彈性力學(xué)基礎(chǔ)：彈性勢(shì)能：彈性力學(xué)的解析解法

彈性力學(xué)基礎(chǔ)：彈性勢(shì)能：彈性力學(xué)的解析解法1彈性力學(xué)概述1.1彈性力學(xué)的基本概念彈性力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究彈性體在外力作用下的變形和應(yīng)力分布。它基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本假設(shè)，即材料可以被視為連續(xù)的、無(wú)間隙的介質(zhì)，其內(nèi)部的物理量（如應(yīng)力、應(yīng)變）可以連續(xù)變化。彈性力學(xué)的核心在于建立和求解描述彈性體行為的微分方程，這些方程通常包括平衡方程、幾何方程和物理方程。1.1.1平衡方程平衡方程描述了彈性體內(nèi)部的力平衡條件，即在任意體積內(nèi)，作用力的總和為零。在三維空間中，平衡方程可以表示為：???其中，σx,σy,σz1.1.2幾何方程幾何方程描述了變形與位移之間的關(guān)系。在小變形假設(shè)下，幾何方程可以簡(jiǎn)化為：???γγγ其中，?x,?y,?z1.1.3物理方程物理方程，也稱為本構(gòu)方程，描述了應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。對(duì)于線性彈性材料，物理方程遵循胡克定律：σ其中，σij是應(yīng)力張量，?klσσστττ其中，E是彈性模量，G是剪切模量。1.2彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)趶椥粤W(xué)中，應(yīng)力和應(yīng)變是兩個(gè)基本的物理量，它們描述了材料在受力時(shí)的響應(yīng)。1.2.1應(yīng)力應(yīng)力是單位面積上的內(nèi)力，可以分為正應(yīng)力和剪應(yīng)力。正應(yīng)力是垂直于材料表面的應(yīng)力，而剪應(yīng)力是平行于材料表面的應(yīng)力。在彈性力學(xué)中，應(yīng)力通常用張量表示，以考慮三維空間中所有方向的應(yīng)力。1.2.2應(yīng)變應(yīng)變是材料變形的度量，可以分為線應(yīng)變和剪應(yīng)變。線應(yīng)變描述了材料在某一方向上的伸長(zhǎng)或縮短，而剪應(yīng)變描述了材料在某一平面上的剪切變形。應(yīng)變也是用張量表示，以全面描述材料的變形狀態(tài)。1.2.3應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系由材料的本構(gòu)方程決定。對(duì)于線性彈性材料，應(yīng)力和應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，即胡克定律。在復(fù)雜的加載條件下，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系可能需要通過(guò)更復(fù)雜的本構(gòu)模型來(lái)描述，如非線性彈性模型或塑性模型。1.2.4應(yīng)力應(yīng)變分析應(yīng)力應(yīng)變分析是彈性力學(xué)中的核心內(nèi)容，它涉及到求解彈性體在給定載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變分布。分析方法可以分為解析解法和數(shù)值解法。解析解法通常適用于簡(jiǎn)單幾何形狀和載荷條件下的問(wèn)題，而數(shù)值解法（如有限元方法）則適用于更復(fù)雜的情況。1.2.5示例：一維彈性桿的應(yīng)力應(yīng)變分析假設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的彈性桿，兩端受到軸向力F的作用，桿的截面積為A，彈性模量為E。我們可以使用解析解法來(lái)求解桿內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變。平衡方程在軸向方向上，平衡方程簡(jiǎn)化為：?這意味著軸向應(yīng)力σx幾何方程線應(yīng)變?x?其中，u是軸向位移。物理方程根據(jù)胡克定律，應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系為：σ解析解將平衡方程和物理方程結(jié)合，可以得到：σ?這意味著桿內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變是均勻的，并且與外力、截面積和彈性模量有關(guān)。1.2.6代碼示例下面是一個(gè)使用Python計(jì)算一維彈性桿應(yīng)力和應(yīng)變的簡(jiǎn)單示例：#定義參數(shù)

F=1000#外力，單位：N

A=0.01#截面積，單位：m^2

E=200e9#彈性模量，單位：Pa

#計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變

sigma_x=F/A

epsilon_x=sigma_x/E

#輸出結(jié)果

print(f"軸向應(yīng)力：{sigma_x}Pa")

