第二章各向异性材料的应力应变关系
弹性力学：04 应力和应变的关系
广义胡克定律
杨氏模量
单向应力状态时的胡克定律是
x E x
式中 E 称为弹性模量。对于一种材 料在一定温度下，E 是常数。
Chapter 5.1
广义胡克定律
泊松比
在单向拉伸时，在垂直于力作用线的方向发生收缩。
在弹性极限内，横向相对缩短 x 和纵向相对伸长 y
成正比，因缩短与伸长的符号相反，有：
ν
x y
Chapter 5.1
广义胡克定律
根据实验可知，xy只引起 xy 坐标面内的剪应变xy，
而不引起 xz、yz，于是可得
xy
xy
G
同理
yz
yz
G
zx
zx
G
Chapter 5.1
广义胡克定律
于是，得到各向同性材料的应变-应y
1 E
y
ν x
z
z
ij
1 2
ui, j u j.i
协调条件：
ij,kl kl,ij ik , jl jl,ik 0
对于一个假定位移场ui ，其相应的协调应变分量ij 可直接由应
变－位移关系得到。显然，这组协调的应变和位移，仅仅是许 多其他可能的应变和位移场中的一组。
几何可能的位移未必是真实的，真实位移在弹性体内部须满足 以位移表示的平衡微分方程。
应力和应变的关系
1. 本构关系的概念 2. 广义胡克定律 各向同性体 3. 各向异性弹性体 4. 热力学定律与应变能函数 5. 应变能和应变余能(自学) 6. 热弹耦合本构关系(自学) 7. 例题
应力和应变的关系
1. 本构关系的概念 2. 广义胡克定律 各向同性体 3. 各向异性弹性体 4. 热力学定律与应变能函数 5. 应变能和应变余能(自学) 6. 热弹耦合本构关系(自学) 7. 例题
第二章 各向异性材料弹性力学基本知识
C12 C22 C32 C42 C52 C62
C13 C23 C33 C43 C53 C63
C14 C24 C34 C44 C54 C64
C15 C25 C35 C45 C55 C65
C16 x C26 y C36 z C46 yz C56 zx C66 xy
2 x 2 z 2 zx 2 2 z x zx
应力边界条件：
2 x 2 y z 2 y xy yz zx 2 y z x y zx 2 z yz zx xy 2 z x y z xy
x xy xz fx 0 x y z xy y yz fy 0 x y z xz yz z fz 0 x y z
ij ,i fi 0
ij ,i fi 0
i, j 1,2,3
其中：fx， fy， fz 为体力分量
对于直角坐标系oxyz，几何方程为
u x x v y y w z z v w yz z y w u xz x z u v xy y x
1 ij ui , j u j ,i 2
i, j 1, 2,3
应力与应变关系的一般形式为：
x f1 x , y , z , yz , zx , xy y f 2 x , y , z , yz , zx , xy z f3 x , y , z , yz , zx , xy xy f 6 x , y , z , yz , zx , xy
各向异性弹性力学(课堂PPT)
17
有的文献中定义应力“列矢量”为
1 11
2 22
3 33
4 23
5 31
6 12
应变“列矢量”为
1 11
4 223
2 22
5 231
3 33
6 212
注意： 4 ， 5 ， 6 就是剪切角 2 3 ， 3 1 ， 1 2 。 18
于是可以把弹性本构关系写成：
i Cij j
量，L理解为弹性刚度张量；也可以理解为矩阵等式， ，
理解为应力列矢量和应变列矢量，[L]理解为弹性刚度矩
阵。L与M具有Voigt对称性，因此矩阵L与M为9列9行的
对称矩阵。
15
由于应力张量与应变张量都是对称张量。（2－2）式
中的列矢量 与 的第4行与第5行相同，第6行与第7行 相同，第8行与第9行相同。弹性刚度矩阵 L 与柔度矩阵 M
L1133 L2233 L3333 L2333 L3133 L1233
L1123 L2223 L3323 L2323 L3123 L1223
L1131 L2231 L3331 L2331 L3131 L1231
L1112
L2212
L3312 L2312
L3112
L1212
M1111
M2211
图2－1 25
斜面BCD的外法线为N，令N的方向余弦为：
则有
cos(N , x) 1
c
o
s
(
N
,
y)
m
c o s ( N , z ) n
(dF)x ldF (dF)y mdF (dF)z ndF
式中，( d F ) 、( d F ) x 、( d F ) y 、( d F ) z 依次为三角形BCD、ACD、 ABD、ABC的面积。令四面体微元的体积为dV，斜面 BCD上应力向量在坐标方向上的分量为P N x 、P N y 、P N z ，则
2 第二章 应力和应变
第二章应力和应变地震波传播的任何定量的描述，都要求其能表述固体介质的内力和变形的特征。
