2 第二讲 应力与应变解析
《应力与应变》课件
目录
CONTENTS
• 应力概述 • 应变概述 • 应力与应变的关系 • 应力与应变的应用 • 实验与演示 • 总结与展望
01 应力概述
CHAPTER
定义与概念
定义
应力定义为物体内部单位面积上 所承受的力，用于描述物体受力 状态。
概念
应力是物体受力时内部各部分之 间的相互作用，是物体抵抗变形 和破坏的内在能力。
压缩实验
总结词
通过观察物体在压缩过程中的形变，了解应 力和应变的基本性质。
详细描述
压缩实验是应力与应变研究中另一种重要的 实验方法。在实验中，我们将物体的一端固 定，另一端施加逐渐增大的压力，使物体发 生压缩形变。通过测量压缩量，我们可以计 算出物体的应力和应变。通过观察和记录实 验数据，学生可以了解应力和应变的基本性
应力分类
按作用方式
可分为正应力和剪应力。正应力表示 垂直于受力面的力，剪应力表示与受 力面平行且垂直于切线方向的力。
按作用效果
可分为拉应力和压应力。拉应力表示 使物体拉伸的力，压应力表示使物体 压缩的力。
应力单位与表示方法
单位
应力的单位是帕斯卡（Pa），国际单位制中的基本单位。
表示方法
应力的表示方法通常采用符号“σ”或“σxx”（xx表示方向），例如正应力的 表示符号为σ或σxx，剪应力的表示符号为τ或τxy（xy表示剪切方向）。
进步。
谢谢
THANKS
压缩试验
测定材料的抗压强度、弹性模量等指 标，了解材料在受压状态下的性能表 现。
有限元分析
模型建立
根据实际结构或系统建立有限元 模型，将复杂结构离散化为有限
个单元。
加载与约束
应力应变概念讲解
根据倒顺关系有（由弹性应变能导出）：
Sij=Sji , －? 21/E1? －? 12/E2，系数减少至 21个
考虑晶体的对称性，
例如：斜方晶系，剪应力只影响与其平行的平面的应变， 不影响正应变， S数为9个(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12 = S21,S23,S13) 。 六方晶系只有 5个S(S11 = S22, S33, S44, S66, S13) 立方晶系为 3个S(S11,S44,S12) MgO 的柔顺系数在 25oC时， S11 =4.03×10-12 Pa -1; S12 =－0.94×10-12 Pa -1; S 44 = 6.47×10-12 Pa -1 . 由此可知，各向异性晶体的弹性常数不是均匀的。
F=du(r)/dr=(d 2U/dr 2)ro ? K =(d 2U/dr 2)ro就是势能曲线在最小值 u(ro) 处的曲率。
结论： 弹性常数的大小实质上反映了原子间势能曲线 极小值尖峭度的大小。
(3) 弹性刚度系数
使原子间的作用力平行于 x轴，作用于原子上的作用力：
F= －?u/?r ,
应力：
负剪应力
体积元上任意面上的法向应力与坐标轴的正方向相 同，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；
如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪 应力指向坐标轴的正方向者为负。
应力间存在以下关系：
根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的 法向应力大小相等，方向相反；
剪应力作用在物体上的总力矩等于零。
同理可以得出其他两个剪切应变：
?yz= ?v/?z+?w/?y ?zx= ?w/?x +?u/?z 结论：
一点的应变状态可以用六个应变分量来决定，即 三个剪应变分量及三个正应变分量。
材料力学之应力与应变分析(ppt 35页)
2201705309M 0 Pa
③根据s1、s2、s3的排列顺序，可知：
s1=390MPa，s2=90MPa，s3=50MPa
y 140
z
A
150 x 300
90
A视
sy=140
txy=150 sx=300
y' 31o y s3
s2 z
s1
x'
31o x
④主应力方位：
tg2a0s2xtxsyy3200115400185 2a062o a031o a0212o1
