 zx C46 xy
在纯剪应力作用时，与xy 也x y成正比， xy，比G例xy系
数G称剪切弹性模量
.
广义虎克定律 在空间应力状态下，描述一点应力状态需6个应力分量 ，与之相应的应变状态也要用6个应变分量来表示。它 们之间存在一定关系。假设应力是应变的函数，分量形 式表示为：
x f1 ( x , y , z , yz , zx , xy )
上式作为虎克定律在复杂受力情况下的一个推广， 因此称为广义虎克定律。式中系数Cm n(m ,n1,是2, ,6) 物质弹性性质的表征，由均匀性假设可知这些弹性性 质与点的位置无关，称为弹性常数。上式也可以写成 矩阵形式
.
广义虎克定律
x
y
C11 C21
C12 C22
C13 C23
C14 C24
，为即直变线形，完 说全 明消 当失。通时常，为
A，,称将成 为) 沿B线弹O性(性B关,线极系恢限) 即复。回而原OA点段O
E(4-1)
.
广义虎克定律--应力应变曲线
其中E是与材料有关的弹性常数，通常称为弹性模
量，E的量纲与 相 同，一般用GN/m2。 则A 称为比例极限，上式即为来自克定律的数学表达式。.
各向同性体的广义虎克定律 如果物体是各向同性的，则在任何方向上弹性性质相 同，因此在各个方向上应力与应变关系相同。 下面来证明对于各向同性体，只有两个独立的弹性常 数。 （一）首先证明弹性状态下，主应力和主应变方向重合。