弹性力学基本理论回顾汇总
理论力学大一下知识点梳理
理论力学大一下知识点梳理在大一下学期的理论力学中，我们学习了许多重要的知识点，这些知识点是我们后续学习物理学和工程学的基础。
下面我将对这些知识点进行梳理，并帮助大家回顾和理解。
1. 运动学运动学是研究物体运动的学科。
在大一下的理论力学中，我们学习了以下概念和公式：- 位移、速度和加速度的定义和计算方法；- 直线运动和曲线运动的基本概念；- 速度与加速度的关系。
2. 动力学动力学是研究物体受力及其运动状态的学科。
在大一下的理论力学中，我们学习了以下概念和定律：- 牛顿第一定律（惯性定律）、第二定律（运动定律）和第三定律（作用-反作用定律）；- 力的合成和分解；- 牛顿定律在直线运动和曲线运动中的应用。
3. 动量守恒定律动量守恒定律是描述物体在力作用下的动量变化的规律。
在大一下的理论力学中，我们学习了以下内容：- 动量的定义和计算方法；- 动量守恒定律的表述和应用。
4. 动能定理动能定理描述了物体动能与所受合外力做功之间的关系。
在大一下的理论力学中，我们学习了以下内容：- 动能的定义和计算方法；- 动能定理的表述和应用。
5. 弹性力学弹性力学是研究物体变形与受力关系的学科。
在大一下的理论力学中，我们学习了以下内容：- 弹性力学的基本概念和假设条件；- 弹性力学模型和弹性力学量的计算方法；- 弹性力学定律的应用。
6. 万有引力定律万有引力定律是描述物体间引力相互作用的定律。
在大一下的理论力学中，我们学习了以下内容：- 万有引力定律的表述和公式；- 万有引力定律的应用。
通过对以上知识点的梳理，我们可以更好地理解和掌握大一下理论力学的重要内容。
这些知识点不仅在物理学中具有重要的地位，也在工程学等应用科学中发挥着重要的作用。
希望大家能够通过复习和实践，巩固和应用这些知识点，为之后的学习打下坚实的基础。
总结起来，大一下的理论力学主要包括了运动学、动力学、动量守恒定律、动能定理、弹性力学和万有引力定律等知识点。
弹性应变能基本概念及原理
实际问题识别和解决方案设计
识别工程中的实际问题
如结构刚度不足、变形过大、能量耗散过快等，分析其原因和影 响。
设计针对性的解决方案
根据问题性质，提出加强结构刚度、优化变形控制、提高能量利用 效率等具体措施。
方案实施与效果评估
将解决方案应用于实际工程中，通过对比分析和实验验证，评估其 效果和可行性。
创新思路在解决实际问题中应用
弹性波传播速度与介质参数关系
分析波速与介质密度、弹性模量等参数的关系。
弹性波在界面上的反射与透射
探讨波在两种不同介质界面上的性应变能与振动能量关系
阐述弹性应变能在振动过程中的作用，以及其与振动能量的关系 。
弹性体振动时的能量转换
分析弹性体在振动过程中，动能与弹性应变能之间的转换。
弹性应变能基本概念 及原理
汇报人： 2024-02-05
目录 CONTENTS
• 弹性应变能基本概念及原理 • 材料力学中的弹性应变能问题 • 结构力学中的弹性应变能问题 • 弹性波传播与振动问题中弹性应变
能应用 • 实验方法及测量技术探讨 • 工程案例分析与实际问题解决方案
01
弹性应变能基本概念及 原理
数据处理技术
介绍实验数据的处理方法，如数据平 滑、异常值剔除、误差修正等，以提 高数据质量和可靠性。
误差分析和提高测量精度措施
误差来源分析
分析实验中可能产生的误差来源，如仪器误差、操作误差、环境误差等，以及各种误差对实验结果的影响程度。
提高测量精度措施
根据误差分析结果，采取相应的措施来减小误差，提高测量精度。例如，优化实验方案、改进测量方法、提高仪 器精度等。
01
结构力学是研究结构在荷载作用下的内力和变形规律的学科。
弹性力学基本理论
相应地，y轴方向的正应变为： x-y 平面内的剪应变：
tan 1
（1.10）
; tan 2
（1.11）
16
1.1.3 应变的概念
因此，剪应变 xy 为
xy
u x 1 2 x y u y
（1.12）
应变分量的矩阵型式
x xy ij yx y zx yy
（2）完全弹性假定。这是假定物体服从胡克定律，即应变 与引起该应变的应力成正比。保证物体在任意瞬时的应变将 完全取决于该瞬时物体所受到的外力或温度变化等因素，而 与加载的历史和加载顺序无关。
6
1.1 引言 五个基本假设——理想弹性体