应力与应变分析
（1）应力分量的角标规定：第一角标表示应力作用面，第二 角标表示应力平行的轴，两角标相同时，只用一个角标表示。
（2）面的方位用其法线方向表示
t y z t z， y t z x t x， z t x y t yx
3.截取原始单元体的方法、原则
①用三个坐标轴(笛卡尔坐标和极坐标，依问题和构件形状 而定)在一点截取，因其微小，统一看成微小正六面体
应力与应变分析
1. ①主平面：单元体上剪应力为零的面；
②主单元体：各面均为主平面的单元体，单元体上有三对 主平面；
z
sz
tzy
tzx
tyz
txz
sy y
sx txy tyx x
x'
s1 旋转
z' s3
s2 y'
③主应力：主平面上的正应力，用s1、s2、s3 表示， 有s1≥s2≥s3。
2.应力状态按主应力分类：
-40.3
(29.8,20.3) s
60o 35.3 29.8o D(30,-20)
第三节 三向应力状态下的最大应力
一、三向应力状态下的应力圆
应变和应力的概念
应变和应力的概念应变和应力的概念引言应变和应力是材料力学学科中的基本概念，它们是研究材料在受外部作用下的变形和破坏行为的重要参数。
本文将深入探讨应变和应力的概念、种类、计算及其在工程实践中的应用。
一、应变的概念1.1 定义应变是指物体在受外部作用下发生形状或大小上的改变程度。
通俗地说，就是物体发生了多少形变。
1.2 种类根据物体发生形变时，不同方向上长度或角度的改变情况，可分为以下几种类型：(1) 线性应变：也称伸长率，是指物体沿着外力作用方向上单位长度发生的相对伸长量。
(2) 非线性应变：也称剪切应变，是指物体内部各层之间因受到外部剪切力而产生相对滑动而引起角度改变。
(3) 体积应变：是指物体在三个互相垂直方向上同时发生尺寸改变所引起的相对体积改变量。
二、应力的概念2.1 定义应力是指物体在外部作用下，单位面积内所受的力。
通俗地说，就是物体受到了多大的力。
2.2 种类根据作用力的不同方向和大小，可分为以下几种类型：(1) 正应力：是指作用在物体上的力与该面积垂直的分量。
(2) 剪应力：是指作用在物体上的力与该面积平行的分量。
(3) 组合应力：是指同时存在正应力和剪应力时，在该面积上所受到的合成作用。
三、应变和应力之间的关系3.1 胡克定律胡克定律是描述弹性材料之间应变和应力之间关系的基本定律。
它表明，当材料受到外部载荷时，其产生的弹性形变量与所施加载荷成正比。
即：σ=Eε其中，σ为材料所受内部单位面积上产生的正应力；E为杨氏模量，表示单位长度内所需施加的正应力；ε为材料所发生线性形变（伸长率）。
3.2 应变-位移关系式对于线弹性材料，在外部载荷不超过其屈服极限时，它的应变与位移之间的关系可以用以下式子表示：ε=δ/L其中，ε为物体的线性应变（伸长率）；δ为物体所受外力引起的位移；L为物体的原始长度。
四、应变和应力在工程实践中的应用4.1 应变计应变计是一种用于测量材料应变量的仪器。
它可以通过测量材料在受外部载荷时发生形变的程度来推算出其所受到的应力大小。
应变和应力关系
新能源技术：利用应变和应力原理，优化风力发电机叶片设计，提高风能 利用率和发电效率。
机器人技术：通过研究应变和应力与机器人关节运动的关系，提高机器人 的灵活性和稳定性，拓展机器人的应用领域。
应变和应力对未来科技发展的影响
增强材料性能：通过深入研究应变和应力，可以开发出性能更强的新型材 料，为未来的科技发展提供物质基础。
智能制造：利用应变和应力的知识，可以优化制造过程中的材料性能，提 高生产效率和产品质量，推动智能制造的发展。
生物医学应用：在生物医学领域，应变和应力的研究有助于更好地理解和 控制人体生理机制，为未来的生物医学应用提供支持。
压痕法：利用压痕仪在物体表面压出一定形状的压痕，通过测量压痕的尺寸来计算应力
应变和应力的相互影响
应变和应力之间的关系：应变是应力作用下的物体形状变化，应力是抵抗变形的力。
应变和应力的测量方法：通过应变计和应力计进行测量，应变计测量物体变形，应力计测量物 体受到的力。
应变和应力的相互影响：应变和应力之间存在相互影响，例如在材料屈服点附近，应变和应力 之间会发生突变。