现在我们对后面几章所需要的应力、应变理论的有关部分作简要的复习。
虽然我们把这章作为独立的分析，但不对许多方程进行推导，读者想进一步了解其细节，可查阅连续介质力学的教科书。
三维介质的变形称为应变，介质不同部分之间的内力称为应力。
应力和应变不是独立存在的，它们通过描述弹性固体性质的本构关系相联系。
2.1 应力的表述——应力张量2.1.1应力表示考虑一个在静力平衡状态下，均匀弹性介质里一个任意取向的无限小平面。
平面的取向可以用这个平面的单位法向矢量nˆ来规定。
在nˆ方向的一侧施加在此面单位面积上的力叫做牵引力，用矢量),,()ˆ(zyxtttnt=表示。
在nˆ相反方向的另一侧施加在此面上的力与其大小相等，方向相反，即)ˆ()ˆ(ntnt-=-。
t在垂直于平面方向的分量叫做法应力，平行于平面方向的分量叫做剪应力。
在流体的情况下，没有剪应力，nptˆ-=，这里P 是压强。
上面的表示这是一个平面上的应力状况，为表示固体内部任意平面上的应力状态，应力张量τ在笛卡尔坐标系（图 2.1）里可以用作用于xyxzyz,,平面的牵引力来定义(：ˆˆˆ()()()ˆˆˆ()()()ˆˆˆ()()()xx xy xzx x xy y y yx yy yzz z z zx zy zzt x t y t zt x t y t zt x t y t zττττττττττ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（2.1）在右式的表示中，第一个下角标表示面的法线方向，第二个下角标表示该面上应力在该坐标轴上的投影。
图2.1 在笛卡尔坐标系里描述作用在无限小立方体面上的力的牵引力矢量)ˆ(),ˆ(),ˆ(z t y t xt 。
应力分量的符号规定如下：对于正应力，我们规定拉应力为正，压应力为负。
对于剪应力，如果截面的外法线方向与坐标轴一致，则沿着坐标轴的正方向为正，反之为负；如果截面方向与外法线方向相反，则沿着坐标轴反方向为正。
第二章：弹性力学基本理论及变分原理
第二章 弹性力学基本理论及变分原理弹性力学是固体力学的一个分支。
它研究弹性体在外力或其他因素（如温度变化）作用下产生的应力、应变和位移，并为各种结构或其构件的强度、刚度和稳定性等的计算提供必要的理论基础和计算方法。
本章将介绍弹性力学的基本方程及有关的变分原理。
§2.1小位移变形弹性力学的基本方程和变分原理在结构数值分析中，经常用到弹性力学中的定解问题及与之等效的变分原理。
现将它们连同相应的矩阵形式的张量表达式综合引述于后，详细推导可参阅有关的书籍。
§2.1.1弹性力学的基本方程的矩阵形式弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6个应力分量表示，它们的矩阵表示称为应力列阵或应力向量111213141516222324252633343536444546555666x x y y z z xy xy yz yz zx zx D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D σεσεσετγτγτγ⎧⎫⎡⎤⎧⎫⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎪⎪=⎢⎥⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎣⎦⎩⎭ (2.1.1) 弹性体在载荷作用下，将产生位移和变形，弹性体内任意一点位移可用3个位移分量表示，它们的矩阵形式为[]T u u v u v w w ⎧⎫⎪⎪==⎨⎬⎪⎪⎩⎭(2.1.2)弹性体内任意一点的应变，可由6个应变分量表示，应变的矩阵形式为x y Tz xy z xy yz zx xy yz zx εεεσεεεγγγγγγ⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎡⎤==⎨⎬⎣⎦⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭(2.1.3)对于三维问题，弹性力学的基本方程可写成如下形式 1 平衡方程0xy x zx x f x y z τστ∂∂∂+++=∂∂∂ 0xy y zy y f xyzτστ∂∂∂+++=∂∂∂0yz zx zz f x y zττσ∂∂∂+++=∂∂∂ x f 、y f 和z f 为单位体积的体积力在x 、y 、z 方向的分量。
第2章 各向异性材料弹性力学基础_2017_19990
The basic questions of lamina macromechanics are: (1) what are the characteristics of a lamina? and (2) how does a lamina respond to applied stresses as in Figure 2-1?
