《弹性力学》试题

《弹性力学》试题一．名词解释1.弹性力学：研究弹性体由于受外力作用或温度改变等原因而发生的应力、应变和位移。

2.圣维南原理：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。

二．填空1.最小势能原理等价于弹性力学基本方程中：平衡微分方程，应力边界条件。

2.边界条件表示在边界上位移与约束，或应力与面力之间的关系式，它可以分为位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件。

3.一组可能的应力分量应满足：平衡微分方程，相容方程（变形协调条件）。

4.体力是作用于物体体积内的力，以单位体积力来度量，体力分量的量纲为L-2MT-2；面力是作用于物体表面上力，以单位表面面积上的力度量，面力的量纲为L-1MT-2；体力和面力符号的规定为以沿坐标轴正向为正，属外力；应力是作用于截面单位面积的力，属内力，应力的量纲为L-1MT-2，应力符号的规定为：正面正向、负面负向为正，反之为负。

5.平面问题的应力函数解法中，Airy应力函数 在边界上值的物理意义为边界上某一点（基准点）到任一点外力的矩。

6.小孔口应力集中现象中有两个特点：一是孔附近的应力高度集中，即孔附近的应力远大于远处的应力，或远大于无孔时的应力。

二是应力集中的局部性，由于孔口存在而引起的应力扰动范围主要集中在距孔边1.5倍孔口尺寸的范围内。

7.弹性力学中，正面是指外法向方向沿坐标轴正向的面，负面是指外法向方向沿坐标轴负向的面。

8.利用有限单元法求解弹性力学问题时，简单来说包含结构离散化、单元分析、整体分析三个主要步骤。

三．绘图题分别绘出图3-1六面体上下左右四个面的正的应力分量和图3-2极坐标下扇面正的应力分量。

图3-1图3-2四． 简答题1.试简述力学中的圣维南原理，并说明它在弹性力学分析中的作用。

圣维南原理：如果物体的一小部分边界上的面力变换为分布不同但静力等效的面力（主矢与主矩相同），则近处的应力分布将有显著的改变，但远处的应力所受影响可以忽略不计。

作用：（1）将次要边界上复杂的面力（集中力、集中力偶等）作分布的面力代替。

（2）将次要的位移边界条件转化为应力边界条件处理。

2.弹性力学中引用了哪五个基本假定？五个基本假定在建立弹性力学基本方程时有什么用途？答：弹性力学中主要引用的五个基本假定及各假定用途为：（答出标注的内容即可给满分）1）连续性假定：引用这一假定后，物体中的应力、应变和位移等物理量就可看成是连续的，因此，建立弹性力学的基本方程时就可以用坐标的连续函数来表示他们的变化规律。

2）完全弹性假定：这一假定包含应力与应变成正比的含义，亦即二者呈线性关系，复合胡克定律，从而使物理方程成为线性的方程。

3）均匀性假定：在该假定下，所研究的物体内部各点的物理性质显然都是相同的。

因此，反应这些物理性质的弹性常数（如弹性模量E 和泊松比μ等）就不随位置坐标而变化。

4）各向同性假定：各向同性是指物体的物理性质在各个方向上都是相同的，也就是说，物体的弹性常数也不随方向变化。

5）小变形假定：研究物体受力后的平衡问题时，不用考虑物体尺寸的改变，而仍然按照原来的尺寸和形状进行计算。

同时，在研究物体的变形和位移时，可以将它们的二次幂或乘积略去不计，使得弹性力学的微分方程都简化为线性微分方程。

3.弹性力学平面问题包括哪两类问题？分别对应哪类弹性体？两类平面问题各有哪些特征？答：弹性力学平面问题包括平面应力问题和平面应变问题两类，两类问题分别对应的弹性体和特征分别为：平面应力问题：所对应的弹性体主要为等厚薄板，其特征是：面力、体力的作用面平行于xy 平面，外力沿板厚均匀分布，只有平面应力分量x σ,y σ,xy τ存在，且仅为x,y 的函数。

平面应变问题：所对应的弹性体主要为长截面柱体，其特征为：面力、体力的作用面平行于xy 平面，外力沿z 轴无变化，只有平面应变分量x ε,y ε,xy γ存在，且仅为x,y 的函数。

试简述拉甫（Love ）位移函数法、伽辽金（Galerkin ）位移函数法求解空间弹性力学问题的基本思想，并指出各自的适用性Love 、Galerkin 位移函数法求解空间弹性力学问题的基本思想：（1）变求多个位移函数),(),,(),,(y x w y x v y x u 或),(),,(θθθr u r u r 为求一些特殊函数，如调和函数、重调和函数。

（2）变求多个函数为求单个函数（特殊函数）。

适用性：Love 位移函数法适用于求解轴对称的空间问题；Galerkin 位移函数法适用于求解非轴对称的空间问题。

4.常体力情况下，按应力求解平面问题可进一步简化为按应力函数Φ求解，应力函数Φ必须满足哪些条件？答：（1）相容方程：04=Φ∇（2）应力边界条件（假定全部为应力边界条件，σs s =）：()()()上在στστσs s f l m f m l ys xy y x s yx x =⎪⎩⎪⎨⎧=+=+（3）若为多连体，还须满足位移单值条件。