应力的概念
分类：正应力、剪应力、弯 曲应力等
定义：物体受到外力作用时， 内部产生的反作用力
单位：帕斯卡（Pa） 作用效果：使物体产生形变
应变和应力的关系
应变是物体形状 的改变，应力是 物体内部抵抗变
形的力
应变和应力之间 存在线性关系， 即应变正比于应
力
应变和应力之间 的关系可以用胡 克定律表示，即 应力=弹性模量
应变和应力关系
汇报人：XX
应变和应力的定义 应变和应力的测量方法 应变和应力的应用领域 应变和应力的研究进展 应变和应力的未来展望
应变和应力的概念
应变和应力的概念一、引言应变和应力是材料力学中重要的概念，在工程和科学研究中有着广泛的应用。
应变是描述物体形变程度的物理量，而应力则是描述物体内部受力状态的物理量。
本文将详细介绍应变和应力的概念，并深入探讨两者之间的关系。
二、应变的概念2.1 应变的定义应变是描述物体形变程度的物理量，通常用符号ε表示。
应变可分为线性应变和非线性应变两种情况。
线性应变发生在物体受到小的力引起的形变情况下，其应变与受力成正比。
非线性应变则发生在物体受到大的力引起的形变情况下，其应变与受力不成正比。
2.2 应变的分类1.纵向应变2.横向应变3.剪切应变4.体积应变三、应力的概念3.1 应力的定义应力是描述物体内部受力状态的物理量，通常用符号σ表示。
应力分为正应力和剪应力两种情况。
正应力是指垂直于物体截面的力在单位面积上的分布情况，剪应力是指平行于物体截面的力在单位面积上的分布情况。
3.2 应力的分类1.纵向应力2.横向应力3.剪切应力4.欧拉应力四、应变与应力的关系应变与应力之间存在着密切的关系，可以由材料的应力-应变曲线来描述。
应力-应变曲线显示了材料在受力下的变形和应力的关系，以此来研究材料的力学性质。
4.1 弹性阶段在弹性阶段，材料受力后会发生一定程度的形变，但当去除外力时，材料可以恢复到原先的形状。
此时应力与应变呈线性关系，称为胡克定律。
4.2 屈服阶段当外力超过了材料的弹性极限时，材料会进入屈服阶段。
此时材料会产生更大的形变，但仍能回复到非常接近原来形状的状态。
4.3 塑性阶段当外力超过了材料的屈服极限时，材料将进入塑性阶段，并发生不可逆的形变。
在这个阶段，应力与应变之间的关系不再是线性的，材料会呈现出时间依赖性和屈服后的流变行为。
4.4 断裂阶段当外力继续增加，超过了材料的断裂强度，材料将发生断裂并失去原有的结构完整性。
五、总结应变和应力是描述材料力学性质的重要概念。
应变是描述物体形变程度的物理量，而应力是描述物体内部受力状态的物理量。
应变和应力的关系公式
应变和应力的关系公式应变和应力是力学中非常重要的概念，它们描述了物体在外力作用下的变形和反抗变形的能力。
应变是物体在外力作用下发生变形的程度，而应力是物体对外力的反抗程度。
应变和应力之间存在着一定的关系，下面将通过分析和解释来阐述这一关系。
我们来看一下应变的定义。
应变通常用来描述物体的形变程度。
当物体受到外力作用时，它的形状会发生改变，这种形变程度就是应变。
应变可以分为线性应变和非线性应变。
线性应变是指物体的形变与受力成正比，比如拉伸或压缩后物体的长度或体积的变化。
非线性应变则是指物体的形变与受力不成正比，比如物体的弯曲或扭转。
而应力则是物体对外力的反抗程度。
当物体受到外力作用时，它会产生内部的应力，以抵抗外力的作用。
应力可以分为正应力和剪应力。
正应力是指物体内部的应力沿着受力方向的成分，比如拉伸或压缩时物体内部的张力或压力。
剪应力则是指物体内部的应力与受力方向垂直的成分，比如物体发生弯曲或扭转时的切向应力。
应变和应力之间的关系可以通过胡克定律来描述。
胡克定律是力学中一个重要的定律，它描述了弹性体的应力和应变之间的线性关系。
根据胡克定律，当外力作用于弹性体时，弹性体产生的应变与外力成正比，且比例常数为弹性模量。
弹性模量是描述物体抵抗形变能力的物理量，通常用符号E表示。
胡克定律的数学表达式为：应力=弹性模量×应变。
这个关系可以简洁地表示了应变和应力之间的关系。
根据这个关系，我们可以推导出应变和应力之间的其他关系。
比如，如果已知应变和弹性模量，可以通过应变乘以弹性模量来计算应力。