• 平衡方程 σ ij , j + fi = 0 i, j = 1,2,3
展开一个方程:
∂σ x ∂x
+
∂τ xy ∂y
+
∂τ xz ∂z
+
f
= 0x
• 运动方程:
σ ij , j +
fi = ρ
∂ 2u ∂t 2
惯性力
指标重复服从加法约定
平衡方程
⎧ ⎪ ⎪
∂σ x ∂x
+
∂τ xy ∂y
+
∂τ xz ∂z
线性弹性力学中的六个应变分量εij之 间必须满足的微分方程。 六个应变分 量εij是由三个位移分量导出的，它们 彼此之间存在一定的内在联系，这些 联系就是应变协调方程。
• （i, j 交换）共有六个方程，六个应变分量应该 满足的一个关系，即:
ε ε ε ε + = + ij,kl
kl,ij
ik, jl
几何关系方程
εx
=
∂u ∂x
,
εy
=
∂v ∂y
,
εz
=
∂w ∂z ,
γ yz
=
∂w ∂y
+
∂v ∂z
;
γ zx
=
第二章各向异性弹性力学
以上的力学,几何,物理,以及边界条件诸方 面构成各向异性弹性力学的基本方程,与 各向同性弹性力学的区别在于物理方程. 其它均相同
弹性介质的本构关系 均质弹性体的弹性性质 坐标转换(应力应变及弹性系数转轴公式 坐标转换 应力应变及弹性系数转轴公式) 应力应变及弹性系数转轴公式 弹性对称性——本构关系的简化 本构关系的简化 弹性对称性 正交异性材料弹性常数的物理意义
各向异性弹性力学问题需满足的 基本方程
与各向同性弹性力学一样, 与各向同性弹性力学一样,各向异性弹性 力学有15 15个未知量 力学有15个未知量
3个位移分量,u,v,w
6个应变分量,ε x ,ε y , ε z ,γ yz ,γ xz ,γ yx
6个应力分量,σ x ,σ y , σ z ,τ yz ,τ xz ,τ yx
L1122 L2222 L3322 L2322 L3222 L3122 L1322 L1222 L2122
L1133 L2233 L3333 L2333 L3233 L3133 L1333 L1233 L2133
L1123 L2223 L3323 L2323 L3223 L3123ห้องสมุดไป่ตู้L1323 L1223 L2123
15个场方程 15个场方程 静力平衡方程（ ）＋几何关系 几何关系（ ）＋本构方程 本构方程（ 静力平衡方程（3）＋几何关系（6）＋本构方程（6） 可以求解了吗？ 可以求解了吗？
定解还需边界条件！ 定解还需边界条件！
给定力的边界条件(3) 给定力的边界条件(3)
σ x l + τ xy m + τ xz n = X ,已知 τ yx l + σ y m + τ yz n = Y ,已知 τ l + τ m + σ n = Z ,已知 zy z zx
我所认识的应力与应变的关系
我所认识的应力与应变的关系我所认识的本构关系可以从三个不同的受力条件下进行分析，第一是在弹性变形下的应力与应变的关系，第二是在屈服条件下的应力与应变的关系，第三是在塑性条件下的应力与应变的关系，而对应力与应变的关系的研究也可以归结为对本构关系的研究。
首先，弹塑性力学分别从静力学和几何学的角度出发，导出了平衡方程的和几何方程，这些方程均与物体的材料性质（物理性质）无关，因而适用于任何连续介质。
但仅仅依靠平衡方程和几何方程来解决实际中的工程问题是不够的。
由于平衡方程仅建立了力学参数（应力分量与外力分量）之间的联系，而几何方程也仅建立了运动学参数（位移分量与应变分量）之间的关系，所以平衡方程与几何方程式两类完全相互独立的方程，他们之间还缺乏必要的联系。
对于所求解的问题来讲，因为您未知量的数目多于任何一类方程的个数，所以无法利用这两类方程求的全部未知量。
平衡方程：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=+∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=+∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=+∂∂+∂∂+∂∂222222000t w Z z y x t v Y z y x t u X z y x z zy zx yz y yx xz xy x ρσττρτστρττσ （1） 几何方程：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫∂∂+∂∂=∂∂=∂∂+∂∂=∂∂=∂∂+∂∂=∂∂=x w z u z w z v y w y v y u x v x u zx z yz y xy x γεγεγε （2） 为了求解具体的力学问题，还必须引进一些关系式，这些关系式即所谓的本构关系。
本构关系反映可变形体材料的固有特此那个，故也称为物理关系，它实际上是一组联系力学参数和运动学参数的方程式，即所谓的本构方程。
本构方程实际上就是一组反映可变形体材料应力和应变之间关系的方程。
在单向应力状态下，理想弹性材料的应力和应变之间的关系极其简单。
这就是在材料力学中寻出的如下形式的胡克定律：x x E εσ= （3）胡克定律是一个实验定律，在式（1.1）中的E 是材料性质有关的弹性常数，称为弹性模量和杨氏模量。
第二章各向异性弹性力学基础
单层板在非材料主向上的应力-应变关系
我们也可以用应力来表示应变
特殊的正交各向异性单层板本构
cos 2 2 sin T sin cos sin 2 cos 2 sin cos 2sin cos 2sin cos cos 2 sin 2
不一致时 x
T
1 T
R T R
1
S ?