（3） 均匀性假定。假定整个物体由同一材料组成。保证整个 物体的所有各部分具有相同的弹性，因而物体的弹性常数才不 会随位置坐标而变，可以取出该物体的任意一小部分来加以分 析，然后把分析所得的结果应用于整个物体。 （4）各向同性假定。假定物体的弹性在所有各方向上都相同。 （5）小位移和小变形的假定。假定物体受力以后，物体所有 各点的位移都远远小于物体原来的尺寸，并且其应变和转角都 小于1。保证在建立变形体的平衡方程时，可以用物体变形前的 尺寸来代替变形后的尺寸，而不致引起显著的误差，在考察物 体的变形及位移时，对于转角和应变的二次幂或其乘积都可以 略去不计。
1
第一章 弹性力学基本理论
本章概述
本章主要介绍弹性力学的基本理论，主要包括：线弹性问
题的几个假设；应力、应变的定义和性质；应力平衡方程、几
何方程和物理方程等弹性力学基本方程的推导。这些是进行机 械结构有限元分析的重要力学理论基础。 要求: 学习并掌握应力、应变基本概念和主要性质，掌握 弹性力学基本方程、应力边界条件、协调方程等。
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。
弹性力学基本理论
( , )2
可略去
等项,使几何方程成为线性方程。
弹性力学基本假定，确定了弹性力 学的研究范围:
理想弹性体的小变形问题。
第二节 有限元方法概述
分析思路是： 将整个结构看作是由有限个力学小 单元相互连接而形成的集合体，每 个单元的力学特性组合在一起便可 提供整体结构的力学特性。
离散化的组合体与真实弹性体的区别 在于：组合体中单元与单元之间的联 接除了结点之外再无任何关联。但要 满足变形协调条件，单元之间只能通 过结点来传递内力。通过结点来传递 的内力称为结点力，作用在结点上的 荷载称为结点荷载。当连续体受到外 力作用发生变形时，组成它的各个单 元也将发生变形，因而各个结点要产 生不同程度的位移，这种位移称为结 点位移。
面力是指分布在物体表面的力，如
流体的压力和接触力 。
z
fz F
S
fy
fx P
y
x
三、应力分量 内力的平均集度即为平均应力。
z
p在法向和切向的分量，
F
p
A
P
也就是正应力和切应力，
y
如图所示。
x
应力分量如图所示。 应力分量可用矩阵表示为
四、应变分量
应变是指物体在受力后发生变形的 相对量，总的可以归结为长度的改 变和角度的改变。
5、小变形假定 假定位移和形变为很小。
a.位移＜＜物体尺寸，
例：梁的挠度v＜＜梁高h。
b. ε,
1.
例：梁的ε 103 1
＜＜1弧度。
小变形假定的应用：
a.简化平衡条件：考虑微分体的平衡
条件时，可以用变形前的尺寸代替变形
后的尺寸。
b.简化几何方程：在几何方程中，由
于(, ) (, )2 (, )3 ,
弹性力学期末考试复习
弹性力学期末考试复习弹性力学是固体力学的重要分支，它主要研究弹性体在外力作用下的应力、应变和位移。
对于即将迎来弹性力学期末考试的同学们来说，有效的复习是取得好成绩的关键。
下面就为大家提供一份全面的弹性力学期末考试复习指南。
一、基本概念和理论1、应力应力是弹性体内单位面积上所承受的内力。
要理解正应力和切应力的定义、方向以及它们在不同坐标系下的表达式。
重点掌握平面应力状态和空间应力状态的分析方法，如莫尔圆的应用。
2、应变应变描述了物体在受力作用下的变形程度。
包括线应变和角应变，要熟悉它们的定义和计算方法。
同时，要了解应变张量的概念以及主应变和应变不变量。
3、本构关系本构关系反映了材料的应力和应变之间的内在联系。
对于各向同性线性弹性材料，要熟练掌握胡克定律的表达式，并能应用于简单的问题求解。
4、平衡方程平衡方程描述了物体内部的力的平衡条件。
在直角坐标系和柱坐标系、球坐标系下的平衡方程都需要掌握，能够根据具体问题建立相应的平衡方程。
5、几何方程几何方程描述了应变和位移之间的关系。
要理解位移分量和应变分量之间的数学表达式，并能通过已知位移求应变，或通过已知应变求位移。
二、常见的问题类型和解题方法1、平面问题平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。
对于这两类问题，要能够根据给定的条件判断所属类型，并选择相应的解法。
常见的解法有应力函数法，通过求解满足双调和方程的应力函数，进而求得应力分量。
2、轴对称问题在轴对称情况下，要学会利用柱坐标系下的基本方程进行求解。
掌握圆环、圆筒等常见轴对称结构的应力和位移分析。
3、薄板弯曲问题薄板弯曲问题中，要理解薄板的基本假设，掌握弯矩、扭矩和挠度的计算方法，以及相应的边界条件的处理。