同样地，如果已知应力和弹性模量，可以通过应力除以弹性模量来计算应变。
除了胡克定律，还有其他的应变与应力之间的关系，比如柯西应变与柯西应力之间的关系、拉梅应变与拉梅应力之间的关系等。
这些关系都是通过实验和理论推导得到的，它们描述了不同应变与应力之间的关系，适用于不同的物体和力学问题。
总结起来，应变和应力之间存在着一定的关系，可以通过胡克定律或其他相关定律来描述。
详解内力、应力、应变
详解内力、应力、应变一、内力的概念1. 定义内力，是指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间相互作用力（附加内力）。
杆件所受到外界施加的力称为外力。
如图所示为任意一个物体，它是由无穷多的微粒组成的，构件内任意相邻两个微粒之间存在着相互作用力，作用力的大小与微粒之间的相对位置有关系。
当物体受到外力作用后，物体发生变形，其内部微粒之间的相对位置发生改变，它们之间的相互作用力随之发生改变。
我们把这个由外力作用而产生的作用力的改变量称为附加内力，简称为内力。
2. 内力的求法——截面法显然内力在构件的内部，想要求解内力，只有让内力暴露出来，这样根据需要求解内力的截面位置，我们采用截面法。
假想地把该截面截开，原构件是平衡的，截开后的任意一部分也是平衡的，即截面两侧的任意一部分在外力及截面上的内力作用下处于平衡状态。
因此，可以取截面的任意一侧，研究其平衡条件，建立平衡方程，求解该截面上的内力。
具体截面求解步骤如下。
•假想截开：在所求内力的截面处（一般是横截面），假想地用截面将杆件一分为二。
••代替：任意取一部分，其舍弃部分对留下部分的作用，用作用在截面上相应的内力（力或力偶）代替。
•平衡：对留下的部分建立平衡方程，根据其上已知外力来计算杆在截开面上的未知内力（此时，截开面上的内力对所保留部分而言是外力）。
根据均匀性连续性的基本假设，截开后的截面上应该是连续分布着一任意力，截面上各点处都有内力，而空间任意力系的平衡条件只有六个，我们求解不出所有各点的内力。
根据力系的简化，我们把这个内力的任意力系向截面的一点简化，通常向截面的形心简化，得到一个主矢一个主矩，如下图所示。
以截面形心为原点，建立直角坐标系如图x轴垂直于横截面，即沿杆的轴线方向，y、z轴在截面面内。
把主矢向三个坐标轴分解可得三个分量：沿着x轴的轴力，沿着y轴和z轴的剪力。
把主矩向三个坐标轴分解可得三个分量：沿着x轴的扭矩，沿着y轴和z 轴的弯矩。
我们把这六个分量也称为内力，但是要注意这六个分量是内力的合力或合力矩。
应力和应变状态分析PPT课件
0.469MPa
第7页/共62页
C 1.04MPa(压) C 0.469MPa
⑶ 作出点的应力状态图
x 1.04MPa y 0 xy 0.469MPa
40o
x
y
2
x
2
y
cos 2
xy
sin 2
1.04 1.04 cos 80o 0.469 sin 80o
2
2
1.07MPa
0
tan 20
2 xy x
y
代入平面应力状态下任意斜截面上应力表达式
max min
x
y
2
(
x
2
y
)2
2 xy
第9页/共62页
x
2
y
sin
20
xy
cos 20
0
0 0
σmax 、σmin 作用面上τ = 0，即α0截面为主平面， σmax、σmin为主应力。
max min
x
y
2
(
x
2
CE sin20 cos 2 CE cos 20 sin2
(CDsin20)cos 2 (CDcos 20)sin2
x
2
y
sin 2
xy
cos 2
第23页/共62页
2. 确定主应力的大小及主平面的方位 A1、B1点对应的横坐标分别表示对应主平面上的主应力。
⑴ A1、B1点对应正应力的极值
x
y
2
x
y
2
cos 2
xy sin 2
63.7 63.7 cos 240o (76.4) sin 240o 22
50.3MPa
x
应力和应变分析
应力和应变分析应力和应变分析是材料力学中非常重要的一项内容，它们研究材料在外力作用下的变形行为。
应力是表征材料单位面积内的力的大小，而应变则是描述材料单位长度内的变形程度。
应力和应变的分析可以帮助我们理解材料的强度和刚度，以及材料在不同条件下的变形和破坏机制。
