第三章各向异性弹性力学基础
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Cij C ji 刚度矩阵 Sij S ji 柔度矩阵
*
各向异性体的弹性应变能为：
1 1 W C ij i j S ij i j 2 2
拉-拉耦合 （泊桑效 应）
拉剪耦 合
C11
C22
C33 C44 C55
即：
S11 S 21 S 21 0 0 0
S12 S 22 S 23 0 0 0
S12 S 23 S 22 0 0 0
0 0 0 S 44 0 0
0 0 0 0 S 66 0
0 0 0 0 0 S 66
由工程应变形式的展开式为：
1、对于各向同性，可推得： 1 1 E0 2 1 实际上一般为： 0 2 2、对于正交各向异性，有：
E1 , E2 , E3 , G23 , G31 , G12 0
1 E1
12
对称
E2 0 1 E2
，…… 等等
作业：
1.推导正交各向异性材料柔度矩阵为 零的分量； 2.推导正交各向异性材料中各个常数 的取值范围。
Sij 可展开为：
四、横观同性（5个弹性常数）
纤维在横截面内随机排列的，宏观而言， 其在横向的所有方向的弹性性能相同，则称为 横向同性。由于横向同性，则在2-3平面内应为 各向同性，则有 E2 G23 2(1 23 )
故只有5个独立常数：
E1 , E2 , 21（或 12）， 23） G12 , G （或 23
判定依据是非零应力状态下，材料的弹性 应变能位正值，应变能应是应变（或应力）的 正定二次型。 1 W S ij i j 2
W 为 i 的正定二次型的充要条件是矩阵 S
的所有主要主子式大于零，即： S11 S12 S11 0, 0, , det Sij 0 S 21 S 22
纤 维 在 横截 面 内 按矩形排列的单向纤 维复合材料，宏观而 言则是一正交异性体。 共有9个弹性常数：
E1 , E2 , E3 , 12 , 31 , 23 , G23 , G31 , G12
1轴沿纤维方向，并有
ij ji
，而是
ij
Ej
ji
Ei
即 ij 没有对称性。
S16 S 26 S 36 S 45 0
即： S11 S12 S13
S 22 S 23 S 33 对 称 0 0 0 S 44 0 0 0 0 S 55 0 0 0 0 0 S 66
由此可得：1）当采用材料主轴来描述正交异性 体时，没有任何拉剪耦合现象；2）在非材料主 轴系里，正交异性材料仍有耦合现象。
二、有一弹性对称面（13个弹性常数）
弹性对称面：沿这些平面的对称方向弹性性 能是相同的。 材料主轴（或弹性主轴）：垂直于弹性对称 面的轴。
利用两个方向下材料的应变能密度表达式 应保持不变（即利用两个坐标系计算得到的单 位体积应变能的结果是相同的）可以推得： 设仅有 1 , 4 ，即有
W S11 2S14 1 4
基本方程： 1、平衡方程
ij, j f i 0
分量形式为：Байду номын сангаас
(i, j 1,2,3)
x xy xz X 0 x y z yx x y y yz z Y 0
zx zy z Z 0 x y z
2
xy
yz
前三个分别是xy，yz，zx平面内的3个应变量间 的协调关系；而后三者则分别是正应变和3个切 应变之间的协调关系。
3、边界条件 * 力边界条件： ij ni Ti (在S )
位移边界条件： ui ui (在Su ) 4、各向异性本构方程（小变形） (i, j 1,2,,6) i Cij j 及 i Sij j
如果 3 0 ，其余应力分量为零，则有：
1 S13 3 ; 2 S 23 3 ; S ; 33 3 3
4 23 0 5 31 0 6 12 S36 3
此公式说明：当沿弹性主轴拉伸时，除纵向 伸长、横向收缩外，还会引起与主轴垂直的 面内剪应变，且弹性主轴方向不变。
三、正交各向异性（9个弹性常数）
正交各向异性是指有三个互相正交的弹性主轴 的情况。（有三个互相正交的弹性对称面）
取 x1 , x2 , x3 为三个正交弹性主轴，如图所示：
由 a）、 b）两坐标系中计算的应变能应该 相同，而在两坐标系下：
31 , 12 , 31 , 12（即 5 , 6 , 5 , 6 ）变号，可得：
2