五． 问答题1.图示半无限平面体在边界上受有两等值反向，间距为d 的集中力作用，单位宽度上集中力的值为P ，设间距d 很小。

试求其应力分量，并讨论所求解的适用范围。

（提示：取应力函数为θθϕB A +=2sin ）解：d 很小，Pd M=∴，可近似视为半平面体边界受一集中力偶M 的情形。

将应力函数),(θϕr 代入，可求得应力分量：θθϕϕσ2sin 4112222A r r r r r -=∂∂+∂∂=； 022=∂∂=rϕσθ；)2cos 2(112B A r r r r +=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-=θϕτθ 边界条件：（1）0 ,00==≠=≠=r r r θθθθτσ； 0 ,00==≠=≠=r r r πθθπθθτσ代入应力分量式，有0)2(12=+B A r 或 02=+B A （1） （2）取一半径为r 的半圆为脱离体，边界上受有：θτσr r ,，和M = Pd由该脱离体的平衡，得022=+⎰-M d r r ππθθτ 将θτr 代入并积分，有0)2cos 2(1222=++⎰-M d r B A r ππθθ 02sin 22=++-M BA ππθ 得 0=+M B π （2）联立式（1）、（2）求得：ππPd M B -=-=，π2Pd A =代入应力分量式，得22sin 2rPd r θσ-==；0=θσ； 22sin 2r Pd r θτθ-=。

结果的适用性：由于在原点附近应用了圣维南原理，故此结果在原点附近误差较大，离原点较远处可适用。

2.试列出图的全部边界条件，在其端部边界上，应用圣维南原理列出三个积分的应力边界条件。

（板厚1=δ）解：在主要边界2h y ±=上，应精确满足下列边界条件： ()l qx h y y -=-=σ，()02=-=h y yxτ； ()02=+=h y yσ，()12q h y yx-=+=τ在次要边界0=x 上，应用圣维南原理列出三个积分的应力边界条件，当板厚1=δ时，()⎰+-=-=220h h N x x F dy σ，()⎰+-=-=220h h x x M ydy σ，()⎰+-=-=220h h S x xy F dy τ在次要边界l x =上，有位移边界条件：()0==l x u ，()0==l x v 。

这两个位移边界条件可以改用三个积分的应力边界条件代替：()l q F dy h h N x x ⎰+-=+-=210σ，()262220qlh ql l F M ydy S h h x x +---=⎰+-=σ，()220qlF dy h h S x xy --=⎰+-=τ 3.试考察应力函数3cxy =Φ，0>c ，能满足相容方程，并求出应力分量（不计体力），画出图所示矩形体边界上的面力分布，并在次要边界上表示出面力的主矢和主矩。

解：（1）相容条件：将3cxy =Φ代入相容方程024422444=∂Φ∂+∂∂Φ∂+∂Φ∂yy x x ，显然满足。

（2）应力分量表达式：cxy yx 622=∂Φ∂=σ，0=y σ，23cy xy -=τ （3）边界条件：在主要边界2h y ±=上，即上下边，面力为()chx h y y 32±=±=σ，()2243ch h y xy -=±=τ 在次要边界l x x ==,0上，面力的主失和主矩为()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-===⎰⎰⎰⎰+-+-=+-=+-=2322202202204300h h h h x xy h h x x h h x x h c dy cy dy dy y dy τσσ ()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-=====⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-+-=+-+-=+-+-=2232220322222222432606h h h h x xy h h h h l x x h h h h l x x h c dy cy dy clh dy cly dy y dy cly dy τσσ弹性体边界上的面力分布及在次要边界l x x ==,0上面力的主失量和主矩如解图所示。

4.设有矩形截面的长竖柱，密度为ρ，在一边侧面上受均布剪力q, 如图所示，试求应力分量。

（提示：采用半逆解法，因为在材料力学弯曲的基本公式中，假设材料符合简单的胡克定律，故可认为矩形截面竖柱的纵向纤维间无挤压，即可设应力分量0=xσ ）解：采用半逆解法，因为在材料力学弯曲的基本公式中，假设材料符合简单的胡克定律，故可认为矩形截面竖柱的纵向纤维间无挤压，即可设应力分量0=xσ， (1) 假设应力分量的函数形式。

0=xσ(2) 推求应力函数的形式。

此时，体力分量为g f f y x ρ==,0。

将0=x σ代入应力公式22yx ∂Φ∂=σ有022=∂Φ∂=y x σ对x 积分，得()x f y=∂Φ∂， （a ）()()x f x yf 1+=Φ。

（b ）其中()x f ，()x f 1都是x 的待定函数。

(3)由相容方程求解应力函数。

将式（b ）代入相容方程04=Φ，得()()041444=+dxx f d dx x f d y 这是y 的一次方程，相容方程要求它有无数多的根（全部竖柱内的y 值都应该满足），可见它的系数和自由项都必须等于零。

()044=dx x f d ，()0414=dxx f d ，两个方程要求 ()Cx Bx Ax x f ++=23，()231Ex Dx x f += (c)()x f 中的常数项，()x f 1中的一次和常数项已被略去，因为这三项在Φ的表达式中成为y 的一次和常数项，不影响应力分量。