4、能量法能量法在弹性力学中也有重要应用，如虚功原理、最小势能原理等。
要能够运用这些原理求解结构的位移和内力。
三、复习资料和学习资源1、教材仔细阅读教材是复习的基础。
推荐使用经典的弹性力学教材，如徐芝纶院士编写的《弹性力学》，书中对基本概念和理论的讲解清晰透彻。
第2章_弹性力学基础及有限元法的基本原理1
W U
当外力的形式是多样的时，外力的虚功等于：
W f Pc f Pv dV f Ps dS
T T T v s
• 1.4 平面问题定义
严格地讲，任何结构都是空间的。对于某些特殊情 况，空间问题可以转化为平面问题。
（1）平面应力问题 满足条件： 1）几何条件 厚度尺寸远远小于截面尺寸； 2）载荷条件 载荷平行于板平面且沿厚度方向均匀 分布，而板平面不受任何外力作用。
1）位移函数 分片插值→ 假设一种函数来表示单元位移分布 一般选取多项式（简单而且易求导）
可用于离散的单元： • 三角形单元； • 矩形单元； • 不规则四边形单元。 DOF 节点的自由度：节点所具有的位移分量的数量。 一个单元所有节点的自由度总和称为单元自由度。 （1）单元参数只能通过节点传递到相邻单元 （2）单元和节点必须统一编号
2.2 单元分析（位移、应力、应变） 任务：形成单元刚度矩阵，建立单元特性方程 因此必须建立坐标系，如下图：
1D问题的弹性模量
E杨氏弹性模量
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向 正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材 料横向变形的弹性常数。 若在弹性范围内加载，横向应变εx与纵向应变εy之间存 在下列关系： εx=- νεy 式中ν为材料的一个弹性常数，称为泊松比。泊松比是 量纲为一的量。 可以这样记忆：空气的泊松比为0，45#钢0.3，水的泊松 比为0.5，中间的可以推出。
• 未知数 应力 6个+应变 6个+位移 3个=15个 • 方程个数 平衡方程 3个+几何方程6个+物理方程6个=15个 原则上可以根据15个方程求出15个未知物理量 但实际求解时先求出一部分再通过方程求解剩下的。 目前有限元法主要采用的是位移法，以三个位移 分量为基本未知量。位移-应变-应力，应力和外力平衡
《弹性力学》第五章平面问题的复变函数法
在非线性弹性力学中的应用
解决几何非线性问题
01
通过引入复变函数法，可以更精确地描述和分析材料
的几何非线性行为，如大变形、弯曲和扭转等。
分析材料非线性特性
02 复变函数法可用于研究材料的非线性本构关系，包括
弹性模量、泊松比和屈服强度等随应变变化的规律。
求解非线性弹性力学方程
03
利用复变函数法的数学工具，可以更有效地求解非线
03
典型应力集中问题的 复变函数解法
通过实例详细讲解复变函数法在求解 典型应力集中问题中的应用，如圆孔 、椭圆孔、矩形孔等孔边应力集中的 求解。
裂纹问题的复变函数解法
裂纹问题的定义和 分类
介绍裂纹的概念、分类以及裂 纹对材料和结构的影响，如疲 劳裂纹、脆性裂纹等。
复变函数法在裂纹 问题中的应用
阐述如何利用复变函数法求解 裂纹问题，包括裂纹尖端应力 场的求解、裂纹扩展的判据等 。
在迭代计算过程中，要判断 计算结果的收敛性。如果结 果不收敛，应调整计算参数 或改进算法。误差Fra bibliotek析程序实现
分析计算结果的误差来源， 如模型误差、离散化误差、 舍入误差等。尽量减小误差， 提高计算精度。
编写稳定、可靠的程序，实 现复变函数法的数值计算。 程序应具有良好的可读性和 可维护性。
06 复变函数法在弹性力学中 的拓展应用
04 复变函数法在平面问题中 的应用
应力集中问题的复变函数解法
01
应力集中问题的定义 和分类
阐述应力集中的概念，如孔边应力集 中、缺口应力集中等，以及不同类型 的应力集中对材料和结构的影响。
02
复变函数法在应力集 中问题中的应用
介绍如何利用复变函数法求解应力集 中问题，包括应力函数的构造、边界 条件的处理等。
2--弹性力学基本理论
yz
zx
• 应变的定义
• 设平行六面体单元，3个轴棱边 ：
– 变形前为MA，MB，MC； – 变形后变为M'A'，M'B'，M'C'
。
x、 y、 z
•正应变（小变形）
•符号规定： 正应变以伸长为正。
•剪应变
•符号规定： 正应变以伸长为正；剪应变以角度变小为正。
材料力学 — 区别与联系 — 弹性力学
y
y
q
q
sx
ͼ 1-1a
