第二章:应变分析
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2026-01-28
1 位移描述
物体内部任意点 P 在变形前的坐标为 a=aiei,变形后坐标为 x=xiei。定义位移矢量为 u=x−a,即 ui=xi−ai,则位移场 ui=ui(a1,a2,a3) 描述了物体内部每一点的位移情况。
2 几何方程
Note
本节讨论均基于小变形假设。
正应变 εi 表示物体沿坐标轴方向的长度的单位改变量;剪应变 γij=2εij 表示物体两个正交线元形变之后偏移的角度。它们与位移场满足以下关系,称其为几何方程。
εx=∂x∂u,εy=∂y∂v,εz=∂z∂wγxy=∂y∂u+∂x∂v,γyz=∂z∂v+∂y∂w,γzx=∂x∂w+∂z∂u
也即
εij=21(∂xj∂ui+∂xi∂uj)
Note
位移梯度可以分解为对称部分和反对称部分:
∂xj∂ui=εij−ωij
- 应变张量:εij=21(∂xj∂ui+∂xi∂uj)
- 转动张量:ωij=21(∂xi∂uj−∂xj∂ui)
3 应变协调方程
物理意义:协调方程保证物体变形后保持连续,既不开裂,又不重叠。
数学意义:协调方程是位移场单值连续的必要条件。
Note
对于单连通区域,应变协调方程是保证存在单值连续位移场的充要条件;但对于多连通区域,仅是必要条件。
εij,kl+εkl,ij−εik,jl−εjl,ik=0
上式含有四个自由指标,共表示 81 个方程,其中除去恒等式和等价方程,可简化为 6 个方程:
εx,yy+εy,xx=γxy,xyεy,zz+εz,yy=γyz,yzεz,xx+εx,zz=γzx,zx(−γyz,x+γzx,y+γxy,z),x=2εx,yz(γyz,x−γzx,y+γxy,z),y=2εy,zx(γyz,x+γzx,y−γxy,z),z=2εz,xy
Note
六个应变协调方程并不完全独立,不能由它们独立解出六个应变分量。
4 由应变求位移
4.1 线积分法
- 求 u1 :
u1=∫cdu1+u10=∫c(∂x1∂u1dx1+∂x2∂u1dx2+∂x3∂u1dx3)+u10
∂x1∂(∂x2∂u1)=∂x2∂ε11∂x2∂(∂x2∂u1)=∂x2∂γ12−∂x1∂ε22∂x3∂(∂x2∂u1)=21(∂x3∂γ12+∂x2∂γ31−∂x1∂γ23)⎭⎬⎫∂x2∂u1[C1]
∂x1∂(∂x3∂u1)=∂x3∂ε11∂x2∂(∂x3∂u1)=∂x3∂(∂x2∂u1)∂x3∂(∂x3∂u1)=∂x3∂γ31−∂x1∂ε33⎭⎬⎫∂x3∂u1[C2]
∂x1∂u1=ε11∂x2∂u1[C1]∂x3∂u1[C2]⎭⎬⎫u1[u10,C1,C2]
- 求 u2 :
u2=∫cdu2+u20=∫c(∂x1∂u2dx1+∂x2∂u2dx2+∂x3∂u2dx3)+u20
∂x1∂(∂x3∂u2)=21(∂x1∂γ23+∂x3∂γ12−∂x2∂γ31)∂x2∂(∂x3∂u2)=∂x3∂ε22∂x3∂(∂x3∂u2)=∂x3∂γ23−∂x2∂ε33⎭⎬⎫∂x3∂u2[C3]
∂x1∂u2=γ12−∂x2∂u1[C1]∂x2∂u2=ε22∂x3∂u2[C3]⎭⎬⎫u2[u20,C1,C3]
- 求 u3 :
u3=∫cdu3+u30=∫c(∂x1∂u3dx1+∂x2∂u3dx2+∂x3∂u3dx3)+u30
∂x1∂u3=γ31−∂x3∂u1[C2]∂x2∂u3=γ23−∂x3∂u2[C3]∂x3∂u3=ε33⎭⎬⎫u3[u30,C2,C3]
只要应变满足协调方程,以上各式中的积分均与路径无关,一般取与坐标轴平行的折线为积分路径,故称线积分法。
上面式子中出现的 6 个积分常数 u10,u20,u30 和 C1,C2,C3 分别对应于刚体平移和刚体转动的 6 个自由度,须由外部约束条件来决定。
4.2 直接积分法
对某些应变分量表达式较为简单的情况,也可采用直接积分法。下面以无应变状态 εij=0 为例展示基本步骤。
由正应变表达式
ε11=∂x1∂u1=0
ε22=∂x2∂u2=0
ε33=∂x3∂u3=0
分别对 x1,x2,x3 积分一次得
u1=f1(x2,x3)
u2=f2(x3,x1)
u3=f3(x1,x2)
代入剪应变表达式
γ12=∂x2∂u1+∂x1∂u2=0
γ23=∂x3∂u2+∂x2∂u3=0
γ31=∂x1∂u3+∂x3∂u1=0
可得
∂x2∂f1(x2,x3)+∂x1∂f2(x3,x1)=0(a)
∂x3∂f2(x3,x1)+∂x2∂f3(x1,x2)=0(b)
∂x1∂f3(x1,x2)+∂x3∂f1(x2,x3)=0(c)
由 (a) 式对 x2 求导得
∂x22∂2f1(x2,x3)=0
因此
∂x2∂f1=g1(x3),f1=g1(x3)x2+g0(x3)
同理由 (c) 式有
∂x32∂2f1(x2,x3)=0
将 f1 的表达式代入后有
g1′′(x3)x2+g0′′(x3)=0
因此
g1′′(x3)=0,g0′′(x3)=0
故
g1(x3)=a3x3+a1,g0(x3)=a2x3+a0
综上
u1=f1(x2,x3)=a0+a1x2+a2x3+a3x2x3(d)
同理可由
∂x12∂2f2=0,∂x32∂2f2=0
得
u2=f2(x3,x1)=b0+b1x3+b2x1+b3x3x1(e)
由
∂x12∂2f3=0,∂x22∂2f3=0
得
u3=f3(x1,x2)=c0+c1x1+c2x2+c3x1x2(f)
将 (d) (e) (f) 代入 (a) (b) (c) 中得
a1=−b2,b1=−c2,c1=−a2,a3=b3=c3=0
于是待定常数降为 6 个,(d) (e) (f) 化简为
u1=a0−b2x2+a2x3u2=b0−c2x3+b2x1u3=c0−a2x1+c2x2
其中常数由刚体平动和转动确定。
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