本文将从应力和应变的定义、材料的本构关系和应变测量等方面进行探讨。
首先，应力的定义为单位面积内的力的大小，常用符号为σ，其计算公式为σ=F/A，其中F为施加力的大小，A为力作用的面积。
应力的单位通常为帕斯卡（Pa），1Pa等于1N/m^2、根据作用力的不同方向，应力又可以分为正应力和剪应力。
正应力是垂直于材料截面的力，剪应力则是在材料截面上平行于切平面的力。
其次，应变是材料受力后发生的形变程度，常用符号为ε，其计算公式为ε=ΔL/L0，其中ΔL为长度的增量，L0为力作用前的长度。
应变的单位为无量纲。
类似于应力，应变也有正应变和剪应变之分。
正应变是材料在力作用下产生的沿体积方向的变化，剪应变则是在截面上平行于剪切力方向的变化。
应力和应变之间的关系可以通过材料的本构关系来描述。
材料的本构关系是材料在应力与应变之间的函数关系，通常以应力-应变曲线的形式表示。
根据材料的性质不同，应力-应变曲线可以分为线性区、弹性区、屈服区、塑性区和断裂区。
在线性区内，应力和应变呈线性关系，材料具有良好的弹性行为。
在弹性区内，材料回复到原始形状，没有永久性变形。
当应力超过一定的值时，材料进入屈服区，出现塑性变形。
塑性区内，材料的应变增大，但没有太大的应力增加。
当材料无法再承受应力引起继续塑性变形时，出现断裂。
最后，应变的测量是应力和应变分析的重要一环。
常用的应变测量方法包括拉伸试验、剪切试验、压缩试验等。
拉伸试验是最常见的应变测量方法之一，通过施加拉力来测量材料在不同应力下的应变。
剪切试验则是通过施加剪切力来测量材料的剪切应变。
压缩试验则是将材料压缩后测量其压缩应变。
工程力学中的应变与应力分析
工程力学中的应变与应力分析工程力学是研究物体静力学和动力学的一门学科，它在工程设计和结构力学分析中起着重要的作用。
在工程力学中，应变与应力是两个基本概念，也是进行结构分析和材料力学计算的关键参数。
本文将从应变和应力的定义、计算公式、应变与应力的关系等方面进行介绍与分析。
一、应变的概念与计算应变是物体在受到力的作用下，发生形变的程度的度量。
应变可分为线性应变和切变应变两种。
1. 线性应变线性应变是指物体在受力作用下，其形变呈现线性关系。
常见的线性应变有拉伸应变和压缩应变。
拉伸应变是指物体在拉伸力作用下的伸长变化程度，压缩应变是指物体在压缩力作用下的压缩变化程度。
线性应变的计算公式如下：ε = ΔL / L其中，ε表示线性应变，ΔL表示长度变化量，L表示物体的初始长度。
2. 切变应变切变应变是指物体在受到剪切力作用下，产生的剪切变形程度。
切变应变的计算公式如下：γ = θ * r其中，γ表示切变应变，θ表示切变角度，r表示物体上两点间的距离。
二、应力的概念与计算应力是物体内部受力作用下单位面积上的力的大小。
常见的应力有拉应力、压应力和剪应力等。
应力的计算公式如下：1. 拉应力和压应力拉应力是指垂直于物体横截面的拉力作用下，单位面积上的力的大小，压应力是指垂直于物体横截面的压力作用下，单位面积上的力的大小。
拉应力和压应力的计算公式如下：σ = F / A其中，σ表示应力，F表示作用力的大小，A表示物体的横截面积。
2. 剪应力剪应力是指平行于物体横截面的剪切力作用下，单位面积上的力的大小。
剪应力的计算公式如下：τ = F / A其中，τ表示剪应力，F表示作用力的大小，A表示物体的横截面积。
三、应变与应力的关系应变与应力有着密切的关系，可以通过应变与应力的计算公式来解析他们之间的关系。
1. 杨氏模量杨氏模量是一种材料的特性参数，它是应力与应变之间的比值。
杨氏模量的计算公式如下：E = σ / ε其中，E表示杨氏模量，σ表示应力，ε表示应变。
应力和应变之间的关系
应力和应变的关系曲线
描述
应力和应变的关系曲线是描述应力与应变之间关系的图形表示。
形状
在弹性范围内，曲线呈直线上升；超过弹性极限后，曲线出现弯曲。
应用
通过应力和应变的关系曲线，可以确定材料的弹性模量、屈服点和 极限强度等机械性能参数。
04
应力和应变的应用
弹性力学