x
0
sx x
ͼ 1-1b
材料力学 — 区别与联系 — 弹性力学
ͼ 1-3a ͼ 1-3b
2.1 弹性力学的基本假定
• 连续性假设：物体所占的空间被介 质充满，不考虑材料缺陷，在物体 内的物理量是连续的, 可以采用连续 函数来描述对象。
虽然都从静力学、几何学与物理学三方面进行研究， 但是在建立这三方面条件时，采用了不同的分析方法。 材料力学是对构件的整个截面来建立这些条件的，因而 要常常引用一些截面的变形状况或应力情况的假设。这 样虽然大大简化了数学推演，但是得出的结果往往是近 似的，而不是精确的。而弹性力学是对构件的无限小单 元体来建立这些条件的，因而无须引用那些假设，分析 的方法比较严密，得出的结论也比较精确。所以，我们 可以用弹性力学的解答来估计材料力学解答的精确程度， 并确定它们的适用范围。
当△S 趋近于0，则为P点的面力
•面力分量 •符号规定：与坐标轴方向一致为正，反之为负。 •面力的量纲：[力]/[长度]^2 •列阵表示：Fs={X Y Z}T
集中力
体力与面力都是分布力，集中力则只是作用在一个点
弹性力学的基本理论及其在实际中的应用
弹性力学的基本理论及其在实际中的应用弹性力学是固体力学学科的分支。
其基本任务是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变，物体内部所产生的位移、变形和应力分布等，为解决工程结构的强度，刚度和稳定性问题作准备，但是并不直接作强度和刚度分析。
一．弹性力学的基本规律规律假设弹性力学的研究对象是完全弹性体。
弹性力学所依据的基本规律有三个：变形连续规律、应力-应变关系和运动(或平衡)规律，它们有时被称为弹性力学三大基本规律。
井下工程是复杂多变的，随着工程的进展，巷道的应力情况也在不断的变化，我们研究的不是一个静止的物体，我们要研究的是一个动态的、不断变化的围岩条件。
要研究岩体的弹性问题,必须要给它一个前提,也就是对它的假设,基本假设是弹性力学讨论问题的基础。
没有基本假设任何问题也进行不了.下面简要介绍弹性力学的几个基本假设：1.连续性假设：假设所研究的整个弹性体内部完全由组成物体的介质所充满，各个质点之间不存在任何空袭。
2.均匀性假设：假设弹性物体是由同一类型的均匀材料组成的。
因此物体各个部分的物理性质都是相同的，不随坐标位置的变化而改变。
因此，物体的弹性性质处处是相同的。
3.各向同性假设：假定物体在各个不同的方向上具有相同的物理性质，这就是说物体的弹性常熟将不随坐标方向的改变而变化。
4.完全弹性假设：对应一定的温度，如果应力和应变之间存在一一对应关系，而且这个关系和时间无关，也和变形历史无关，称为完全弹性材料。
5.小变形假设：假设在外力或者其他外界因素（如温度等）的影响下，物体的变形与物体自身几何尺寸相比属于高阶小量。
6.无初始应力的假设：假设物体处于自然状态，即在外界因素（如外力或温度变化等）作用之前，物体内部没有应力。
根据这一假设，弹性力学求解的应力仅仅是外力或温度改变而产生的。
二．下面介绍一下弹性力学基本的解决问题的方法：弹性力学的研究方法主要有数学方法和实验方法，以及二者结合的方法。
数学方法基本上是根据弹性力学的基本方程，对岩体在某种假设的前提下进行弹性分析，从而得出岩体的各种力学参数。
弹性力学-第二章 平面问题基本理论 (徐芝纶第五版)
平面应力问题
平面应变问题
3
1.平面应力问题
支承板
z x
y
(2) 受力特性
外力(体力、面力)和约束，仅平行于 板面作用，沿z方向不变化。
(1) 几何特性
一个方向的尺寸比另两个 方向的尺寸小得多。
——平板
4
1.平面应力问题
(3) 应力特征
由于板面上不受力，有
sx =sx(x,y)
sy =sy(x,y)
53
54
55
56
习题
57
第二章 教学参考资料 （一）本章学习要求及重点
本章系统地介绍了平面问题的基本理论： 基本方程和边界条件，及两种基本解法。这 些内容在弹性力学中具有典型性和代表性。 因此，学好平面问题的基本理论，就可以方 便地学习其他各章。为此，我们要求学生深 入地理解本章的内容，掌握好以下几点：
)
f
y
0.
68
（2）用位移表示的应力边界条件
E
1
2
[l
(
u x
v
y
)m12
(
u y
v x
)]s
fx,
E
1
2
[m(
v y
u
x
)l12
(
u y
v x
)]s
fy.
（在s 上ss）
69
（3）位移边界条件
(u)s u , (v)s v.
