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材料彈性概述/應力介紹

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我們將從建立描述應力 和應變 之間關係的本構方程開始。這是連續介質力學中專注於純彈性區的子集,特別是將重點放線上性彈性上,其中胡克定律成立。

圖 1: (a) 作用於物體的外部力 將在內部傳遞。物體上想象的切片上的一個點將受到表面力的作用。(b) 作用在這個切片上的力可以投影到作用在面積 上的正向或切向分量。

應力和應變的概念起源於考慮作用於物體上的力和物體的位移。從力開始,可以施加兩種型別的力。首先是表面力,它可以是點力,也可以是作用在表面上的分佈力。其次是體力,它作用於物體的每個元素,而不僅僅是表面(例如,重力、電場等)。

所關注的物體受到許多力的作用,這些力透過材料傳遞。在物體內部的任何一點,您可以想象將其切開以觀察想象的切割表面上的力,如圖 1 所示。這些力是切割面兩側的材料之間的相互作用。我們將物體中某點的應力定義為作用在該想象切割表面的力。

圖 2: 一個具有應力的無窮小長方體材料,根據 座標系定義。

您還記得,應力被定義為力除以作用力的面積。力 是一個向量量,允許將分量投影到法線和切向方向。如圖 1 所示,法向分量根據角度 定義,產生法嚮應力 。力的切向分量 可以進一步投影到圖 1 中標識為 的兩個正交方向,產生兩個正交剪下應力。這是根據角度 執行的,得到

這裡需要注意的是,我們定義的座標系使得 方向是垂直於切割表面的方向。使用 而不是 很方便,因為它允許我們將索引傳遞給應力和應變數。在這個例子中,法嚮應力由 給出,以指定法嚮應力施加到法線在 方向的表面上,並在 方向上投射一個力。切向分量 指定法線為 的表面,力分別在 方向上投影。切割一個無窮小的長方體,應力在所有三個方向上定義,如圖2所示。為了比較,一些教科書中使用的符號將寫法嚮應力為 ,而在這裡我們將使用 。這些教科書還使用 表示剪下應力,例如 ,而在這裡我們將使用 。這使得應力狀態可以簡潔地用矩陣(張量)形式表示

圖 1 中透過物體上某點切出的想象切片可以是任何平面,但作用力保持不變。這會導致表面法線的定義改變,並可能導致應力表示式發生變化。應力的物理存在不會改變,但描述方式會改變,即座標系會發生改變。本節的其餘部分將重點介紹應力座標變換的表達和分析。

平面應力

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我們將從簡化正在處理的圖景開始。平面應力條件存在於薄的二維物體中,例如一張紙,該物體在平面外沒有應力。這使我們能夠寫成 . 此外,在 方向上沒有剪下力,因此 。對於處於平面應力條件下的物體,我們的目標是確定任何軸方向下某點的應力狀態。

圖 3(a) 平面應力條件下定義的面積 ,其中面積的法線為 ,從 旋轉了 。A 在 方向上的投影如圖所示。(b) 圖中顯示了作用在該面積上的總應力的分量。

對於該物體,零力方向為 方向,即紙面向外方向,非零應力狀態在 方向,其分量為

想象一個新的區域,它定義在一個繞 軸旋轉的平面上,其法線方向定義為 ,它與 的夾角為 ,如圖 3 所示。

作用在該區域上的力的分量由原始應力作用在新區域的投影面上確定。

          [1 & 2]

其中元素 是 A 在原始方向上的投影,如圖 3 (a)所示,以及 方向上的總應力,其中 。然後,除以 A 得

          [3 & 4]

圖 3 (b)所示的總應力投影到 座標中的法線方向,得到

          [5]

類似地,我們將切線投影到平面並得到

          [6]

得到

          [7]

          [8]
圖 4: 一個新的區域,它相對於圖 3中所示的原始區域旋轉了

已知 ,因此只需要確定 。為此,我們定義了一個新的區域,該區域相對於我們原始平面旋轉了 /2,如圖 4 所示。在這個新的方向上,

          [9]

          [10]

將總應力投影到法線方向得到

          [11]

公式910代入公式11中的,得到

          [12]

眾所周知的三角恆等式

分別應用於公式7812中的,得到:

          [13]
          [14]

          [15]

主應力

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從這個推導中可以得到許多直接結果,從這些結果中我們可以獲得更深入的見解。從 的方程得到的其中一個結果是 ,對於所有 。這意味著應力張量 的跡是不變的。

第二個結果是,最大法嚮應力和剪下應力以週期為 的正弦波變化。在這個振盪中,法嚮應力和剪下應力相移,導致 (1) 最大和最小法嚮應力在剪下為零時發生,(2) 最大和最小剪下應力相移 /4,(3) 最大和最小法嚮應力相移 /2,(4) 最大和最小剪下應力相移 /4,從最小和最大法嚮應力。

任何應力狀態都可以旋轉,以產生。這使得應力張量對角化,並給出極端的法嚮應力。在這種方向下,平面稱為主平面,法嚮應力稱為主應力。產生這些主應力的方向稱為主軸。按照慣例,我們將第一個主應力定義為為最大值,依次遞減的主應力為,雖然在這裡我們只限制在二維平面應力,並且只列舉

我們知道在主方向上,這意味著我們可以使用方程式8來表示來確定旋轉張量(它是主張量)所需的角(),

得到

          [16]

如圖 5 所示,透過繪製 的圖形,我們可以觀察到相鄰根之間相隔 /2。此外,我們現在可以使用勾股定理來求解主應力。

圖 5: 根的圖形演示,它們之間相隔

對於一個簡單的直角三角形,斜邊為 ,兩條直角邊分別為 ,我們知道

這可以與勾股定理 和 **公式 16** 組合起來

這些可以進一步組合,得到

          [17]

          [18]

這些方程式告訴我們,對於給定的應力狀態,,需要進行怎樣的旋轉才能使與主軸對齊。

將這些方程式代入公式13中的,可以確定主應力。