print(f"軸向應(yīng)變：{epsilon_x}")運(yùn)行上述代碼，將得到彈性桿內(nèi)的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果，這有助于理解和驗(yàn)證彈性力學(xué)的基本原理。通過(guò)上述內(nèi)容，我們對(duì)彈性力學(xué)的基本概念和應(yīng)力應(yīng)變分析有了初步的了解。在實(shí)際應(yīng)用中，彈性力學(xué)的理論和方法被廣泛用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、地震工程等領(lǐng)域，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。2彈性勢(shì)能原理2.1彈性勢(shì)能的定義與計(jì)算彈性勢(shì)能是物體在彈性變形時(shí)儲(chǔ)存的能量。當(dāng)外力作用于彈性體，使其發(fā)生形變，物體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)力，試圖回到原始狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程中，外力所做的功被轉(zhuǎn)換為彈性勢(shì)能，儲(chǔ)存在物體內(nèi)部。彈性勢(shì)能的計(jì)算通常基于胡克定律，即彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變成正比。2.1.1胡克定律與彈性勢(shì)能胡克定律表達(dá)式為：σ其中，σ是應(yīng)力，?是應(yīng)變，E是彈性模量。彈性勢(shì)能U可以通過(guò)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系計(jì)算，公式為：U這里，dV2.1.2示例計(jì)算假設(shè)一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)，截面積為A的均勻桿，兩端受到軸向力F的作用，導(dǎo)致桿的長(zhǎng)度變化了ΔL。根據(jù)胡克定律，應(yīng)力σ=FA，應(yīng)變?彈性勢(shì)能U可以通過(guò)以下公式計(jì)算：UPython代碼示例#定義變量

F=1000#軸向力，單位：牛頓

A=0.01#截面積，單位：平方米

L=1#桿的原始長(zhǎng)度，單位：米

Delta_L=0.001#桿的長(zhǎng)度變化，單位：米

E=2e11#彈性模量，單位：帕斯卡

#計(jì)算彈性勢(shì)能

U=0.5*F*Delta_L

print("彈性勢(shì)能U=",U,"焦耳")2.2能量守恒與彈性勢(shì)能能量守恒定律在彈性力學(xué)中扮演著重要角色。當(dāng)外力作用于彈性體時(shí)，外力所做的功轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。如果系統(tǒng)沒(méi)有能量損失，那么外力撤除后，彈性體將通過(guò)釋放彈性勢(shì)能恢復(fù)到原始狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中，彈性勢(shì)能再次轉(zhuǎn)化為外力所做的功。2.2.1彈性勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換在彈性體振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈性勢(shì)能與動(dòng)能之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。例如，彈簧振子系統(tǒng)中，當(dāng)彈簧被壓縮或拉伸時(shí)，彈性勢(shì)能達(dá)到最大，而動(dòng)能為零；當(dāng)彈簧恢復(fù)到自然長(zhǎng)度時(shí)，彈性勢(shì)能為零，動(dòng)能達(dá)到最大。2.2.2示例分析考慮一個(gè)質(zhì)量為m的物體，通過(guò)一個(gè)彈簧與固定點(diǎn)相連，彈簧的彈性系數(shù)為k。假設(shè)物體從靜止開(kāi)始，被拉伸了x的距離，然后釋放。物體將開(kāi)始振動(dòng)，其動(dòng)能和彈性勢(shì)能將周期性地轉(zhuǎn)換。彈性勢(shì)能與動(dòng)能的計(jì)算彈性勢(shì)能U為：U動(dòng)能T為：T其中，v是物體的速度。Python代碼示例importmath

#定義變量

m=0.5#物體質(zhì)量，單位：千克

k=100#彈簧彈性系數(shù)，單位：牛頓/米

x=0.1#物體被拉伸的距離，單位：米

v=math.sqrt(k/m)*x#根據(jù)能量守恒計(jì)算物體速度

#計(jì)算彈性勢(shì)能和動(dòng)能

U=0.5*k*x**2

T=0.5*m*v**2

print("彈性勢(shì)能U=",U,"焦耳")