(在Su上)
70
4、按应力求解平面问题（平面应力问题），
应力分量 σ x , σ y ,t x必y 须满足下列全部条件：
sx =sx(x,y) sy =sy(x,y) txy =txy(x,y) sz =sz (x,y) txz =tyz =0
弹性力学基础
2-1 弹性力学简介
弹性力学进入发展阶段
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（ A.J.Saint-Venant）建立了柱体扭转和弯曲的基本理论； �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（H.Hertz）建立了接触应力理论； �1898年，基尔霍夫 (G.R.Kirchoff )建立了平板理论， G.R.Kirchoff) �1930年，苏联人发展了应用复变函数理论求解弹性力学问题的方法等。 �另一个理论上的重要成果是建立了各种能量原理，并且提出了一系列基于 )，乐 这些能量原理的近似计算方法。许多科学家，像拉格朗日 (grange grange) )，铁木辛柯(S.P.Timoshenko )做出了贡献。 甫(A.E.H.Love A.E.H.Love) S.P.Timoshenko) �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。
2-1 弹性力学简介
3、研究的方法：有较大的区别
�相同点：
�静力学：脱离体力的平衡 �几何学：位移和应变的关系 �物理学：应力和应变的关系
2-1 弹性力学简介
�不同点： 材料力学： 对应变或应力情况作某些假定 材料力学是对构件的整个截面来建立静力学、几何学和物理学 条件的，因而要常常引用一些截面的变形状况或应力情况的假 设。这样虽然大大简化了数学推演，但是得出的结果往往是近 似的，而不是精确的。 弹性力学 : 对应变或应力情况不作假定，弹性力学是对构件的 无限小单元体来建立这些条件的，因而无须引用那些假设，分 析的方法比较严密，得出的结论也比较精确。所以，我们可以 用弹性力学的解答来估计材料力学解答的精确程度，并确定它 们的适用范围。
FEM-03弹性力学基础(三类方程)
物理方程(cont.)
E 1 1 2
2G 2G 2G D 0 0 0 0 0 0 0 0 0
E G 2 1
0 0 0 G 0 0 0 0 0 0 G 0 0 0 0 0 0 G
y
v v dy y
u dy y
B' B dy M' v M u dx O A'
v dx x
A
u
u dx x
x
u u x dx A点位移 v v dx x u u dy y B点位移 v v dy y
11
几何方程
1
1
T
1
0 0 0
1 1
1 0 0 0
0 0 0 1 2 21 0 0
0 0 0 0 1 2 21 0
0 0 0 0 1 2 21 0
18
xy
v u xy x y w v yz y z u w zx z x
13
几何方程
u x v y y w z z v u xy x y w v yz y z u w zx z x
z 2 2 z y yz
2
2 yz
2 z 2 x 2 xz 2 2 x z xz
2 x yz xz xy 2 x x y z y z 2 y zx yz xy 2 y y x z x z xy yz zx 2 z 2 z z x y x y
第2章 弹性力学基本理论
x
u
z
z
z 0
0
0
z
u v
0
w
y
x
3、物理方程（应力与应变之间的关系）
x
1 E
x y z
y
1 E
y z x
•微观上这个假设不成立——宏观假设。
2. 均匀性假设
•——假设弹性物体是由同一类型的均匀材料组成的。 因此物体各个部分的物理性质都是相同的，不随坐标 位置的变化而改变。
•——物体的弹性性质处处都是相同的。
•工程材料，例如混凝土颗粒远远小于物体的几何形 状，并且在物体内部均匀分布，从宏观意义上讲，也 可以视为均匀材料。
——在弹性体的平衡等问题讨论时，可以不考虑因 变形所引起的尺寸变化。
——忽略位移、应变和应力等分量的高阶微量，使 基本方程成为线性的偏微分方程组。
6. 无初始应力假设
——假设物体处于自然状态，即在外界因素作用之前， 物体内部没有应力。
弹性力学求解的应力、位移仅仅是外力、边界约 束或温度改变而产生的。
向或负面上的应力沿坐
x
图1－7
标负向为正。
口诀：正面正向或负面负向的应力为正。
例：应力和面力的符号规定有什么区别？试分别画 出正面和负面上的正应力和正的面力的方向。
Oz
x
y
注意：
弹性力学
材料力学 图1-8
（3）注意弹性力学切应 力符号和材料力学是有 区别的。在图1－8中， 弹性力学里，切应力都 为正，而材料力学中相 邻两面的符号是不同的， 顺时针转动为正。
有限元分析第3章弹性力学基础知识2
