弹塑性力学与有限元

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1、第一章 绪论第一章 绪论研究对象和任务研究对象和任务基本假设基本假设发展与工程应用发展与工程应用目录目录1.1弹性力学的任务弹性力学的任务1.2弹性力学的基本假设弹性力学的基本假设1.3弹性力学的发展和研究方法弹性力学的发展和研究方法1.1弹性力学的任务弹性力学的任务弹性力学弹性力学也称也称弹性理论弹性理论固体力学学科的一个分支固体力学学科的一个分支基本任务基本任务研究由于载荷或者温度改变，弹性体内 部所产生的位移、变形和应力分布等。研究由于载荷或者温度改变，弹性体内 部所产生的位移、变形和应力分布等。为解决工程结构的强度，刚度和稳定性问题 作准备。为解决工程结构的强度，刚度和稳定性问题 作准

2、备。构件承载能力构件承载能力分析是分析是固体力学的基本任务固体力学的基本任务不同的学科分支，研究对象和方法是不同的不同的学科分支，研究对象和方法是不同的研究对象研究对象弹性体研究内容和基本任务与材料力学弹性体研究内容和基本任务与材料力学基本相同基本相同研究对象研究对象近似近似研究方法研究方法却有比较大的差别却有比较大的差别1.1 弹性力学任务弹性力学任务2材料力学的研究对象是杆件，平面假设确定 横截面变形。材料力学的研究对象是杆件，平面假设确定 横截面变形。一维数学问题一维数学问题，求解的基本方程是常微 分方程。，求解的基本方程是常微 分方程。弹性力学的弹性力学的研究对象研究对象是是完全弹性体

3、完全弹性体。只能从只能从微分单元体微分单元体入手，入手，三维数学问题三维数学问题，综合分析的结果是，综合分析的结果是偏微分 方程边值问题偏微分 方程边值问题。1.1 弹性力学任务弹性力学任务3建筑工程1.1 弹性力学任务弹性力学任务4建筑工程1.1 弹性力学任务弹性力学任务5航空航天工程1.1 弹性力学任务弹性力学任务6船舶机械工程1.1 弹性力学任务弹性力学任务71.1 弹性力学任务弹性力学任务8弹性弹性是变形固体的基本属性。是变形固体的基本属性。“完全弹性完全弹性”是对弹性体变形的抽象。是对弹性体变形的抽象。完全弹性使得物体变形成为一种理想模型。完全弹性使得物体变形成为一种理想模型。完全弹

4、性是指在一定温度条件下，材料的应力 和应变之间一一对应的关系。完全弹性是指在一定温度条件下，材料的应力 和应变之间一一对应的关系。这种关系与时间无关，也与变形历史无关。这种关系与时间无关，也与变形历史无关。材料的应力和应变关系通常称为材料的应力和应变关系通常称为本构关系本构关系；物理关系物理关系或者或者物理方程物理方程线性弹性体线性弹性体和和非线性弹性体非线性弹性体1.1 弹性力学任务弹性力学任务9常微分方程，数学求解没有困难。常微分方程，数学求解没有困难。偏微分方程边值问题，在数学上求解困难重 重，除了少数特殊问题，一般弹性体问题很难 得到解析解。偏微分方程边值问题，在数学上求解困难重 重，

5、除了少数特殊问题，一般弹性体问题很难 得到解析解。这里并不是说弹性力学分析不再需要假设，事 实上对于任何学科，如果不对研究对象作必要 的抽象和简化，研究工作都是寸步难行的。这里并不是说弹性力学分析不再需要假设，事 实上对于任何学科，如果不对研究对象作必要 的抽象和简化，研究工作都是寸步难行的。研究方法的差别造成弹性力学与材料力 学问题的最大不同。1.1 弹性力学任务弹性力学任务11工程问题的复杂性是诸多方面因素组成的。 如果不分主次考虑所有因素，则问题的复杂， 数学推导的困难，将使得问题无法求解。工程问题的复杂性是诸多方面因素组成的。 如果不分主次考虑所有因素，则问题的复杂， 数学推导的困难，