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下 变形和内力的规律的科学。在弹性力学 中，应力和应变是描述物体变形和受力 状态的基本物理量。
公式
σ=Eεsigma = E varepsilonσ=Eε
解释
σ为应力，E为弹性模量，ε为应变。 当应力增加时，应变也相应增加， 且两者成正比关系。
非线性关系
描述
当材料受到超过其弹性极限的应力时 ，应力与应变之间的关系不再是线性 的，而是呈现非线性关系。
特征
在非线性阶段，应变随应力的增加而 急剧增加，可能导致材料发生屈服或 断裂。
设计优化
优化结构设计
通过对应力和应变的分析，优化结构设计，提高结构的承载能力 和稳定性。
考虑材料特性
在设计过程中，充分考虑材料的力学特性和性能，合理选择和使 用材料，以降低应力和应变对结构的影响。
引入减震和隔震措施
通过引入减震和隔震措施，降低地震等外部载荷对结构产生的应 力和应变，提高结构的抗震性能。
时间
蠕变
在长期恒定应力作用下，材料会发生 缓慢的塑性变形，即蠕变。蠕变会影 响材料的应力和应变关系，特别是在 高温和长期载荷作用下。
时间依赖性
某些材料的力学性能会随时间发生变 化，对应力和应变的关系产生影响。 例如，疲劳和时效等现象会导致材料 性能随时间发生变化。
07
应力和应变在工程实践中的 注意事项
应力与应变分析课件
03
边界元法
边界元法是一种基于边界积分方程的数值方法，适用于解决各种物理问
Байду номын сангаас
题。未来，边界元法将在更多领域得到应用，例如流体力学、电磁场等
问题。
考虑材料非线性的影响
材料非线性是指材料的应力-应变关系不是线性的，需要考虑 材料内部结构、相变等因素的影响。未来，研究人员将进一 步考虑材料非线性的影响，以更准确地预测材料的力学性能 。
解方程
通过加权残值法，求解方程中 的参数，使得残值的平方和最
小化。
05
应力与应变分析在工 程中的应用
结构优化设计
总结词
提高结构性能与稳定性
详细描述
应力与应变分析在结构优化设计中具有重要作用，通过分析可以评估结构的强 度、刚度和稳定性，发现潜在的薄弱环节，为结构设计和改进提供依据，从而 提高结构的性能与稳定性。
应力分类
根据作用力的来源和性质，应力 可以分为多种类型，如正应力、 剪应力、弯曲应力等。
应力与应变的关系
应力的作用
应力作用在物体上，会导致物体 内部发生形变，即应变。
应变分类
应变分为线应变和角应变，分别表 示物体形状和大小的改变。
弹性力学基本方程
描述应力与应变之间关系的方程， 如胡克定律（Hooke's law）。
应力应变关系。
04
应变分析的基本方法
直接方法
定义应变分量
根据物体的形状和受力情况，将物体分为多个小的单元，并定义 每个单元的应变分量。
建立方程
根据弹性力学方程和应变分量的定义，建立物体整体的应变方程。
解方程
根据方程的解，得到每个点的应变值。
最小二乘法
确定目标函数
应力和应变
应力和应变1. 简介在力学和材料科学中，应力和应变是两个重要的概念。
应力是指材料内部受到的力的作用，而应变是指材料在受到力作用后发生的形变。
应力和应变是描述材料力学性能的基本参数，对于材料的设计和工程应用具有重要意义。
2. 应力应力是材料内部受到的力的作用，通常用符号σ表示，其单位是帕斯卡（Pa），也可以使用兆帕（MPa）或千兆帕（GPa）。
应力可以分为三类：正应力、剪应力和法向应力。
2.1 正应力正应力是指作用在材料内部的垂直于截面的力，可以通过力除以截面积来计算。
正应力可以进一步分为拉应力和压应力，分别表示拉伸和压缩材料时的应力。
拉应力表示材料受到拉伸作用时的应力，通常以正数表示。
拉应力会使材料发生形变，具有延展性和弹性，可以恢复原状。
压应力表示材料受到压缩作用时的应力，通常以负数表示。
压应力会使材料发生形变，具有收缩性和塑性，并且不易恢复原状。
2.2 剪应力剪应力是指作用在材料内部的平行于截面但方向不同的力，可以通过力除以截面积来计算。
剪应力会使材料发生扭转和剪切形变。
剪应力会产生剪切变形，对应的是材料的剪切模量，可以用于描述材料的硬度和可塑性。
2.3 法向应力法向应力是指作用在材料内部的垂直于截面方向的力，可以通过力除以截面积来计算。