有限元分析Finite Element Analysis李建宇天津科技大学内容Chp.3 弹性力学基础知识2：补充内容1. 边界条件2. 弹性力学中的能量表示3. 弹性力学边值问题要求理解：弹性力学边界条件的提法了解：弹性力学边值问题的内涵掌握：弹性力学中的能量表述课后作业继续检索、阅读弹性力学基本文献有限元分析——弹性力学补充内容弹性力学的“三个基本”1、基本假定2、基本变量3、基本方程弹性力学的基本假定五个基本假定：1、连续性(Continuity)2、线弹性(Linear elastic)3、均匀性(Homogeneity)4、各向同性(Isotropy)5、小变形假定(Small deformation)弹性力学基本变量变形体的描述：在外部力和约束作用下的变形体位移的描述形状改变的描述力的描述材料的描述弹性力学基本变量材料参数位移物体变形后的位置物体的变形程度物体的受力状态物体的材料特性应变应力描述变形体的三类变量：dyxyzuvwdzdx(x,y,z)S uS pΩT位移（displacement）是指位置的移动。
它在x, y 和z轴上的投影用u, v和w。
dyxyzuvwdzdx(x,y,z)S uS pΩT微元体( Representative volume)应力张量（stress tensor ）x xy xz yx y yz zx zy z στττστττσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦应变张量（strain tensor ）dyuvwdzdx(x,y,z )xu x d d =εd xxσxσuu +d uτβαγ=α+βx xy xz yx y yz zx zy z εγγγεγγγε⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦弹性力学的基本方程应力应变位移几何方程物理方程平衡方程弹性力学三大方程上节回顾上节回顾弹性力学基本方程x y z xy yz zx u x v y w z u v y x v w z y w u x zεεεγγγ∂=∂∂=∂∂=∂∂∂=+∂∂∂∂=+∂∂∂∂=+∂∂几何方程00000000x y z xy yz zx x y u z v w y x z y zx εεεγγγ∂⎡⎤⎢⎥∂⎢⎥∂⎢⎥⎧⎫⎢⎥∂⎪⎪⎢⎥∂⎪⎪⎢⎥⎧⎫⎪⎪⎢⎥∂⎪⎪⎪⎪=⎢⎥⎨⎬⎨⎬∂∂⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎢⎥∂∂⎪⎪⎢⎥⎪⎪∂∂⎢⎥⎪⎪⎩⎭⎢⎥∂∂⎢⎥∂∂⎢⎥⎢⎥∂∂⎣⎦Luε=L ：微分算子上节回顾弹性力学基本方程000yx x zx x xy y zyy yz xz z z b x y z b x y zb x y zτσττστττσ∂∂∂+++=∂∂∂∂∂∂+++=∂∂∂∂∂∂+++=∂∂∂平衡方程000000000x y x z y yx zzy xz x y z b b y x z b zyx σσστττ⎧⎫⎡⎤∂∂∂⎪⎪⎢⎥∂∂∂⎪⎪⎢⎥⎧⎫⎪⎪⎢⎥∂∂∂⎪⎪⎪⎪+=⎨⎬⎨⎬⎢⎥∂∂∂⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎩⎭⎪⎪⎢⎥∂∂∂⎪⎪⎢⎥∂∂∂⎪⎪⎣⎦⎩⎭A ：微分算子A b σ+=TA L=上节回顾弹性力学基本方程物理方程()()()111x x y z y y z x z z x y xyxy yzyz zxzx E EE GGGεσνσσεσνσσεσνσστγτγτγ⎡⎤=-+⎣⎦⎡⎤=-+⎣⎦⎡⎤=-+⎣⎦===()()()()()()1000111000111000111121120000021120000021120021x x y y z z xy xy yz yz zx zx E ννννννσεννσεννννσενντγννντγντγννν⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎧⎫⎧⎫⎢⎥--⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥---⎪⎪⎪⎪⎢⎥=⎨⎬⎨⎬-+-⎢⎥⎪⎪⎪⎪-⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪-⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭-⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦D ：弹性矩阵D σε=对称上节回顾弹性力学基本方程dyxyzuvwdzdx(x,y,z )S uS pΩT0Lu A b D σεσε+===弹性力学三大方程in Ω边界上呢？