弹性力学期末考试第一份试卷和答案

2011----2012学年第二学期期末考试试卷（1 ）卷题号一二三四五六七八九十总分评分评卷教师一．名词解释（共10分，每小题5分）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（共20分，每空1分）1.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。

2.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。

3.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。

4. 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。

5. 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（共10分，每小题5分）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（24分）1. （8分）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。

2. （8分）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。

3. （8分）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 xs yx x =⎪⎩⎪⎨⎧=+=+（3）若为多连体，还须满足位移单值条件。

五． 问答题(36)1. （12分）试列出图5-1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）图5-1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 -=-=2σ，()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 ⎰+-=+-=2210σ，()262220qlh ql l F M ydy S h h x x +---=⎰+-=σ，()2220qlF dy h h S x xy --=⎰+-=τ 2. （10分）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5-2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。

图5-2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()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-===⎰⎰⎰⎰+-+-=+-=+-=22322202202204300h h h h x xy h h x x h h x x h c dy cy dy dy y dy τσσ ()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-=====⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-+-=+-+-=+-+-=22322203222222222432606h 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。

3. （14分）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5-3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=x σ ）图 5-3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=x σ，(1) 假设应力分量的函数形式。

0=x σ(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22y x ∂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=dx x 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。

得应力函数()()2323Ex Dx Cx Bx Ax y ++++=Φ (d)（4）由应力函数求应力分量。

022=-∂Φ∂=x x xf yσ， (e)gy E Dx By Axy yf xy y ρσ-+++=-∂Φ∂=262622， (f)C Bx Ax yx xy---=∂∂Φ∂-=2322τ. (g)(5) 考察边界条件。

利用边界条件确定待定系数 先来考虑左右两边2b x ±=的主要边界条件：()02=±=b x x σ，()02=-=b x xy τ，()q b x xy =+=2τ。

将应力分量式(e)和(g)代入，这些边界条件要求：()02=±=b x x σ，自然满足； ()0432=-+-=-=C Bb Ab b x xy τ (h)()q C Bb Ab b x xy =---=+=243τ (i) 由（h ）（i ） 得 bqB 2-= （j ） 考察次要边界0=y 的边界条件，应用圣维南原理，三个积分的应力边界条件为()()02262222==+=⎰⎰+-=+-Eb dx E Dx dx b b y b b yσ； 得 0=E()()022632022==+=⎰⎰+-=+-Db dx x E Dx xdx b b y b b y σ， 得 0=D()0433222022=--=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎰⎰+-=+-bC Ab dx C x b q Ax dx b b y b b xy τ （k ） 由（h ）（j ）（k ）得 2bq A -=, 4qC =将所得A 、B 、C 、D 、E 代入式（e ）（f ）（g ）得应力分量为：0=x σ，gy y b q xy b q y ρσ---=26， 4322qx b q x b q xy-+=τ1 简述材料力学、结构力学与弹性力学这三门课程的主要特点与区别？(5分)答：材料力学，研究单个个杆件的拉压、弯曲、扭转与剪切等问题，基于平截面假设； 结构力学，研究杆系结构的内力、位移与稳定性等问题，也是基于平截面假设；弹性力学，研究弹性体的应力与形变等问题，综合利用平衡微分方程、几何方程、物理方程与边 界条件进行求解，无需平截面假设。

1 什么是弹性变形？什么是弹性体？(5分)答：外力作用下物体产生变形，外力撤消后，变形完全消失，物体恢复以前的形状，称为弹性变形。

具有弹性变形的物体称为弹性体。

2 什么是连续性假定？(5分)答：即假定整个物体体积内全部被组成这个物体的介质所填满，没有任何空隙。