6、将使得问题无法求解。根据问题性质，忽略部分暂时不必考虑的因 素，提出一些基本假设。使问题的研究限定在 一个可行的范围。根据问题性质，忽略部分暂时不必考虑的因 素，提出一些基本假设。使问题的研究限定在 一个可行的范围。基本假设是学科的研究基础。基本假设是学科的研究基础。超出基本假设的研究领域是固体力学其它学 科的研究。超出基本假设的研究领域是固体力学其它学 科的研究。1.2弹性力学基本假设弹性力学基本假设工程材料通常可以分为工程材料通常可以分为晶体晶体和和非晶体非晶体两种。两种。金属材料晶体材料，是由许多原子，离子 按一定规则排列起来的空间格子构成，其中间 经常会有缺陷存在。金属材料晶体材料，是

7、由许多原子，离子 按一定规则排列起来的空间格子构成，其中间 经常会有缺陷存在。高分子材料非晶体材料，由许多分子的集 合组成的分子化合物。高分子材料非晶体材料，由许多分子的集 合组成的分子化合物。工程材料内部的缺陷、夹杂和孔洞等构成了固 体材料微观结构的复杂性。工程材料内部的缺陷、夹杂和孔洞等构成了固 体材料微观结构的复杂性。1.2 基本假设基本假设21. 连续性假设1. 连续性假设假设所研究的整个弹性体内部完全由组成 物体的介质所充满，各个质点之间不存在任何 空隙。假设所研究的整个弹性体内部完全由组成 物体的介质所充满，各个质点之间不存在任何 空隙。变形后仍然保持连续性。变形后仍然保持连续性。

8、根据这一假设，物体所有物理量，例如位移、 应变和应力等均为物体空间的连续函数。根据这一假设，物体所有物理量，例如位移、 应变和应力等均为物体空间的连续函数。微观上这个假设不可能成立宏观假设。微观上这个假设不可能成立宏观假设。1.2 基本假设基本假设32. 均匀性假设2. 均匀性假设假设弹性物体是由同一类型的均匀材料 组成的。因此物体各个部分的物理性质都是 相同的，不随坐标位置的变化而改变。假设弹性物体是由同一类型的均匀材料 组成的。因此物体各个部分的物理性质都是 相同的，不随坐标位置的变化而改变。物体的弹性性质处处都是相同的。物体的弹性性质处处都是相同的。工程材料，例如混凝土颗粒远远小于物体的

9、 的几何形状，并且在物体内部均匀分布，从 宏观意义上讲，也可以视为均匀材料。工程材料，例如混凝土颗粒远远小于物体的 的几何形状，并且在物体内部均匀分布，从 宏观意义上讲，也可以视为均匀材料。对于环氧树脂基碳纤维复合材料，不能处理 为均匀材料。对于环氧树脂基碳纤维复合材料，不能处理 为均匀材料。1.2 基本假设基本假设43. 各向同性假设3. 各向同性假设假定物体在各个不同的方向上具有相同 的物理性质，这就是说物体的弹性常数将不 随坐标方向的改变而变化。假定物体在各个不同的方向上具有相同 的物理性质，这就是说物体的弹性常数将不 随坐标方向的改变而变化。宏观假设，材料性能是显示各向同性。宏观假设，

10、材料性能是显示各向同性。当然，像木材，竹子以及纤维增强材料等， 属于各向异性材料。当然，像木材，竹子以及纤维增强材料等， 属于各向异性材料。这些材料的研究属于复合材料力学研究 的对象。这些材料的研究属于复合材料力学研究 的对象。1.2 基本假设基本假设54. 完全弹性假设4. 完全弹性假设对应一定的温度，如果对应一定的温度，如果应力和应变之 间存在一一对应关系应力和应变之 间存在一一对应关系，而且这个关系和时 间无关，也和变形历史无关，称为完全弹 性材料。，而且这个关系和时 间无关，也和变形历史无关，称为完全弹 性材料。完全弹性分为线性和非线性弹性，弹性力 学研究限于线性的应力与应变关系。完全

11、弹性分为线性和非线性弹性，弹性力 学研究限于线性的应力与应变关系。研究对象的材料弹性常数不随应力或应变 的变化而改变。研究对象的材料弹性常数不随应力或应变 的变化而改变。1.2 基本假设基本假设65. 小变形假设5. 小变形假设假设在外力或者其他外界因素（如温度 等）的影响下，物体的变形与物体自身几何 尺寸相比属于高阶小量。假设在外力或者其他外界因素（如温度 等）的影响下，物体的变形与物体自身几何 尺寸相比属于高阶小量。在弹性体的平衡等问题讨论时，可以不 考虑因变形所引起的尺寸变化。在弹性体的平衡等问题讨论时，可以不 考虑因变形所引起的尺寸变化。忽略位移、应变和应力等分量的高阶小 量，使基本方