print("動(dòng)能T=",T,"焦耳")通過(guò)以上分析和示例，我們理解了彈性勢(shì)能的定義、計(jì)算方法以及它與能量守恒定律的關(guān)系。在實(shí)際工程問(wèn)題中，這些原理和計(jì)算方法是解決彈性力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)。3彈性力學(xué)的解析解法3.1解析解法的適用條件解析解法在彈性力學(xué)中是一種基于數(shù)學(xué)分析的方法，用于求解彈性體在各種載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。這種方法的適用條件主要包括：幾何形狀簡(jiǎn)單：解析解法通常適用于具有簡(jiǎn)單幾何形狀的彈性體，如圓柱、球體、平板等，因?yàn)檫@些形狀的邊界條件和載荷分布可以被數(shù)學(xué)公式精確描述。材料性質(zhì)均勻：材料的彈性模量、泊松比等物理性質(zhì)在整個(gè)彈性體中保持不變，這使得解析解法能夠有效地應(yīng)用。線性彈性范圍：彈性體的變形在材料的線性彈性范圍內(nèi)，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，遵循胡克定律。邊界條件明確：邊界條件，如固定邊界、自由邊界、應(yīng)力邊界或位移邊界，必須能夠用數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)確描述。載荷分布規(guī)則：載荷分布，如均勻分布、線性分布或點(diǎn)載荷，也應(yīng)能夠用數(shù)學(xué)函數(shù)表示。當(dāng)這些條件滿足時(shí)，解析解法能夠提供精確的解，而無(wú)需進(jìn)行數(shù)值近似。3.2經(jīng)典彈性力學(xué)問(wèn)題的解析解3.2.1平面應(yīng)力問(wèn)題在平面應(yīng)力問(wèn)題中，彈性體的厚度遠(yuǎn)小于其平面尺寸，且載荷僅作用于平面內(nèi)。這類(lèi)問(wèn)題的解析解可以通過(guò)求解平面應(yīng)力方程得到，方程如下：σσσ其中，σxx、σyy和σxy分別是x和y方向的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；?xx、3.2.2平面應(yīng)變問(wèn)題平面應(yīng)變問(wèn)題與平面應(yīng)力問(wèn)題類(lèi)似，但適用于厚度方向的應(yīng)變可以忽略的情況。平面應(yīng)變方程如下：σσσ3.2.3維彈性問(wèn)題三維彈性問(wèn)題的解析解通常更為復(fù)雜，需要求解三維彈性方程組。在直角坐標(biāo)系中，三維彈性方程組包括三個(gè)平衡方程和六個(gè)本構(gòu)方程，描述了應(yīng)力、應(yīng)變和位移之間的關(guān)系。3.3圣維南原理與邊界條件3.3.1圣維南原理圣維南原理是彈性力學(xué)中的一個(gè)重要概念，它指出在彈性體的局部區(qū)域，如果邊界上的載荷分布發(fā)生改變，但其靜力等效（即總力和總力矩相同），則遠(yuǎn)離邊界區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變分布將幾乎不受影響。這一原理在簡(jiǎn)化邊界條件和載荷分布時(shí)非常有用。3.3.2邊界條件邊界條件在解析解法中至關(guān)重要，它們描述了彈性體與外界的相互作用。邊界條件可以分為三類(lèi)：位移邊界條件：指定彈性體邊界上的位移或位移的導(dǎo)數(shù)。應(yīng)力邊界條件：指定彈性體邊界上的應(yīng)力或應(yīng)力的導(dǎo)數(shù)?；旌线吔鐥l件：同時(shí)指定位移和應(yīng)力的邊界條件。在求解彈性力學(xué)問(wèn)題時(shí)，正確設(shè)定邊界條件是獲得準(zhǔn)確解析解的關(guān)鍵。3.3.3示例：平面應(yīng)力問(wèn)題的解析解假設(shè)有一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的平板，厚度為t，寬度為w，在x方向受到均勻分布的拉力P。平板的材料屬性為彈性模量E=200GPa解析步驟確定適用條件：此問(wèn)題滿足平面應(yīng)力問(wèn)題的條件，因?yàn)檩d荷僅在平面內(nèi)，且材料性質(zhì)均勻。設(shè)定邊界條件：平板的兩側(cè)為自由邊界，即σxy=0；底部和頂部為應(yīng)力邊界，即σy求解應(yīng)力分布：根據(jù)平面應(yīng)力方程，可以得到σxx=Pt，因?yàn)棣襶yPython代碼示例#定義材料屬性和載荷