一、弹性力学的边界条件(Boundary condition)dyxyzuvwdzdx(x,y,z)S uS pΩT两类边界条件：S p：力的边界S u：位移边界一、弹性力学的边界条件1、位移边界条件边界上已知位移时，应建立物体边界上点的位移与给定位移相等的条件dyxyzuvwdzdx(x,y,z )S uS pΩTuu u v v on S w w =⎧⎪=⎨⎪=⎩一、弹性力学的边界条件以二维问题为例2、力的边界条件边界上给定面力时，则物体边界上的应力应满足与面力相平衡的力的平衡条件∑X=注意ds为边界斜边的长度，边界外法线n的方向余弦l＝dy/ds，m=dx/ds有：一、弹性力学的边界条件以二维问题为例Y =∑同理：M =∑一、弹性力学的边界条件以二维问题为例二维情形的力的边界条件00x x x y y yx y xy p n n n n p σστ⎧⎫⎧⎫⎡⎤⎪⎪⎪⎪=⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭⎪⎪⎩⎭其中：n x ＝l ；n y ＝m一、弹性力学的边界条件扩展到三维情形的力的边界条件00000000x y xy z x z y x z y xy zyx z yz zx n n n p n n n p n n n p σσστττ⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎡⎤⎧⎫⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎪⎪=⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥⎩⎭⎣⎦⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭n ppon S σ=二、弹性力学中的能量表述功能原理的两个基本概念：功（work）：外力功；能量（energy）：如动能、势能、热能等弹性问题中的功和能量：外力功：施加外力在可能位移上所做的功应变能：变形体由于变形而储存的能量二、弹性力学中的能量表述1. 弹性力学中的外力功（work by force ）弹性力学中的外力包括：面力和体力，故外力功包括：Part 1：面力p i 在对应位移上u i 上的功（on S p ）Part 2：体力b i 在对应位移上u i 上的功（in Ω）外力总功为：()()d d pxyzxyzS W p u p v p w S b u b v b w Ω=+++++Ω⎰⎰二、弹性力学中的能量表述2. 弹性力学中的应变能(strain energy)设加载缓慢，系统功能可忽略，同时略去其它能量（如热能等）的消耗，则所做的功全部以应变能的形式储存于内部。
弹性力学的基本理论及其在实际中的应用
弹性力学的基本理论及其在实际中的应用弹性力学是固体力学学科的分支。
其基本任务是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变，物体内部所产生的位移、变形和应力分布等，为解决工程结构的强度，刚度和稳定性问题作准备，但是并不直接作强度和刚度分析。
一．弹性力学的基本规律规律假设弹性力学的研究对象是完全弹性体。
弹性力学所依据的基本规律有三个：变形连续规律、应力-应变关系和运动(或平衡)规律，它们有时被称为弹性力学三大基本规律。
井下工程是复杂多变的，随着工程的进展，巷道的应力情况也在不断的变化，我们研究的不是一个静止的物体，我们要研究的是一个动态的、不断变化的围岩条件。
要研究岩体的弹性问题,必须要给它一个前提,也就是对它的假设,基本假设是弹性力学讨论问题的基础。
没有基本假设任何问题也进行不了.下面简要介绍弹性力学的几个基本假设：1.连续性假设：假设所研究的整个弹性体内部完全由组成物体的介质所充满，各个质点之间不存在任何空袭。
2.均匀性假设：假设弹性物体是由同一类型的均匀材料组成的。
因此物体各个部分的物理性质都是相同的，不随坐标位置的变化而改变。
因此，物体的弹性性质处处是相同的。
3.各向同性假设：假定物体在各个不同的方向上具有相同的物理性质，这就是说物体的弹性常熟将不随坐标方向的改变而变化。
4.完全弹性假设：对应一定的温度，如果应力和应变之间存在一一对应关系，而且这个关系和时间无关，也和变形历史无关，称为完全弹性材料。
5.小变形假设：假设在外力或者其他外界因素（如温度等）的影响下，物体的变形与物体自身几何尺寸相比属于高阶小量。
6.无初始应力的假设：假设物体处于自然状态，即在外界因素（如外力或温度变化等）作用之前，物体内部没有应力。
根据这一假设，弹性力学求解的应力仅仅是外力或温度改变而产生的。
二．下面介绍一下弹性力学基本的解决问题的方法：弹性力学的研究方法主要有数学方法和实验方法，以及二者结合的方法。
数学方法基本上是根据弹性力学的基本方程，对岩体在某种假设的前提下进行弹性分析，从而得出岩体的各种力学参数。
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3. 均匀性假定 假定整个物体是由同一材料组成的。这样，整个物体的
所有各部分才具有相同的弹性，因而物体的弹性常数才不会 随位置坐标而变，可以取出该物体的任意一小部分来加以分 析，然后把分析所得的结果应用于整个物体。
4. 各向同性假定 假定物体的弹性在各方向都是相同的。即物体的弹性常
数不随方向而变化。对于非晶体材料，是完全符合这一假定 的。
1
第二章 弹性力学基本理论回顾
第一节 弹性力学的几个基本假定 第二节 弹性力学中的基本力学量和方程 第三节 弹性力学的平面问题
2
第一节 弹性力学的几个基本假定
大量的工程问题都涉及到应力、应变及位移的分 析计算，弹性力学（又称弹性理论）就是研究物体在 外部因素（如外力、温度变化等）作用下产生的应力、 应变及其位移规律的一门科学，它是固体力学的一个 分支。