Q T Q T 转换折减刚度矩阵
1
1 T
单层板在非材料主向上的 应力-应变关系
广义的正交各向异性单层板本构
x Q11 x Q y Q12 y Q xy 16 xy
S12 S 22 S 26
S16 x S 26 y S66 xy
其中的柔度矩阵的元素，可定义为：
S11 1 Ex
S66
拉压 剪切
1 Gxy
S12 S 22
xy
Ex
yx
Ey
, xy
E x S12
2 2 2 1 1 2 2 12 (sin 4 cos 4 ) S 66 2 sin cos E1 G12 G1 2 E1 E 2 2 2 12 2 2 1 1 3 3 12 S 16 sin cos sin cos E1 G12 E1 G12 E2 E1 2 2 12 2 1 2 1 3 3 12 S 26 sin cos sin cos E1 G12 E1 G12 E2 E1
复合材料力学第二章2PPT课件
S13S 22
, C 22
S11S 33
S
2 13
S
,
C 23
S 1 2 S 1 3 S S2 3 1 1 S
, C 33
S11S 22 S
S
2 12
C 44
1 S 44
, C 55
1 S 55
, C 66
1 S 66
其中：
S S 1 1 S 2 2 S 3 3 S 1 1 S 2 2 3 S 2 2 S 1 2 3 S 3 3 S 1 2 2 2 S 1 2 S 2 3 S 1 3
S12 0
S11 0
0 2 S11 S12
0 0
0
0
0 0 0 0 0 0
0 0
2S11 S120ຫໍສະໝຸດ 02S11 S12
同样可写出几种特殊材料的刚度矩阵形式及独立常数 个数。
2 S 1 1 S 1 2 2 ( 1 / E / E ) 2 ( 1 ) / E 1 / G
§2-2 正交各向异性材料的工程常数
i j 为应力在i方向作用时在j方向产生横向应变的泊松比
ij
j i
根据柔度矩阵的对称性 Sij S ji
可得： i j j i 正交各向异性材料三个互等关系 Ei E j
由此可见：只要知道3个弹性模量和3个泊松比，就可
以计算出另3个泊松比。所以：有9个独立的工程常数
下面用二维图形简单解释一下应力-应变关系
1 E2
32 E3
0
0
0
S ij
13 E1
23 E2
0
0
1 E3
0
0
1 G 23
0 0
0
0
我所认识的应力应变关系讲解
我所认识的应力应变关系应力应变都是物体受到外界载荷产生的响应。
物体由于受到外界载荷后，在物体内部各部分之间要产生互相之间的力的作用，由于受到力的作用就会产生相应的变形；或者由于变形引起相应的力的作用。
则一定材料的物体其产生的应力和应变也必然存在一定的关系。
一应力-应变关系影响本构关系的因素有很多，例如材料、环境、加载类型（载荷、温度）、加载速度（动载荷、静载荷）等，当然，本构关系有很多类型，包括弹性、塑性、粘弹性、粘塑性、各向同性、各向异性本构关系，那么首先来叙述一下简单情况本构关系，所谓简单情况就是六个应力分量x y xy yz zx、、z 、、、只有一个不为零，六个应变分量x y xy yz zx、、z 、、、只有一个自由变化，应力应变关系图1-1。
图1-1 应力应变关系图图中OA 为线弹性阶段，AB 为非线弹性阶段，故OB 为初始弹性阶段，C 点位初始屈服点，s为初始屈服应力，CBA 为弹性阶段卸载，这一阶段中E ，初始弹性阶段结束之后，应力继续增大，进入塑性阶段，CDE 为强化阶段，应变强化硬化，EF 为颈缩阶段，应变弱化软化。
如果在进入塑性阶段卸载后再加载，例如在D点卸载至零，应力应变关系自D点沿'DO∥OA，其中DO到达'O点，且''OO为塑性应变p，DG为弹性应变e，总应变为它们之和。
此后再继续加载，为应力应变关系沿ODEF变化，D点为后继屈服点，OD为后继弹性阶段，'s后继屈服应力，值得一提的是初始屈服点只有一个，而后继屈服点有无数个（由加载历史决定）。