法向应力会使材料发生压缩或拉伸形变。
法向应力的大小和方向取决于施加力的方向和大小，可用于描述材料的稳定性和破坏性。
3. 应变应变是材料在受到力作用后发生的形变，通常用符号ε表示。
应变可以分为线性应变和非线性应变两类。
3.1 线性应变线性应变是指材料在受到小应力作用时，形变与力之间的关系是线性的。
线性应变可以通过材料的弹性模量来描述，弹性模量是材料在小应力作用下恢复原状能力的度量。
3.2 非线性应变非线性应变是指材料在受到大应力作用时，形变与力之间的关系是非线性的。
非线性应变通常发生在超过材料弹性极限时，即材料开始变形并难以恢复原状的阶段。
非线性应变可以引起材料的塑性变形和破坏，对于材料的设计和使用具有重要影响。
§2 应力应变分析及应力应变关系23
2 sin 2 x cos 2 0
主方向公式
2 x tan2 P x y
P 2 P1 90 - ~内，得两个值 P1 和 P 2 ，且
即这两个主平面相互垂直
13
主平面上的正应力称为主应力
将P1，P2代入（2.12）得出主平面上的主应力为：
例如外力作用在板平面内的薄板内任意点 取出的单元体
9
1.平面应力状态的工程表示方法 应力分量的正负号规定： y 正应力 x ， y 以拉为正 y 切应力 x ， y 以使单元体顺
y
x
x
时针转动为正
x
y
x
y
x
故切应力互等定理为：
x y
2. 斜截面应力公式——解析法
y
x
y x
x
y
x
y
2
x
上两式两边平方后相加
x y
2
2
2
x y 2
,
2
x y
2
R
2
2
圆的方程：圆心 ( 圆的半径： R
(
x y
§2 应力应变分析及应力应变关系
§2.1 应力的概念 一点处的应力状态
1. 应力的概念
用截面法求某一截面上的内力，得出该截面上的 内力分量：FN , FS , T , M ——截面分布内力系向截 面形心简化后的等效力系 y x F
R
FN
T
FS
z
MC
为正确描述变形，应在 该截面上的每一点，描 述内力的状况。
x y x y 2 主应力公式 （2.15) x 2 2 x y x y cos2 x sin 2 由斜面应力公式 2 2 x y d 2 sin 2 2 x cos 2 0 令 d 2
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。
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大多数劈理代表挤压面
（2）
（1）
（3）
4. 应变椭球体的类型：Flinn 图解 应变椭球体的形态及其类型可用图解 来表示，其中Flinn 图解是常用的。在该图 解中： a = X / Y = ( 1 + e1 ) / ( 1 + e2 ) （ 4 ） b = Y / Z = ( 1 + e2 ) / ( 1 + e3 ) （ 5 ） K = tan = ( a－1) / ( b－1) （6）
0 0 1
P1
旋转
P0
P1
P1
P0
形变
体变
二、应变与应变类型
1. 应变 是指变形前后物体的形状、大小或物质线方位的改变量。
原始状态 原始状态 原始状态
挤压
拉伸
剪切
应变类型：线应变、剪应变
2. 线应变 指变形前后物体中线段长度的改变量，一 般用e表示： e=（L1-L0）/L0 （1） （ 1 ）式中 L0 和 L1 分别代表变形前和变形后线段 的长度。并约定：伸长应变为正值、缩短应变 为负值。
三、应变椭球体 1. 概念 单位圆球体经均匀应变变成的椭球体 称为应变椭球体
X 应变椭球体内有三个互相垂 直的主轴，沿主轴方向只有 线应变而没有剪应变，称之 为应变主轴。分别以1，2， 3（或X, Y, Z）表示。椭球 体的三个主轴的半径分别为 √1，√2，√3。 包含应变椭球体的任意两个 Z 主轴的平面叫做应变主平面。
Y
• 应变椭球体的圆切面 为无伸缩面。 • 无伸缩面与3之间为 挤压应变区，岩石遭 受到挤压变形； • 无伸缩面与1之间为 拉伸应变区，岩石遭 受到拉伸变形。
X
Y Z
三个主应变面：XZ面；XY面；YZ面
2. 旋转应变与非旋转应变