12、程成为线性的偏微分方程组。忽略位移、应变和应力等分量的高阶小 量，使基本方程成为线性的偏微分方程组。1.2 基本假设基本假设7假设物体处于自然状态，即在外界因素 作用之前，物体内部没有应力。假设物体处于自然状态，即在外界因素 作用之前，物体内部没有应力。弹性力学求解的应力仅仅是外力或温度改变 而产生的。弹性力学求解的应力仅仅是外力或温度改变 而产生的。6. 无初始应力假设6. 无初始应力假设1.2 基本假设基本假设8弹性力学的基本假设，主要包括弹性体 的连续性、均匀性、各向同性、完全弹 性和小变形假设等。这些假设都是关于材料变形的宏观假 设。弹性力学问题的讨论中，如果没有特别 的提示，均采用基

13、本假设。这些基本假设被广泛的实验和工程实践 证实是可行的。1.2 基本假设基本假设91.3弹性力学的发展 和研究方法弹性力学的发展 和研究方法弹性力学是一门有悠久历史的学科，早期 研究可以追溯到1678年，胡克 （R.Hooke）发现胡克定律。弹性力学是一门有悠久历史的学科，早期 研究可以追溯到1678年，胡克 （R.Hooke）发现胡克定律。这一时期的研究工作主要是通过实验方法 探索物体的受力与变形之间的关系。这一时期的研究工作主要是通过实验方法 探索物体的受力与变形之间的关系。近代弹性力学的研究是 从19世纪开始的。近代弹性力学的研究是 从19世纪开始的。柯西1828年提出应力、 应变概念

14、，建立了平衡微 分方程，几何方程和广义 胡克定律。柯西1828年提出应力、 应变概念，建立了平衡微 分方程，几何方程和广义 胡克定律。柯西的工作是近代弹性 力学的一个起点，使得弹 性力学成为一门独立的固 体力学分支学科。柯西的工作是近代弹性 力学的一个起点，使得弹 性力学成为一门独立的固 体力学分支学科。1.3 发展与研究方法发展与研究方法2柯西（A.L.Cauchy）柯西（A.L.Cauchy）而后，世界各国的一批 学者相继进入弹性力学 研究领域，使弹性力学 进入发展阶段。而后，世界各国的一批 学者相继进入弹性力学 研究领域，使弹性力学 进入发展阶段。1856年，圣维南 （A.J.Saint

15、-Venant） 建立了柱体扭转和弯曲 的基本理论；1856年，圣维南 （A.J.Saint-Venant） 建立了柱体扭转和弯曲 的基本理论；1.3 发展与研究方法发展与研究方法3圣维南 （A.J.Saint-Venant）圣维南 （A.J.Saint-Venant）1862年，艾瑞 （G.B.Airy）发表了关于弹 性力学的平面理论；1862年，艾瑞 （G.B.Airy）发表了关于弹 性力学的平面理论；1881年，赫兹建立了接触 应力理论；1881年，赫兹建立了接触 应力理论；1.3 发展与研究方法发展与研究方法4赫兹（H.Hertz）赫兹（H.Hertz）1898年，基尔霍夫建立 了平板理论;1898年，基尔霍夫建立 了平板理论;1824年生於德国，1887年 逝世。曾在海登堡大学和 柏林大学任物理学教授， 他发现了电学中的“基尔霍 夫定理”，同时也对弹性力 学，特别是薄板理论的研 究作出重要贡献。1.3 发展与研究方法发展与研究方法5基尔霍夫 (G.R.Kirchoff)基尔霍夫 (G.R.Kirchoff)1930年，发展了应用复变 函数理论求解弹性力学问题的方法等。1930年，发展了应用复变 函数理论求解弹性力学问题的方法等。另一个重要理论成果是建立种能量原理；另一个重要理论成果是建立种能量原理；提出一系列基于能量原理的近似计算方法。提出一系列基于能量原