E=200e9#彈性模量，單位：Pa

nu=0.3#泊松比

P=100e3#均勻拉力，單位：N/m

t=0.01#平板厚度，單位：m

#計(jì)算應(yīng)力

sigma_xx=P/t

#輸出結(jié)果

print(f"在x方向上的應(yīng)力分布為：{sigma_xx}Pa")此代碼示例計(jì)算了無(wú)限長(zhǎng)平板在x方向上的應(yīng)力分布，假設(shè)平板在y和z方向上的尺寸遠(yuǎn)大于其厚度，且材料性質(zhì)均勻，滿足平面應(yīng)力問(wèn)題的條件。通過(guò)上述解析解法的原理和示例，我們可以看到，在滿足特定條件的情況下，解析解法能夠提供精確的應(yīng)力、應(yīng)變和位移解，為工程設(shè)計(jì)和分析提供了重要的理論基礎(chǔ)。4彈性力學(xué)中的位移解法4.1位移解法的基本方程在彈性力學(xué)中，位移解法是一種基于位移場(chǎng)的解析方法，它通過(guò)求解位移分量來(lái)間接獲得應(yīng)力和應(yīng)變。位移解法的基本方程是平衡方程和幾何方程的結(jié)合，通常表示為：??其中，σ是應(yīng)力張量，f是體積力向量，?是應(yīng)變張量，u是位移向量。在彈性材料中，應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系由胡克定律給出：σ這里，C是彈性常數(shù)張量。將上述方程結(jié)合，可以得到位移解法的基本方程，即位移控制下的平衡方程：?4.2位移解法的求解步驟4.2.1步驟1：建立位移場(chǎng)假設(shè)首先，需要假設(shè)一個(gè)位移場(chǎng)ux4.2.2步驟2：計(jì)算應(yīng)變根據(jù)位移場(chǎng)，利用幾何方程計(jì)算應(yīng)變場(chǎng)?x4.2.3步驟3：計(jì)算應(yīng)力利用胡克定律，將應(yīng)變場(chǎng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力場(chǎng)σx4.2.4步驟4：求解平衡方程將應(yīng)力場(chǎng)代入平衡方程，求解位移場(chǎng)ux4.2.5步驟5：驗(yàn)證解檢查解是否滿足所有邊界條件和連續(xù)性條件。4.3位移解法的實(shí)例分析假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的二維彈性問(wèn)題，一個(gè)長(zhǎng)方形板在兩端受到拉力。板的尺寸為L(zhǎng)×H，材料的彈性模量為E，泊松比為ν。兩端的拉力為4.3.1步驟1：建立位移場(chǎng)假設(shè)我們假設(shè)位移場(chǎng)為線性分布，即：uv其中，u和v分別是x和y方向的位移，a,b4.3.2步驟2：計(jì)算應(yīng)變利用幾何方程，計(jì)算應(yīng)變：??γ4.3.3步驟3：計(jì)算應(yīng)力利用胡克定律，計(jì)算應(yīng)力：σστ4.3.4步驟4：求解平衡方程在二維問(wèn)題中，平衡方程簡(jiǎn)化為：??由于τxy=0??將應(yīng)力表達(dá)式代入，得到：??由于應(yīng)力是常數(shù)，這意味著a和c也是常數(shù)。4.3.5步驟5：應(yīng)用邊界條件在x=0和x=L處，位移u分別為0和P/EH。在y=0和y=H處，位移vac4.3.6步驟6：驗(yàn)證解將a和c的值代入位移場(chǎng)假設(shè)，得到位移解：uv這表明在x方向上有均勻的位移，而在y方向上沒(méi)有位移，符合直覺(jué)和邊界條件。4.3.7代碼示例以下是一個(gè)使用Python和NumPy求解上述問(wèn)題的簡(jiǎn)單示例：importnumpyasnp

#材料參數(shù)

E=200e9#彈性模量，單位：Pa

nu=0.3#泊松比

P=1000#拉力，單位：N

L=1#板的長(zhǎng)度，單位：m

H=0.1#板的高度，單位：m

#計(jì)算位移系數(shù)

a=P/(E*H*L)

#定義位移場(chǎng)

defdisplacement_field(x,y):

u=a*x

v=0

returnu,v

#創(chuàng)建網(wǎng)格

x=np.linspace(0,L,100)

y=np.linspace(0,H,100)

X,Y=np.meshgrid(x,y)

#計(jì)算位移

U,V=displacement_field(X,Y)

#打印位移場(chǎng)

print("位移場(chǎng)u(x,y):")

print(U)

print("位移場(chǎng)v(x,y):")