若在卸除全部载荷后反向加载，弹性阶段'COC，s s，而在强化阶段'，称为Bauschinger效应。
DOD，s s从上述分析得出材料弹塑性行为有一定的特殊性，主要表现在：弹性应力应变关系是线性，且是单值对应关系，而塑性应力应变关系是非线性的非单值对应。
因为通常情况下物体不仅仅处于简单应力状态，那么复杂应力状态下应力应变关系又如何呢？如果我们将材料性质理想化即假设材料是连续的、均匀的、各向同性的，忽略T、t的影响，忽略净水压力对塑性变形的影响，可以将应力应变关系归结为不同的类型，包括理想线弹性模型、理想刚塑性模型、线性强化刚塑性模型、理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型、幂强化模型、等向强化模型、随动强化模型。
第二章各向异性材料的应力应变关系
四：横向各向同性材料的应力-应 变关系
三个相互垂直的弹性对称面中有一个是各向同 性的，如单向纤维增强复合材料。
其应力-应变关系为：
独立弹性常数只有５ 个
五：各向同性材料的应力-应变关 系
具有无穷多个弹性对称面的材料称为各向同性材 料。这种材料对于三个相互垂直的弹性对称面 的弹性性能完全相同。刚度系数满足：
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复合材料力学与结构
第二章各向异性材料的应力应变关系
２.１三维各向异性材料的应力-应 变关系
一：广义胡克定律
在弹性变形范围内，应力与应变成正比例关系，
其比例系数称为弹性量。（拉压模量、剪切模
量等）
ij C ijkl kl
应力与应变的 关系
S ij
ijkl (ki.lj.k.l=1.2.3)
则柔度系数与工程弹性常数关系为：
同理，沿 ２ 轴向和 ３ 轴向的 单向拉伸，还可得：
对于102面、203面和103面的纯剪切，可得：
式中E1,E2,E3和G12,G23,G13分 别为正交各向异性材料的拉压弹 性模量和剪切弹性模量； V12,V23,V13以及V21,V32,V31分 别为主泊松比和副泊松比
单对称材料的应力
则单对称材料的应力应变关系就可以表示为：
则其应变-应力关系可以表示为：
三：正交各向异性材料的应力-应 变关系
具有三个相互正交的弹性对称面的材料称为正交 各向异性材料。按单对称材料分析方法可得：
则应力-应变关系为：
应变-应力关系为：
独立弹性常数只有９个， 正交各向异性材料三个 相互垂直的弹性对称面
第二章各向异性材料的应力应变关系
则用工程弹性常数表达的正交各向异性材料的应 变-应力关系为：
由刚度系数矩阵与柔度系数矩阵的可逆性，可得：
式中：
工程弹性常数的互等关系 由于柔度矩阵的对称性，可得工程弹性常数的 互等关系为：
9个工程弹性常数，3个拉压 弹性模量，3个剪切弹性模量， 3个主泊松比
则刚度矩阵和柔度矩阵分别为：
三个相互垂直的弹性对称面中有一个是各向同 性的，如单向纤维增强复合材料。
其应力-应变关系为：
独立弹性常数只有５ 个
具有无穷多个弹性对称面的材料称为各向同性材 料。这种材料对于三个相互垂直的弹性对称面 的弹性性能完全相同。刚度系数满足：
其应力-应变关系： 其应力 应变关系： 应变关系
应变-应力关系： 应变 应力关系： 应力关系
第二章各向异性材料的应力应变关系
一：广义胡克定律
在弹性变形范围内，应力与应变成正比例关系， 其比例系数称为弹性量。（拉压模量、剪切模 量等）
σ
ij
= C ijkl ε
kl kl
应力与应变的 关系
ε ij = S ijkl σ
(i.j.k.l=1.2.3)
应变与应力的 关系
简化后，工程上常用的胡克定律表达式：
σ i = Cij ε j ε i = Sijσ j
(i.j=1.2.3.4.5.6) 其中：[Cij]刚度矩阵，[Sij] 柔度矩阵，互为逆矩 阵轴和 ３′ 轴方向上的应力和 应变有以下关系：
单对称材料的应力
则单对称材料的应力应变关系就可以表示为： 则单对称材料的应力应变关系就可以表示为：