x zx ( )2 x y z x yz 2 y zx xy yz ( )2 y z x y zx yz zx xy 2 z ( )2 z x y z xy
共有81个方程，但只有6个是不同的，其余的 不是恒等式就是由于 ij 的对称性而都是重复 的。 6个独立等式： 2 2 2 xy x y
y
2
z 2 2 z y yz
2
y 2 yz
2
x
2
xy
2 2
z x zx 2 2 x z zx
五、各向同性（2个弹性常数） E G E, 2(1 )
S11 S 12 S12 0 0 0 S12 S11 S12 0 0 0 S12 S12 S11 0 0 0 0 0 0 2( S11 S12 ) 0 0 0 2( S11 S12 ) 0 0 0 2( S11 S12 ) 0 0 0 0 0 0
2 1
2 4
而 1 4 在x3变向时要变号，为保证W相同， 则有
S14 0
同理： S14 S 24 S 34 S 46 0 S15 S 25 S 35 S 56 0 独立常数减少为13个，即
S11 S12 S 22 S13 S 23 S 33 对 称 0 0 0 S 44 0 0 0 S 45 S 55 S16 S 26 S 36 0 0 S 66
C66
剪 - 剪耦 合
§3-2 各向异性弹性力学的本构方程
一、完全各向异性（21个弹性常数）
1 S11 1 S12 2 S13 3 S14 4 S15 5 S16 6
其中Sij为柔度系数，4、5和6即为剪应 力23、31和12。可见各向异性体一般具有耦 合现象：正应力引起剪应变，剪应力也可以 引起正应变；反之亦然。
2、几何关系（小变形）
1 ij (u i , j u j ,i ) 2
分量形式为：
u x x
yz
zx
w v y z
u w z x
v y y
w z z
xy
v u x y
变形协调方程：六个应变分量应该满足的一 个关系，即 ij,kl kl,ij lj,ki ki,lj 0 (i, j, k , l 1,2,3)
E1 E 2 E 3 , 12 G G G 23 12 1 1 [ 1 ( 2 3 )] E 2 2 3 1 3 1 2 3 1 23 23 31 G 31 12 12
六、弹性常数的取值范围
*
各向异性体的弹性应变能为：
1 1 W C ij i j S ij i j 2 2
拉-拉耦合 （泊桑效 应）
拉剪耦 合
C11
C22
C33 C44 C55
即：
S11 S 21 S 21 0 0 0
S12 S 22 S 23 0 0 0
S12 S 23 S 22 0 0 0
0 0 0 S 44 0 0
0 0 0 0 S 66 0
0 0 0 0 0 S 66
由工程应变形式的展开式为：
1、对于各向同性，可推得： 1 1 E0 2 1 实际上一般为： 0 2 2、对于正交各向异性，有：
E1 , E2 , E3 , G23 , G31 , G12 0
1 E1
12
对称
E2 0 1 E2
，…… 等等
作业：
1.推导正交各向异性材料柔度矩阵为 零的分量； 2.推导正交各向异性材料中各个常数 的取值范围。
Sij 可展开为：
四、横观同性（5个弹性常数）
纤维在横截面内随机排列的，宏观而言， 其在横向的所有方向的弹性性能相同，则称为 横向同性。由于横向同性，则在2-3平面内应为 各向同性，则有 E2 G23 2(1 23 )
故只有5个独立常数：
E1 , E2 , 21（或 12）， 23） G12 , G （或 23
判定依据是非零应力状态下，材料的弹性 应变能位正值，应变能应是应变（或应力）的 正定二次型。 1 W S ij i j 2
W 为 i 的正定二次型的充要条件是矩阵 S
的所有主要主子式大于零，即： S11 S12 S11 0, 0, , det Sij 0 S 21 S 22
纤 维 在 横截 面 内 按矩形排列的单向纤 维复合材料，宏观而 言则是一正交异性体。 共有9个弹性常数：
E1 , E2 , E3 , 12 , 31 , 23 , G23 , G31 , G12
1轴沿纤维方向，并有
ij ji
，而是
ij
Ej
ji
Ei
即 ij 没有对称性。
S16 S 26 S 36 S 45 0
即： S11 S12 S13
S 22 S 23 S 33 对 称 0 0 0 S 44 0 0 0 0 S 55 0 0 0 0 0 S 66