print(V)在這個(gè)例子中，我們首先定義了材料參數(shù)和外力，然后計(jì)算了位移系數(shù)a。接著，我們定義了一個(gè)位移場(chǎng)函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)x和y的坐標(biāo)返回位移分量u和v。最后，我們創(chuàng)建了一個(gè)網(wǎng)格，并在網(wǎng)格上的每個(gè)點(diǎn)計(jì)算了位移，驗(yàn)證了我們的解析解。通過(guò)上述分析和示例，我們可以看到位移解法在彈性力學(xué)問(wèn)題中的應(yīng)用。這種方法通過(guò)直接求解位移，可以簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解過(guò)程，特別是在處理邊界條件時(shí)。然而，它也要求位移場(chǎng)的假設(shè)足夠準(zhǔn)確，以確保解的正確性。5彈性力學(xué)中的應(yīng)力解法5.1應(yīng)力解法的基本方程在彈性力學(xué)中，應(yīng)力解法主要關(guān)注于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布?；痉匠逃善胶夥匠?、相容方程和邊界條件組成。平衡方程描述了在彈性體內(nèi)部，應(yīng)力分量必須滿足的靜力平衡條件。相容方程則確保了在沒(méi)有外力作用下，應(yīng)變分量之間的關(guān)系滿足連續(xù)性。邊界條件包括應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件，它們定義了結(jié)構(gòu)在邊界上的行為。5.1.1平衡方程平衡方程在直角坐標(biāo)系下可以表示為：???其中，σx,σy,σz5.1.2相容方程相容方程在直角坐標(biāo)系下可以表示為：???其中，εx,εy,5.1.3邊界條件應(yīng)力邊界條件通常表示為：σ位移邊界條件表示為：u其中，σn是法向應(yīng)力，n是邊界上的外法線向量，Tn是給定的法向應(yīng)力，u是位移向量，u5.2應(yīng)力解法的求解步驟應(yīng)力解法的求解步驟通常包括以下幾步：確定問(wèn)題的類(lèi)型：是平面應(yīng)力問(wèn)題、平面應(yīng)變問(wèn)題還是三維問(wèn)題。建立應(yīng)力函數(shù)：根據(jù)問(wèn)題的類(lèi)型，選擇合適的應(yīng)力函數(shù)形式。求解應(yīng)力函數(shù)：利用基本方程和邊界條件，求解應(yīng)力函數(shù)。計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變：通過(guò)應(yīng)力函數(shù)，計(jì)算出應(yīng)力和應(yīng)變分量。驗(yàn)證解的正確性：檢查解是否滿足所有邊界條件和基本方程。5.2.1示例：平面應(yīng)力問(wèn)題的應(yīng)力解法假設(shè)我們有一個(gè)平面應(yīng)力問(wèn)題，其中應(yīng)力函數(shù)為：σστ邊界條件為：σστ我們可以使用以下Python代碼來(lái)求解這個(gè)平面應(yīng)力問(wèn)題：importnumpyasnp

fromegrateimportsolve_bvp

defstress_function(x,y,psi):

#應(yīng)力函數(shù)與流函數(shù)ψ的關(guān)系

sigma_x=psi_yy(y)

sigma_y=psi_xx(x)

tau_xy=psi_xy(x,y)

returnsigma_x,sigma_y,tau_xy

defpsi_xx(x):

#流函數(shù)ψ關(guān)于x的二階導(dǎo)數(shù)

return-x**2+2*x

defpsi_yy(y):

#流函數(shù)ψ關(guān)于y的二階導(dǎo)數(shù)

returny**2-2*y

defpsi_xy(x,y):

#流函數(shù)ψ關(guān)于x和y的混合導(dǎo)數(shù)

returnx*y

defboundary_conditions(ya,ya_prime,yb,yb_prime):

#邊界條件

return[ya[0],yb[0],ya[1],yb[1],ya[2],yb[2]]

#定義網(wǎng)格點(diǎn)

x=np.linspace(0,L,100)

y=np.linspace(0,L,100)

#初始化解向量

psi=np.zeros((3,x.size,y.size))

#求解邊界值問(wèn)題

sol=solve_bvp(stress_function,boundary_conditions,x,y,psi)

#計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變

sigma_x,sigma_y,tau_xy=stress_function(x,y,sol.sol)

#輸出結(jié)果

print("Stressandstraincomponentscalculated.")在這個(gè)例子中，我們使用了流函數(shù)ψ來(lái)表示應(yīng)力函數(shù)，然后通過(guò)邊界值問(wèn)題求解器（solve_bvp）來(lái)求解邊界條件。最后，我們通過(guò)應(yīng)力函數(shù)計(jì)算出應(yīng)力和應(yīng)變分量。5.3應(yīng)力解法的實(shí)例分析5.3.1實(shí)例：圓柱形壓力容器的應(yīng)力分析考慮一個(gè)圓柱形壓力容器，其內(nèi)徑為Ri，外徑為Ro，承受內(nèi)壓基本方程在圓柱坐標(biāo)系下，平衡方程簡(jiǎn)化為：???邊界條件應(yīng)力邊界條件為：σσ位移邊界條件通常不直接使用，但在某些情況下，如需要計(jì)算容器的膨脹，可能會(huì)用到。求解過(guò)程對(duì)于圓柱形壓力容器，我們可以假設(shè)應(yīng)力和應(yīng)變只與半徑r有關(guān)，從而簡(jiǎn)化問(wèn)題。通過(guò)求解上述方程和邊界條件，我們可以得到容器壁內(nèi)的應(yīng)力分布。5.3.2Python代碼示例假設(shè)我們使用Python來(lái)求解上述圓柱形壓力容器的應(yīng)力分布，代碼如下：importnumpyasnp

fromegrateimportsolve_bvp

defstress_function(r,psi):

#應(yīng)力函數(shù)與流函數(shù)ψ的關(guān)系

sigma_r=psi_rr(r)

sigma_theta=psi_r(r)+psi(r)

sigma_z=0#假設(shè)軸向應(yīng)力為0

returnsigma_r,sigma_theta,sigma_z

defpsi_rr(r):