则其应变-应力关系可以表示为： 则其应变 应力关系可以表示为： 应力关系可以表示为
具有三个相互正交的弹性对称面的材料称为正交 各向异性材料。按单对称材料分析方法可得：
弹性力学：04 应力和应变的关系
广义胡克定律
杨氏模量
单向应力状态时的胡克定律是
x E x
式中 E 称为弹性模量。对于一种材 料在一定温度下，E 是常数。
Chapter 5.1
广义胡克定律
泊松比
在单向拉伸时，在垂直于力作用线的方向发生收缩。
在弹性极限内，横向相对缩短 x 和纵向相对伸长 y
成正比，因缩短与伸长的符号相反，有：
C1113 C2213 C3313 C2313 C3113 C1213 C3213 C1313 C2113
C1121 e11
C2221
e22
C3321 C2321
e33 e23
C3121
e31
C1221 e12
C3221
e32
C1321 e13
C2121
泊松比广义胡克定律chapter51轴的相对伸长它由三部分组成即线弹性叠加原理广义胡克定律chapter51其中是由于广义胡克定律chapter51将上述三个应变相加即得在同时作用下在x轴方向的应变广义胡克定律chapter51根据实验可知xy只引起xy坐标面内的剪应变xy而不引起xzyz于是可得xyxy同理yzyzzxzx广义胡克定律chapter51于是得到各向同性材料的应变应力关系
ν
x y
Chapter 5.1
广义胡克定律
根据实验可知，xy只引起 xy 坐标面内的剪应变xy，
而不引起 xz、yz，于是可得
xy
xy
G
同理
yz
yz
G
zx
zx
G
Chapter 5.1
广义胡克定律
于是，得到各向同性材料的应变-应力关系：
x
1 E
x
各向异性材料的应力应变关系
各向异性材料的应力应变关系各向异性材料是指在力学性能方面存在明显差异的材料，其应力应变关系是描述这种材料在外力作用下的变形规律。
与各向同性材料不同，各向异性材料的力学性能在不同的方向上有所不同，体现为不同的应力应变关系。
本文将介绍各向异性材料的应力应变关系，并探讨其应用。
各向异性材料的应力应变关系通常通过弹性常数矩阵来描述，即Hooke定律。
弹性常数矩阵是一个6x6的矩阵，其元素代表了材料在不同方向上的刚度。
根据物理对称性的不同，各向异性材料可以分为各种不同类型，包括各向异性、正交各向异性、轴对称各向异性和平面应力各向异性等。
以各向异性材料中最简单的铜单晶为例，其结构具有高度的各向异性。
在外力作用下，铜单晶沿着特定方向上的应力和应变不同于其他方向。
其应力应变关系可以通过线性弹性理论来描述。
假设应力和应变之间的关系为线性，即应力和应变之间满足线性比例关系，如下所示：σ=Cε其中，σ为应力矢量，C为弹性常数矩阵，ε为应变矢量。
对于各向异性材料，弹性常数矩阵C是一个对称矩阵，其中包含了各向异性材料在不同方向上的弹性模量和剪切模量等信息。
对于各向异性材料，应力和应变之间的关系不再是一维的线性关系，而是一个多维的关系。
因此，需要使用弹性常数矩阵来准确描述材料的力学性能。
通常，各向异性材料通过试验测定弹性常数矩阵。
测定的方法可以有很多种，包括单轴加载、多轴加载和声波测量等。
通过得到的弹性常数矩阵，可以确定各向异性材料在不同方向上的应力应变关系。
在工程实践中，各向异性材料的应力应变关系具有广泛的应用。
例如，在材料设计中，可以通过调整材料的各向异性来实现特定的力学性能。
各向异性材料也被广泛应用于复合材料、纤维材料和生物材料等领域。
在这些领域中，材料的各向异性通常被用来提高其强度、韧性和耐久性等性能。
总之，各向异性材料的应力应变关系描述了材料在外力作用下的变形规律。
通过弹性常数矩阵来准确描述材料的力学性能。
各向异性材料的应力应变关系在材料设计和工程实践中具有重要的应用。
复合材料力学课件第02章-各向异性弹性力学基础
通过研究复合材料的损伤演化机制和 破坏准则，可以预测和防止在使用过 程中出现的损伤和破坏，提高复合材 料的安全性和可靠性。
优化设计