由此可得：1）当采用材料主轴来描述正交异性 体时，没有任何拉剪耦合现象；2）在非材料主 轴系里，正交异性材料仍有耦合现象。
二、有一弹性对称面（13个弹性常数）
弹性对称面：沿这些平面的对称方向弹性性 能是相同的。 材料主轴（或弹性主轴）：垂直于弹性对称 面的轴。
利用两个方向下材料的应变能密度表达式 应保持不变（即利用两个坐标系计算得到的单 位体积应变能的结果是相同的）可以推得： 设仅有 1 , 4 ，即有
W S11 2S14 1 4
基本方程： 1、平衡方程
ij, j f i 0
分量形式为：Байду номын сангаас
(i, j 1,2,3)
x xy xz X 0 x y z yx x y y yz z Y 0
zx zy z Z 0 x y z
2
xy
yz
前三个分别是xy，yz，zx平面内的3个应变量间 的协调关系；而后三者则分别是正应变和3个切 应变之间的协调关系。
3、边界条件 * 力边界条件： ij ni Ti (在S )
位移边界条件： ui ui (在Su ) 4、各向异性本构方程（小变形） (i, j 1,2,,6) i Cij j 及 i Sij j
如果 3 0 ，其余应力分量为零，则有：
1 S13 3 ; 2 S 23 3 ; S ; 33 3 3
4 23 0 5 31 0 6 12 S36 3
此公式说明：当沿弹性主轴拉伸时，除纵向 伸长、横向收缩外，还会引起与主轴垂直的 面内剪应变，且弹性主轴方向不变。
三、正交各向异性（9个弹性常数）
正交各向异性是指有三个互相正交的弹性主轴 的情况。（有三个互相正交的弹性对称面）
取 x1 , x2 , x3 为三个正交弹性主轴，如图所示：
由 a）、 b）两坐标系中计算的应变能应该 相同，而在两坐标系下：
31 , 12 , 31 , 12（即 5 , 6 , 5 , 6 ）变号，可得：
2
x zx ( )2 x y z x yz 2 y zx xy yz ( )2 y z x y zx yz zx xy 2 z ( )2 z x y z xy
共有81个方程，但只有6个是不同的，其余的 不是恒等式就是由于 ij 的对称性而都是重复 的。 6个独立等式： 2 2 2 xy x y
y
2
z 2 2 z y yz
2
y 2 yz
2
x
2
xy
2 2
z x zx 2 2 x z zx
五、各向同性（2个弹性常数） E G E, 2(1 )
S11 S 12 S12 0 0 0 S12 S11 S12 0 0 0 S12 S12 S11 0 0 0 0 0 0 2( S11 S12 ) 0 0 0 2( S11 S12 ) 0 0 0 2( S11 S12 ) 0 0 0 0 0 0
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而 1 4 在x3变向时要变号，为保证W相同， 则有
S14 0
同理： S14 S 24 S 34 S 46 0 S15 S 25 S 35 S 56 0 独立常数减少为13个，即
S11 S12 S 22 S13 S 23 S 33 对 称 0 0 0 S 44 0 0 0 S 45 S 55 S16 S 26 S 36 0 0 S 66
C66
剪 - 剪耦 合
§3-2 各向异性弹性力学的本构方程
一、完全各向异性（21个弹性常数）
1 S11 1 S12 2 S13 3 S14 4 S15 5 S16 6
其中Sij为柔度系数，4、5和6即为剪应 力23、31和12。可见各向异性体一般具有耦 合现象：正应力引起剪应变，剪应力也可以 引起正应变；反之亦然。
2、几何关系（小变形）
1 ij (u i , j u j ,i ) 2
分量形式为：
u x x
yz
zx
w v y z
u w z x
v y y
w z z
xy
v u x y
变形协调方程：六个应变分量应该满足的一 个关系，即 ij,kl kl,ij lj,ki ki,lj 0 (i, j, k , l 1,2,3)
E1 E 2 E 3 , 12 G G G 23 12 1 1 [ 1 ( 2 3 )] E 2 2 3 1 3 1 2 3 1 23 23 31 G 31 12 12
六、弹性常数的取值范围