#流函數(shù)ψ關(guān)于r的二階導(dǎo)數(shù)

return-p_i/r

defpsi_r(r):

#流函數(shù)ψ關(guān)于r的一階導(dǎo)數(shù)

returnp_i*np.log(r)

defpsi(r):

#流函數(shù)ψ

returnp_i*(np.log(r)-1)

defboundary_conditions(ri,ri_prime,ro,ro_prime):

#邊界條件

return[ri[0]+p_i,ro[0],ri[1]-ri[0]-p_i,ro[1]-ro[0]]

#定義網(wǎng)格點(diǎn)

r=np.linspace(R_i,R_o,100)

#初始化解向量

psi=np.zeros((2,r.size))

#求解邊界值問(wèn)題

sol=solve_bvp(stress_function,boundary_conditions,r,psi)

#計(jì)算應(yīng)力

sigma_r,sigma_theta,sigma_z=stress_function(r,sol.sol)

#輸出結(jié)果

print("Stresscomponentscalculatedforthecylindricalpressurevessel.")在這個(gè)例子中，我們假設(shè)軸向應(yīng)力σz為0，因此問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問(wèn)題。我們使用流函數(shù)ψ來(lái)表示應(yīng)力函數(shù)，然后通過(guò)邊界值問(wèn)題求解器（solve_bvp通過(guò)上述分析和示例，我們可以看到應(yīng)力解法在彈性力學(xué)中的應(yīng)用，以及如何使用數(shù)值方法來(lái)求解復(fù)雜的應(yīng)力分布問(wèn)題。6彈性力學(xué)的變分原理6.1哈密頓原理與彈性力學(xué)哈密頓原理是經(jīng)典力學(xué)中的一種變分原理，它指出一個(gè)物理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑是使作用在系統(tǒng)上的作用量（即拉格朗日量對(duì)時(shí)間的積分）在所有可能的路徑中取極值的路徑。在彈性力學(xué)中，這一原理可以被用來(lái)尋找結(jié)構(gòu)在給定載荷下的平衡狀態(tài)。6.1.1原理描述考慮一個(gè)彈性體在時(shí)間t1到t2之間的運(yùn)動(dòng)，其拉格朗日量L定義為動(dòng)能T減去勢(shì)能V。哈密頓原理表明，實(shí)際的運(yùn)動(dòng)路徑ut是使作用量SS對(duì)于靜力學(xué)問(wèn)題，動(dòng)能T為零，因此哈密頓原理簡(jiǎn)化為最小勢(shì)能原理。6.1.2示例假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的彈性桿，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為A，彈性模量為E，受到軸向力P的作用。桿的位移ux可以表示為x的函數(shù)。桿的勢(shì)能VV應(yīng)用哈密頓原理，我們尋找使V取極值的ux6.2瑞利-里茨法的應(yīng)用瑞利-里茨法是一種近似求解彈性力學(xué)問(wèn)題的方法，它基于最小勢(shì)能原理。該方法通過(guò)選擇一組適當(dāng)?shù)脑嚭瘮?shù)來(lái)逼近實(shí)際的位移場(chǎng)，然后通過(guò)最小化總勢(shì)能來(lái)確定這些試函數(shù)的系數(shù)。6.2.1方法步驟選擇試函數(shù)：選擇一組函數(shù){f構(gòu)建位移場(chǎng)：位移uxu計(jì)算勢(shì)能：將位移場(chǎng)代入勢(shì)能表達(dá)式中，得到勢(shì)能V關(guān)于系數(shù)ci最小化勢(shì)能：對(duì)V關(guān)于ci求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)為零，解得c6.2.2示例考慮一個(gè)兩端固定的梁，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，受到均勻分布的載荷q。梁的位移ux可以表示為xf構(gòu)建位移場(chǎng)：u勢(shì)能V可以表示為：V將ux代入V中，得到V關(guān)于c1的函數(shù)。對(duì)V關(guān)于c16.3最小勢(shì)能原理最小勢(shì)能原理是彈性力學(xué)中的一種重要原理，它指出在靜力學(xué)平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的總勢(shì)能取最小值。這一原理可以被用來(lái)求解彈性體在給定載荷下的平衡位移。6.3.1原理描述對(duì)于一個(gè)彈性體，其總勢(shì)能V定義為內(nèi)部應(yīng)變能U和外部載荷功W之和：V內(nèi)部應(yīng)變能U表示為：U其中，σij是應(yīng)力張量，外部載荷功W表示為：W其中，b是體積力，t是表面力，u是位移。6.3.2示例考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的彈性桿，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為A，彈性模量為E，受到軸向力P的作用。桿的位移ux可以表示為x的函數(shù)。桿的總勢(shì)能VV應(yīng)用最小勢(shì)能原理，我們尋找使V取最小值的ux6.3.3歐拉-拉格朗日方程對(duì)于上述的彈性桿問(wèn)題，歐拉-拉格朗日方程可以表示為：d解這個(gè)方程，可以得到桿的平衡位移ux以上就是關(guān)于彈性力學(xué)的變分原理，包括哈密頓原理、瑞利-里茨法和最小勢(shì)能原理的詳細(xì)內(nèi)容和示例。這些原理和方法在求解彈性力學(xué)問(wèn)題中起著至關(guān)重要的作用。7彈性力學(xué)的特殊解法7.1半逆解法的原理與應(yīng)用7.1.1原理半逆解法是彈性力學(xué)中一種結(jié)合了直接求解和假設(shè)解的混合解法。在半逆解法中，我們首先假設(shè)應(yīng)力分量或位移分量的函數(shù)形式，然后根據(jù)平衡方程、相容方程和邊界條件來(lái)確定這些假設(shè)函數(shù)中的未知參數(shù)。這種方法特別適用于具有對(duì)稱性或特定幾何形狀的彈性體問(wèn)題，可以簡(jiǎn)化解析過(guò)程，避免復(fù)雜的積分運(yùn)算。7.1.2應(yīng)用半逆解法廣泛應(yīng)用于解決平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問(wèn)題，尤其是在處理圓盤(pán)、圓環(huán)、半無(wú)限體等具有簡(jiǎn)單幾何形狀的彈性體時(shí)。例如，對(duì)于一個(gè)承受均勻外壓的圓盤(pán)，我們可以假設(shè)應(yīng)力分量為某些關(guān)于半徑和角度的函數(shù)，然后通過(guò)平衡方程和邊界條件來(lái)確定這些函數(shù)的具體形式和參數(shù)。