利用各向异性弹性力学理论，可以对 复合材料的铺层角度、厚度等进行优 化设计，以实现最佳的力学性能和功 能特性。
各向异性弹性力学在其他领域的应用
生物医学工程
在人工关节、牙科植入物等生物医学 工程领域，各向异性弹性力学理论被 用于模拟和预测材料的生物相容性和 力学性能。
边界条件和载荷的复杂性
由于各向异性材料的特性，其边界条件和所受的 载荷也相对复杂，需要细致考虑。
3
数值模拟的困难性
由于各向异性材料的复杂性，数值模拟方法需要 更高的精度和稳定性，以准确模拟其力学行为。
各向异性弹性力学的发展趋势与展望
发展更高效的数值分析方法
针对各向异性材料的特性，发展更高效、精确的数值分析方法， 如有限元法、边界元法等。
详细描述
边界条件和初始条件是确定弹性力学问题解的重要因素。边界条件描述了材料边 界上的应力分布，而初始条件描述了材料在初始时刻的应力状态。这些条件对于 确定材料的响应至关重要。
各向异性弹性常数及其物理意义
总结词
描述各向异性弹性材料的五个独立弹 性常数及其物理意义。
详细描述
各向异性弹性材料的五个独立弹性常数包括三 个主剪切模量G1、G2、G3，一个主压剪切模 量G12，以及一个主压模量K1。这些弹性常数 分别描述了材料在各个方向上的剪切和压缩行 为，对于理解材料的力学性能和预测其响应具 有重要意义。
平衡方程
总结词
描述各向异性弹性材料在受到外力作用时内部应力和应变之间的平衡关系。
详细描述
平衡方程是描述材料内部应力分布的微分方程，它基于连续介质力学原理，即 在一个封闭的体积中，应力矢量的散度为零。平衡方程是建立各向异性弹性力 学方程的基础。
材料力学线弹性材料知识点总结
材料力学线弹性材料知识点总结材料力学是工程学科中的重要分支，它研究物质在外力作用下的力学性质和变形行为。
其中，线弹性材料是一类具有线弹性特性的材料，其力学性能相对简单，因此被广泛应用于各个领域。
在本篇文章中，将对线弹性材料的相关知识进行总结和归纳。
I. 弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗单位面积应力的能力，常用符号为E。
根据胡克定律，线弹性材料的应力和应变之间存在线性关系，即应力等于弹性模量与应变的乘积：σ = Eε。
II. 线弹性材料的应力应变关系线弹性材料的应力应变关系可以用杨氏模量和泊松比来描述。
杨氏模量表示材料在拉伸或压缩时的刚度，泊松比则表示材料在轴向受力时的横向收缩程度。
1. 杨氏模量杨氏模量是衡量材料单位应变下的应力增量，常用符号为E。
一般情况下，材料越硬，杨氏模量越大，说明材料具有较高的刚度。
2. 泊松比泊松比是衡量材料在轴向受力时横向收缩程度的比例系数，常用符号为ν。
泊松比的取值范围在0和0.5之间，其中，当材料不发生体积变化时，泊松比为0.5；当材料完全不会发生横向收缩时，泊松比为0。
III. 应力应变曲线应力应变曲线是反映材料在外力作用下应力和应变的关系的曲线图。
对于线弹性材料，应力应变曲线呈线性关系，分为弹性阶段和屈服阶段。
1. 弹性阶段在弹性阶段，材料的应变与应力之间存在线性关系，即材料会随着外力的撤离而恢复最初的形状。
该阶段的应力应变曲线为直线，呈比例关系。
2. 屈服阶段当材料受到较大的外力时，会超出其弹性限度，材料将出现应力和应变不再成比例的情况，即开始进入屈服阶段。
屈服阶段的应力应变曲线为弯曲线，曲线上的点称为屈服点。
IV. 各向同性与各向异性各向同性和各向异性是描述材料力学性质的两个重要概念。
1. 各向同性材料各向同性材料是指材料的性质在各个方向上具有相同的特性。
这意味着，在任何方向上施加的外力和应变对材料的响应都是相同的。
大部分金属和合金都属于各向同性材料。
2. 各向异性材料各向异性材料是指材料的性质在不同的方向上具有差异。
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。
2-第二章_各向异性材料的应力-应变关系【2024版】
