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周益春-材料固体力学课后习题解答.doc
第一章
习题1 证明恒等式
[证明]
习题2 证明若,则
[证明]
,
又因为所有的指标都是哑指标,,所以,即
习题3 已知某一点的应力分量,,,不为零,而,试求过该点和z轴,与x轴夹角为的面上的正应力和剪应力。
[解] 如图1.1,过该点和z轴,与x轴夹角为的面的法线,其与x轴,y轴和z轴的方向余弦分别为cosα,sinα,0,则由斜面应力公式的分量表达式,,可求得该面上的应力为
由斜面正应力表达式,可求得正应力为
??
剪应力为
习题4 如已知物体的表面由确定,沿物体表面作用着与其外法线方向一致分布载荷。试写出其边界条件。
[解] 物体表面外表面法线的方向余弦为
带入应力边界条件,,得
习题5 已知某点以直角坐标表示的应力分量为,,,,,,试求该点以柱坐标表示的应力分量。
[解] 如图1.2,两个坐标轴之间的方向余弦如下表所示:
x y z r cosθ sinθ 0 θ -sinθ cosθ 0 z 0 0 1 注意 由应力分量转换公式,求得
利用三角公式可将上面的式子改写为
习题6 一点的应力状态由应力张量给定,式中,,,为常数,是某应力值,求常数,,,以使八面体面上的应力张量为零
[解] 由斜面应力公式的分量表达式,,知八面体面上应力张量为零需满足如下方程组:
解得
习题7 证明(1)应力的三个主方向互相垂直;(2)三个主应力,,必为实根
[证明]
(1)设任意两个不同的主应力为、,对应的主方向为、。根据主应力定义有:
,
将以上两式分别点乘和再相减,得
是对称应力张量,上式可改写为
所以应力的三个主方向互相垂直
(2)设任意两个不同的主应力为、,对应的主方向为、
若为复数,则为其共轭复数,从而方向余弦、互为共轭
与主方向相互垂直矛盾
所以三个主应力必为实数
习题8 证明球形应力张量在任意斜面上的剪应力为零,且正应力为
[证明] 球形应力张量,设任意斜面的方向余弦为
由斜面应力公式 ,得
由斜面正应力公式 ,得
由斜面剪应力公式,得
习题9 求应力偏量张量的不变量
[解] 应力张量可分解为球形应力张量和应力偏量张量,
应力偏量张量,其主应力方程为,即
上述方程存在非零解的必要条件是系数行列式为零,即
得到关于的三次代数方程,
其中,和分别为应力偏量张量的第一、第二、第三不变量
设,和为应力偏量张量的三个主值,则
习题11 设为二阶对称张量,证明由导出的应力一定满足无体力的平衡方程
[证明] ?? 又,反对称,关于,对称
,即满足无体力的平衡方程,-忽略体力下的平衡微分方程
习题12 已知直角坐标系中各点的应力张量,试求体积力分量
[解] 根据平衡微分方程,得 对谁偏导的问题
得体积力分量为
习题13 如图1.3所示的三角形截面水坝,材料的比重为,承受着比重为液体的压力,已求得应力解为,试根据直边及斜边上的表面条件确定系数,,和
[解] 如图所示,建立平面直角坐标系
水坝左侧表面法线的方向余弦为,受外力的作用
根据应力边界条件,,在处
水坝右侧表面法线的方向余弦为,受外力的作用
根据应力边界条件,,在处
由上述两个方程组,得 外力是如何确定的
习题14 如图1.4所示的三角形截面水坝,其左侧作用着比重为的液体,右侧为自由表面,试写出以应力分量表示的边界条件。
[解] 如图所示,建立平面直角坐标系
水坝左侧表面法线的方向余弦为,受外力的作用
根据应力边界条件,,在处
水坝右侧表面法线的方向余弦为,受外力的作用
根据应力边界条件,,在处
第二章
习题1 初始时刻位于的质点在某时刻的位置为,其中,求格林应变张量的分量。
[解] 采用拉格朗日描述法,,得
由格林应变张量,,,得
习题2 证明是二阶对称张量的分量,而不是任何张量的分量。
[证明]
(1) ,显然可得其对称性
对于笛卡尔直角坐标系和,各坐标轴之间的方向余弦如下表
由弹性力学理论知,,恰与张量定义相吻合,
是二阶对称张量的分量
(2)设有一剪应变张量,其分量
取任一矢量,则
,但不能缩并为,与假设是张量矛盾。
根据张量的商判则,不是任何张量的分量。
习题3 为求平面应变分量、、,将电阻应变片分别贴在方向,与成和方向上,测得应变值以、、表示,试求、、
[解] 平面应变状态下,沿方向,与成和方向上的方向余弦分别为
根据方向线元的工程正应变公式,,得
求得
习题4 假设体积不可压缩位移与很小,,在一定区域内已知,其中,,为常数,求。
[解] 题目条件适用小变形,,得
体积不可压缩,
即
习题5 在平面应变状态下,使用直角坐标和极坐标中应变分量、位移分量的转换公式,写出在极坐标中的应变和位移的关系式。
[解] 在平面应变状态下,由应变分量转换公式,,得
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