7.1.3實(shí)例分析假設(shè)我們有一個(gè)半徑為R的圓盤(pán)，承受均勻外壓p。我們采用半逆解法來(lái)求解圓盤(pán)內(nèi)的應(yīng)力分布。假設(shè)應(yīng)力函數(shù)我們假設(shè)圓盤(pán)內(nèi)的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σσσ其中，Ai和Bi是待定的系數(shù)，平衡方程對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題，平衡方程可以簡(jiǎn)化為：??將假設(shè)的應(yīng)力函數(shù)代入平衡方程，可以得到一系列關(guān)于Ai和B邊界條件在圓盤(pán)的外邊界r=R處，應(yīng)力σrσσ通過(guò)邊界條件，可以進(jìn)一步確定Ai和B解析解最終，通過(guò)解上述方程組，我們可以得到圓盤(pán)內(nèi)應(yīng)力分布的解析解。例如，對(duì)于徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σσσ這些解析解提供了圓盤(pán)內(nèi)應(yīng)力分布的精確描述，對(duì)于設(shè)計(jì)和分析具有重要意義。7.2逆解法的原理與應(yīng)用7.2.1原理逆解法是彈性力學(xué)中另一種特殊解法，它從給定的位移邊界條件出發(fā)，通過(guò)相容方程和平衡方程來(lái)反推應(yīng)力和應(yīng)變分布。這種方法適用于位移邊界條件已知，而應(yīng)力邊界條件未知的情況。逆解法的關(guān)鍵在于找到滿足相容方程的位移函數(shù)，然后通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系來(lái)確定應(yīng)力分布。7.2.2應(yīng)用逆解法在解決彈性力學(xué)問(wèn)題時(shí)，特別適用于那些位移邊界條件明確，而應(yīng)力邊界條件難以直接確定的情況。例如，在處理彈性梁的彎曲問(wèn)題時(shí)，梁的端部位移通常已知，而梁內(nèi)部的應(yīng)力分布則需要通過(guò)逆解法來(lái)求解。7.2.3實(shí)例分析考慮一個(gè)兩端固定的彈性梁，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，承受均勻分布的垂直載荷q。我們采用逆解法來(lái)求解梁內(nèi)的應(yīng)力分布。假設(shè)位移函數(shù)我們假設(shè)梁的垂直位移w可以表示為：w其中，E是彈性模量，I是截面慣性矩，x是梁上的坐標(biāo)。相容方程對(duì)于梁的彎曲問(wèn)題，相容方程可以簡(jiǎn)化為：d其中，Mx平衡方程平衡方程給出了彎矩和載荷之間的關(guān)系：d通過(guò)積分，可以得到彎矩的表達(dá)式。解析解最終，通過(guò)解上述方程，我們可以得到梁內(nèi)應(yīng)力分布的解析解。例如，對(duì)于梁的彎矩MxM然后，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以進(jìn)一步確定梁內(nèi)的應(yīng)力分布。7.3特殊解法的實(shí)例分析7.3.1實(shí)例：圓環(huán)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題問(wèn)題描述考慮一個(gè)圓環(huán)，內(nèi)外半徑分別為R1和R2，承受均勻的扭矩假設(shè)應(yīng)力函數(shù)我們假設(shè)圓環(huán)內(nèi)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τrτ平衡方程和邊界條件對(duì)于圓環(huán)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，平衡方程和邊界條件可以簡(jiǎn)化為：?在內(nèi)邊界r=R解析解通過(guò)解上述方程，我們可以得到圓環(huán)內(nèi)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的解析解。例如，對(duì)于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τrτ這個(gè)解析解提供了圓環(huán)內(nèi)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布的精確描述，對(duì)于設(shè)計(jì)和分析圓環(huán)結(jié)構(gòu)具有重要意義。通過(guò)上述實(shí)例分析，我們可以看到，彈性力學(xué)的特殊解法，如半逆解法和逆解法，為解決特定類(lèi)型的彈性力學(xué)問(wèn)題提供了有效的途徑。這些方法不僅簡(jiǎn)化了求解過(guò)程，還能夠得到精確的解析解，對(duì)于工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析具有不可替代的價(jià)值。8彈性力學(xué)的數(shù)值解法簡(jiǎn)介8.1有限元法的基本概念有限元法（FiniteElementMethod,FEM）是一種廣泛應(yīng)用于工程分析和科學(xué)計(jì)算的數(shù)值解法，尤其在解決彈性力學(xué)問(wèn)題中表現(xiàn)出色。它將連續(xù)的結(jié)構(gòu)或物體離散成有限數(shù)量的單元，每個(gè)單元用簡(jiǎn)單的函數(shù)（如多項(xiàng)式）來(lái)近似描述其行為，從而將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，便于計(jì)算機(jī)求解。8.1.1原理有限元法的核心在于將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連續(xù)域分解為多個(gè)小的、簡(jiǎn)單的子域，即有限元。每個(gè)子域內(nèi)的物理量（如位移、應(yīng)力、應(yīng)變）用節(jié)點(diǎn)上的未知數(shù)來(lái)表示，通過(guò)在每個(gè)單元內(nèi)應(yīng)用變分原理或加權(quán)殘值法，可以得到單元的平衡方程。將所有單元的平衡方程組合起來(lái)，形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程組，通過(guò)求解這個(gè)方程組，可以得到結(jié)構(gòu)在給定載荷下的響應(yīng)。8.1.2示例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的梁，需要使用有限元法來(lái)計(jì)算其在載荷作用下的位移。我們可以將梁離散成多個(gè)線性單元，每個(gè)單元用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，節(jié)點(diǎn)上有位移未知數(shù)。#有限元法計(jì)算梁的位移示例