1) 几何方程
对于平面应变问题：w = 0 ， u（x，y），v（ x，y ）对于
z轴的偏导数为0，故有z=yz
=zx=0 ，
所以有：
u
x
yห้องสมุดไป่ตู้
xy
x v
y v x
u y
14
2) 物理方程
由于ryz=rzx=0 故有 zx =yz =0
由于z = 0，即 z ( x y ) 注意平面应变问题z = 0，但 z 0 ，将 z代入空间物理
1. 特点：
1) z向尺寸远大于x，y向尺寸，且与z轴垂直的各个横
截面尺寸都相同。
2) 受有平行于横截面（x、y平面）且不沿z向变化的
外载荷（包括体力x、y，但z=0），约束条件沿z向
也不变。即，所有内在因素和外来作用都不沿长度
变化。
13
例如：受内压的圆柱管道和长水平巷道等。
P
y
P
x
2. 平面应变问题的基本方程
简写成： D
平面应变问题的弹性矩阵
2
15
3) 平衡方程
因为平面应变问题独立分量只有x 、y 、xy，而 z ( x y ) ，它们都是x、y的函数与z无关，
且体力Z=0，故有：
x yx X 0 x y xy y Y 0 x y
16
二、平面应力问题 1. 特点： 1) 长、宽尺寸远大于厚度 2) 沿板面受有平行板面的面力，且沿厚度均布，体力 平行于板面且不沿厚度变化，在平板的前后表面上 无外力作用。 例如： y
x
17
２. 平面应力问题的基本方程
因为在平板的前后表面上各点的z =zx =zy =0 ，但
在板的内部有这些应力，由于板厚t很小，故这些应力也
很小，可略去不计。将zx =zy =0 代入空间物理方程有：
YZ zx 0
将z =0 代入可得：
4
1. 连续性假定 假定物体整个体积都被组成该物体的介质所填满，不存
在任何空隙。有了这一假定，物体内的一些物理量（如应力、 应变等等）才能连续，因而才能用坐标的连续函数来表示它 们的变化规律。
2. 完全弹性假定 假定物体满足虎克定律；应力与应变间的比例常数称为
弹性常数。这个假定，使得物体在任意瞬时的应变将完全 取决于该瞬时物体所受到的外力或温度变化等因素，而与 加载的历史和加载顺序无关。
6
上述假定，都是为了研究问题的方便，根据研究对象 的性质、结合求解问题的范围，而作出的基本假定。这样 便可以略去一些暂不考虑的因素，使得问题的求解成为可 能。
7
第二节 弹性力学中的基本力学量和方程
一、基本力学量：
位移 应变
u
v
和
x y
w z
x y
和
xy xy
z
zx
2 y x2
2 x y x y
2 y z2
2 z y2
2 y z y z
2 z x2
2 x z2
2 z x z x
z
x
xy
yz
2
2 x
x y z x y z
x
y
yz
z
x
2
2 y
y z x y x z
yz
zx
x
y
2
2 z
z x y z x y
y
z
zx
1 G
zx
yz
E
21
yz
zx
E
21
zx
E——抗压弹性模量（弹性模量）
G————侧剪向切收弹缩性系模数量（（泊对松称比刚）度模量）它的们关之系间是：
G
E
21
11
4. 平衡方程（外力与应力的关系）
x yx zx X 0 x y z xy y zy Y 0 x y z xz yz z Z 0 x y z
其中：X、Y、Z为三个方向的均匀分布体力
12
第三节 弹性力学的平面问题
严格地说，实际的弹性结构都是空间结构，并处于空 间的受力状态，属于空间问题。然而，对于某些特定的问 题，根据结构和受力情况可以简化为平面问题来处理。平 面问题一般可以分为两类，一类是平面应力问题，另一类 是平面应变问题。
一、平面应变问题
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3. 物理方程（应力与应变的关系）
用应力表示应变
用应变表示应力
x
1 E
x
y
z
x
1
E 1 1
2
x
1
y
1
z
y
1 E
y
z
x
y
1
E 1 1
2
y
1
z
1
x
z
1 E
z
x
y
xy
1 G
xy
z
1
E 1 1
2
z
1
x
1
y
xy
E
21
xy
yz
1 G
方程有：
x
1
E
1 x
y
x
E
(1 )(1 2)
1 x
y
y
1
E
1 y x
或
y
E
(1 )(1 2)
x
1 y
xy
1 G
xy
xy
E 2(1
)
xy
即：
x y
xy
(1
E
)(1
2)
1
0
0
1
0
1
0
2
x y
xy
应力
x y
和
xy
yz
z
zx
8
二、基本方程和主要关系式： 1.几何方程（空间弹性结构内任一点P的位移与应变的关系）
x u
y
x v
y
直角坐标
z
xy
w z v x
u
y
y
z
zx
w y u z
v z w x
9
2.变形协调方程：
2 x y2
3
弹性力学的基本任务就是针对各种具体情况， 确定弹性体内应力与应变的分布规律。也就是说，当 已知弹性体的形状、物理性质、受力情况和边界条件 时，确定其任一点的应力、应变状态和位移。弹性力 学所研究的对象是理想弹性体，其应力与应变之间的 关系为线性关系，即符合虎克定律。所谓理想弹性体， 是指符合下述四个假定的物体，即 ：