根据应变主轴方向的物质线在变形前后平行与否，可把应变分为旋 转应变与非旋转应变。 非旋转变形又称无旋转变形， 1和3质点线方向在变形前后保持不变。 如果体积不变而且2=0，则称为纯剪应变。 旋转应变的1和3质 点线方向将会改变。 最典型的情况是单 剪应变，是由物质 中质点沿着彼此平 行的方向相对滑动 而成。
变形。
• 变形前的直线在变形后仍是直线； • 变形前的平行线在变形后仍然平行。 • 其中的单位圆变形后成为椭圆，称为应变椭 圆 • 其中任何一小单元的应变性质（大小和方向） 可以代表整个物体的变物体内各点的应变特征随其 位置而发生变化的变形。
e0 e 或e0 e
l0 l
泊松效应
杆件的简单拉伸变形
b0
b
线应变 构造现 象实例
L0 3. 剪应变 变形前相互垂直 的两条物质线，变形 后其夹角偏离直角的 改变量称为角剪应变 ，其正切称为剪应 变 =tg
L1
L
• 即：
=tan （ 3） 并约定：顺时针方向旋转的剪应变 为正值、逆时针方向旋转的剪应变为负 值。
L0
L1
平方长度比
指变形前后线段长度比的平方，一般 用表示： =(L1/ L0 )2 =(1+ e)2 （2）
实际上，杆件在纵向被拉长的同时， 还有横向变形，其横向线应变e0 为
b b0 b e0 b0 b0
泊松比：在弹性变形内，一种材料的横向线 应变与纵向线应变之比的绝对值为一常数， 该常数就是该材 料的泊松比（），P P 即
拉伸
挤压
中和面
剪切
弯曲
扭转
• 2. 位移 位移是指地质体（物体）及其内部各 质点初始位置的改变，是通过物体内各质 点的初始位置和终止位置的变化来表达的。 质点的初始位置和终止位置的连线叫 位移矢量。这条线只代表位移的最终结果， 而不代表位移的实际路径。
• 3. 位移方式
平移 四种: • 平移-变形前后质 P 点位置的平行移 动； • 旋转-变形前后物 ( 虚线为可能的路径） 质线方位的改变； • 形变-变形前后物 P 体形状的改变； P 体变-变形前后物 体体积的改变
伸展盆地的两种动 力学模型
a. b. 纯剪切模型 （Mckenzie模型）； 简单剪切模型 （Wernicke模型）
纯剪盆地从形态上看是对称的，下地壳和上地幔中没有剪切 滑脱面。而简单剪切伸展模式则以一条穿透上地幔或下地壳 的滑脱面为特征，盆地的构造形态不对称，软流物质的上涌 不像纯剪模式那样位于盆地的正下方，而是偏移到了盆地的 一侧。
图解中P点的K值代表任意一点的应变椭 球体状态，P点与坐标原点（1，1）之间 的距离d反映了应变椭球体的应变强度。 当e2 = 0， K = 1， V = 0时，称为平 面应变； 当e2 0时，为压扁应变区； 当e2 0时，为收缩应变区。
四、均匀变形和非均匀变形 • 物体内各点的应变状态相同的变形称均匀
3. 应变椭球的意义 1代表最大延 伸方向（物质 运动方向）， 平行于构造岩 中的拉伸线理 方向；擦痕方 向
（2） （1） （3）
X
Z Y
X
Z Y
• 与1垂直的面为一个张性面（YZ 面），是张节理发育的方向。
X
Z Y
• 与3 垂直的面（XY面)是一个挤压面， 包括褶皱面。
X
XY面
C A O B D d 56 20'
简单剪切 （单剪） a
40 O' b c A O'
c
33 40'
刚体旋转＝
＝22 40'
纯剪
b
单剪与纯剪应变
2
1
1
2
变形体力学中定义的纯剪切和简单剪切
纯剪切的力学条件是：1=-2，张应力与压应力大小相等，符号相反， 在与主应力呈45º 夹角的斜截面上，仅作用有纯粹的剪切应力，因而 称为纯剪切。 如果从与边界上剪切力方向相平行的截面上仅作用有剪应力的意义上来 说，纯剪切与简单剪切并无实质上的区别。
构造解析 第二讲 应力与应变分析
Structural Geology: Deformation of Rocks
刘正宏
• 内容提要：
• 一、变形、位移和应变的概念
• 二、应变与应变类型
• 三、应变椭球体 • 四、均匀变形和非均匀变形 • 五、岩石的变形阶段 • 六、影响岩石和矿物变形的因素
一、变形、位移和应变的概念 1. 变形 处于地壳和岩石圈中的任何地质体，受 到力作用而会发生变形。 变形是指地质体（物体）初始形状、方 位或位置发生了改变。