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如果所分析的弹性体具有某种特殊的形状、并且所承受的外力是某种特殊形式的外力,那么就可以把空间问题简化为相对简单的典型弹性力学问题进行求解。这样的处理可以简化分析计算的工作量,且所获得的结果仍然能够满足工程上的精度要求。 平面问题是工程实际中最常遇到的问题,许多工程实际问题都可以简化为平面问题来进行求解。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。 平面应力问题的特征: (1)所研究的对象在z方向上的尺寸很小(即呈平板状); (2)外载荷(包括体积力)都与z轴垂直、且沿z方向没有变化; (3)在 z =±t/2 处的两个外表面(平面)上不受任何载荷, 如图2-1所示。 在 z =±t/2 处的两个外表面上的任何一点,都有?z=?zx =?zy =0。另外,由于z方向上的尺寸很小,所以可以假定,在物体内任意一点的?z、?zx、?yz 都等于零,而其余的三个应力分量?x、?y、?xy 则都是x, y的函数。此时物体内各点的应力状态就叫做平面应力状态。 ?z =0? 在平面应力状态下,由于?z =?zx =?zy =0,所以可以很容易得到平面应力问题的平衡微分方程 平面应力问题的几何方程 平面应力问题的物理方程 式中,D为平面应力问题的弹性矩阵,具体为 式中,E为弹性模量, 为泊松比。 另外,物理方程还可以写成如下形式 平面应力状态下的三个应力不变量分别为 因此,求解平面应力状态下主应力的方程为 解出的平面应力状态下的主应力具体为式 (1)如图2-2所示,当物体z方向上的尺寸很长; (2)物体所受的载荷(包括体积力)平行于其横截面(垂直于z轴)且不沿长度方向(z方向)变化,即物体的内在因素和外来作用都不沿长度方向变化,那么这类问题称为平面应变问题。 对于平面应变问题,一般可假想其长度为无限长,以任一横截面为xy面、任一纵线为z轴,则所有应力分量、应变分量和位移分量和位移分量都不沿z方向变化,而只是x, y的函数。在这种情况下,由于任一横截面都可以看作是对称面,所以物体内各点都只能在xy平面上移动,而不会发生z方向上的移动。根据对称条件可知,?zx =?zy =0,并且由剪应力互等关系可以断定,?xz =?yz =0。但是,由于z方向上的变形被阻止了,所以一般情况下?z 并不等于零。 在平面应变状态下,由于?x 、?y 、?z 及?xy 都只是x, y的函数,而?xz=?yz=0,且因外力都垂直于z轴,故无z方向的分量。由应力平衡微分方程式可以看出,其中的第三个方程能够自动满足,剩余的两个式子与式(2.2)相同。 对于平面应变问题,可以用如下类似的矩阵表达式 在空间问题中,如果弹性体的几何形状、约束状态以及外载荷都对称于某一根轴,也就是过该轴的任一平面都是对称面,那么该弹性体的所有应力、应变和位移也都对称于这根轴。这类问题称为空间轴对称问题 。 对于轴对称问题,采用圆柱坐标r、?、z比采用直角坐标x、y、z方便得多。这是因为,当以弹性体的对称轴为z轴时(如图2-3所示),则所有的应力分量、应变分量和位移分量都将只是r和 z的函数,而与?无关(即不随?变化)。 图2-3 轴对称问题示意 如图2-3(c)所示的微元体的内侧面的正应力是?r ,外侧面上的正应力近似为 。由于对称,?? 在方向(环向)没有增量。下侧面的正应力是?z ,上侧面的正应力近似为 。内侧面和外侧面上的剪应力分别为?rz 及 ,下面及上面的剪应力则分别为?zr 及 。径向体力用K表示,而轴向体力(z方向的体力)用Z表示。将该微元体所受的各力都投影到六面体中心的径向轴上,并取 及 ,可得到如下力平衡关系式 化简,同时除以rd?drdz,并略去微量,得轴对称问题的一个方向上的应力平衡微分方程式如下 如果用?r 表示沿r方向的正应变,即径向正应变;用?? 表示沿?方向的正应变,即环向正应变;而沿z方向的轴向正应变仍用?z 来表示。另外,r方向与z方向之间的剪应变用?zr 表示,由于轴对称特性,剪应变?r? 及??z 均为零。沿r方向的位移分量,称为径向位移,用ur 表示。沿z方向的轴向位移分量,仍用w表示,并且由于轴对称特性,环向位移
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