S1132 S2232 S3332 S2332 S3132 S1232 S3232 S1332 S2132
S1113 S2213 S3313 S2313 S3113 S1213 S3213 S1313 S2113
S1121
S
2221
S3321 S2321
S3121
S1221
S3221
S1321
应力，即 3 0 ，其他应力分量均为零，得到
1 S11 S12 S13 0
2
S12
S22
S23
0
0 S16 0
0
S26
0
3 3
2
233
S031
S32 0
S33 0
0 S44
0 S45
S36 0
03
(2.20)
1
31
0
0
0
S45 S55
0 0
12 S16 S26 S36 0 0 S66 0
31
0
0
0
C45 C55
0
31
12 C16 C26 C36 0 0 C66 12
(2.17) (2.18)
显然，单对称材料的式(2.18)和一般各向异性材料的式(2.7)相比，独立的 弹性常数由21个减少到13个。 与式(2.18)相对应，其应变-应力的关系为:
1 S11 S12 S13 0
31
C51
C52
C53
C54
C55
C56
3'1
12 C61 C62 C63 C64 C65 C66 12
(2.7)
(2.12)
这样由式(2.7)可得 1 C111 C12 2 C133 C14 23 C15 31 C1612 (2.13)
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i Cij j i Sij j
(i.j=1.2.3.4.5.6)
其中：[Cij]刚度矩阵，[Sij] 柔度矩阵，互为逆矩 阵，即[Cij]= [Sij]-1
１Ｏ２ 平面是弹性对称面，沿 ３ 轴和 ３′ 轴方向上的应力和 应变有以下关系：
单对称材料的应力
则单对称材料的应力应变关系就可以表示为：
式中E1,E2,E3和G12,G23,G13分 别为正交各向异性材料的拉压弹 性模量和剪切弹性模量； V12,V23,V13以及V21,V32,V31分 别为主泊松比和副泊松比
则用工程弹性常数表达的正交各向异性材料的应 变-应力关系为：
由刚度系数矩阵与柔度系数矩阵的可逆性，可得：
式中：
➢ 工程弹性常数的互等关系 由于柔度矩阵的对称性，可得工程弹性常数的
第二章各向异性材料的应力应变关系
一：广义胡克定律
在弹性变形范围内，应力与应变成正比例关系，
其比例系数称为弹性量。（拉压模量、剪切模
量等）
ij Cijkl kl
应力与应变的 关系
S ij
ijkl kl (i.j.k.l=1.2.3)
应变与应力的 关系
简化后，工程上常用的胡克定律表达式：
互等关系为：
9个工程弹性常数，3个拉压 弹性模量，3个剪切弹性模量， 3个主泊松比Leabharlann 则刚度矩阵和柔度矩阵分别为：
其应力-应变关系为：
独立弹性常数只有５ 个
具有无穷多个弹性对称面的材料称为各向同性材 料。这种材料对于三个相互垂直的弹性对称面 的弹性性能完全相同。刚度系数满足：
其应力-应变关系：
应变-应力关系：
只有２个独 立弹性常数
用工程弹性常数（拉压模量、剪切模量、泊松比） 来表示各向异性材料应力-应变关系。
则其应变-应力关系可以表示为：
具有三个相互正交的弹性对称面的材料称为正交 各向异性材料。按单对称材料分析方法可得：
则应力-应变关系为：
应变-应力关系为：
独立弹性常数只有９个， 正交各向异性材料三个 相互垂直的弹性对称面
的法线方向 称为该材料的主方向。
三个相互垂直的弹性对称面中有一个是各向同 性的，如单向纤维增强复合材料。
➢ 柔度系数、刚度系数与工程弹性常数关系 由三个单向拉伸和三个纯剪切示意图来推导
沿 １ 轴向单向拉伸时，应力σ ≠ ０ ，其他应力 均为零，可得： 根据胡克定律和泊松效应有：
则柔度系数与工程弹性常数关系为：
同理，沿 ２ 轴向和 ３ 轴向的 单向拉伸，还可得：
对于102面、203面和103面的纯剪切，可得：