弹性力

更新时间:2024-06-27 21:09

弹性物体因外力产生形变后的恢复力,简称弹力。形变也存在于物体内部,因此物体内部的各部分间都有弹性力相作用。弹性力有各种名称:相互压缩时,称压力,垂直于物体表面的压力称法向压力;相互拉长时,称张力。物体给平面或斜面的法向压力的反作用力,称支持力或反力,实质上也是压力。

基本概念

弹性物体因外力产生形变后的恢复力 。 简称弹力。形变也存在于物体内部,因此物体内部的各部分间都有弹性力相作用。弹性力有各种名称:相互压缩时,称压力,垂直于物体表面的压力称法向压力;相互拉长时,称张力。物体给平面或斜面的法向压力的反作用力,称支持力或反力,实质上也是压力。一定范围内弹性力和变形程度成正比,这个范围称弹性限度。在限度内,撤去外力,物体能恢复原状;超过这限度,变形程度不再和外力成正比,撤去外力后物体也不能恢复原状。对弹簧来说,弹性力为F=-kx,x表示弹簧终端的位移,k为弹性力和位移值之比,称刚度系数,负号表示弹性力的方向与位移的方向相反。弹性力也是保守力,弹性力作功可用弹性势能表示 ,其值为,x为位移的值。

外力作用下弹性物体形变后所产生的一种恢复力。 弹性力的特点是它在变形体上所做的功并不转化为热, 但可转化为势能。弹性力是一种保守力。物体中任何两个质点相对位置的变化,称为物体变形。当物体的形变很小时,弹性力F和物体中质点M开平衡位置时的位移成正比,其方向指向力图使质点复到平衡位置的方向。包括风化作用、侵蚀作用搬运作用沉积作用固结成岩作用。指由太阳辐射、重力、日月引力、水流、风力等来自地球外部的营力(通过大气、水、生物等)所引起的作用。来自地球外部,主要是太阳辐射能,包括风化、堆积、侵蚀、搬运固结成岩作用等。

相关知识

弹性力学比较偏重数学,寻求一些特殊问题的解析解答,常采用偏微分方程中的求解方法,对高数要求较高。我们上的弹性力学主要讨论弹性力学数学方法,就是应用数学分析工具建立弹性力学的基本方程和基础理论,并且根据边界条件求解弹性体的应力场和位移场。弹性力学的基本方程,在数学上,是偏微分方程的边值问题,求解的方法有解析法和近似解法。解析法,即直接求解偏微分方程边值问题,这在数学上难度极大,因此仅适用于个别特殊边界条件问题。由于解析方法的应用困难,因此近似解法在弹性力学的发展中有着重要意义。

弹性力学,是固体力学的一个分支,研究弹性体由于受外力作用、边界约束或温度改变等原因而发生的应力、形变和位移。弹性力学的研究对象是完全弹性体,弹性体是变形体的一种,在外力作用下物体变形,当外力不超过某一限度时,出去外力后,除去外力后物体即恢复原状。根据问题的性质,忽略一些很小的次要因素,对物体的材料性质采用了一些基本假定,即弹性力学的基本假定,主要有连续性、完全弹性、均匀性、各向同性,符合以上假定的物体,就称为理想弹性体;此外,假定位移和形变是微小的。物体任意一点的位移,用它在x、y、z三轴上的投影表示。研究讨论的平面应力弹性体的形状为等厚度均匀薄板,厚度方向的尺寸小于其他两个方向的尺寸。在解决弹性力学平面问题时,需要建立基本方程:平衡方程—应力与外力之间的关系;几何方程—位移与应变之间的关系;物理方程—应变与应力之间的关系。以及边界条件的建立,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。位移分量已知的边界,建立位移边界;给定了面力分量,建立应力边界条件。圣维南原理,面力的改变,就只会使近处产生显著的应力改变,而远处的应力改变可以忽略不计。在解决平面问题时,按位移求解平面以及在问题或按应力求解平面问题。以及在直角坐标和及极坐标中建立基本方程和求解方法,弹性力学的学习中,对应变、应力等量的意义有了更深的了解,以及对量的表示方式有所了解。

弹性力的基本假设

(1)连续性,所有的物理量均可以用连续函数,从而可以应用数学分析的工具;

(2)完全弹性,物体中的应力与应变之间的物理关系可以用胡克定律来表示;

(3)均匀性,物体的弹性常数等不随位置坐标而变化;

(4)各向同性,弹性常数等也不随方向而变化;

(5)小变形假定,简化几何方程,简化平衡微分方程。

相关原理

圣维南原理

圣维南原理是基于静力等效原理,当将面力的等效变换范围应用到大边界上,则必然使整个物体的应力状态都改变,所以大边界不能应用静力等效,在大边界上不能应用圣维南原理。

叠加定理

在线弹性和小变形假定下,作用于弹性体上几组荷载产生的总效应(应力和变形),等于每组荷载产生的效应之和,且与加载顺序无关。

虚位移原理

假定处于平衡状态的弹性体在虚位移过程中,没有温度的改变,也没有速度的改变,既没有热能和动能的改变,则按照能量守恒定理,形变势能的增加,等于外力势能的减少,也就等于外力所做的功,即所谓虚功

弹性力的研究方法

在弹性体区域内部,考虑静力学、几何学和物理学三方面条件,分别建立三套方程。即根据微分体的平衡条件,建立平衡微分方程;根据微分线段上形变与位移之间的几何关系,建立几何方程;根据应力与形变之间的物理关系,建立物理方程。此外,在弹性体的边界上还要建立边界条件。在给定面力的边界上,根据边界上微分体的平衡条件,建立应力边界条件;在给定约束的边界上,根据边界上的约束条件建立位移边界条件。求解弹性力学问题,即在边界条件下根据平衡微分方程、几何方程、物理方程求解应力分量、形变分量和位移分量。

弹性力学中正应力用σ表示,并加上一个下标字母,表明这个正应力的作用面与作用方向;切应力用τ表示,并加上两个下标字母,前一个字母表明作用面垂直于哪一个坐标轴,后一个字母表明作用方向沿着哪一个坐标轴。并规定作用在正面上的应力以沿坐标轴正方向为正,沿坐标轴负方向为负。相反,作用在负面上的应力以沿坐标轴负方向为正,沿坐标轴正方向为负。

平面应力问题是指很薄的等厚度薄板,只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力,同时,体力也平行于板面并且不沿厚度变化。对应的应力分量只有σx ,σy ,τxy 。而平面应变问题是指很长的柱形体,在柱面上受有平行于横截面并且不沿长度变化的面力,同时体力也平行于横截面并且不沿长度变化,对应的位移分量只有u 和v。

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