importnumpyasnp

#定義梁的屬性

E=200e9#彈性模量，單位：Pa

I=0.05#慣性矩，單位：m^4

L=1.0#單元長(zhǎng)度，單位：m

F=-1000#載荷，單位：N

#定義單元?jiǎng)偠染仃?/p>

k=(E*I/L**3)*np.array([[12,6*L,-12,6*L],

[6*L,4*L**2,-6*L,2*L**2],

[-12,-6*L,12,-6*L],

[6*L,2*L**2,-6*L,4*L**2]])

#定義全局剛度矩陣

#假設(shè)梁由兩個(gè)單元組成

K=np.zeros((4,4))

K[:2,:2]=k

K[:2,2:]=-k[:2,:2]

K[2:,:2]=-k[:2,:2]

K[2:,2:]=k

#定義載荷向量

F=np.array([0,F,0,0])

#定義邊界條件

#假設(shè)梁的兩端固定

bc=np.array([1,0,1,0])

#應(yīng)用邊界條件

K=K[np.ix_(bc==0,bc==0)]

F=F[bc==0]

#求解位移

U=np.linalg.solve(K,F)

print("位移向量：",U)8.1.3解釋上述代碼中，我們首先定義了梁的物理屬性，包括彈性模量、慣性矩、單元長(zhǎng)度和載荷。接著，我們構(gòu)建了單元?jiǎng)偠染仃?，這是一個(gè)4x4的矩陣，用于描述單個(gè)單元在載荷作用下的力學(xué)行為。然后，我們構(gòu)建了全局剛度矩陣，通過(guò)組合兩個(gè)單元的剛度矩陣來(lái)描述整個(gè)梁的力學(xué)行為。載荷向量定義了作用在梁上的力，