从内力到应力,应力究竟该如何准确定义?

从内力到应力,应力究竟该如何准确定义?最一般的情况下 一个截面上的内力是一个空间内力系 总可以向一点去合成后者简化成为三个主矢 三个主矩 我们分别把它们称为轴力 剪力 弯矩 扭矩等

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上篇文我们说到,内力是作用在截面上的各个点上的,我们所说的内力实际上为截面上内力的合力或者和力矩。最一般的情况下,一个截面上的内力是一个空间内力系,总可以向一点去合成后者简化成为三个主矢,三个主矩 ,我们分别把它们称为轴力,剪力,弯矩,扭矩等(具体的情况可能并不是这六个量都有,可能只有一个轴力加剪力等等,具体问题具体分析)。同时我们还规定了内力的方向(与截取与保留的实体有关)。

有了以上的知识,我们就需要引出材料力学中的包括所有力学中的一个重要概念——应力。

上文我们知道,受力构件不同截面上的内力都是不同的,事实上,即使在同一截面,各个点上的内力也是不尽相同的。可见我们研究构件强度的时候,我们只研究截面上的内力是不够的,我们还需要研究作用在各个点上的内力。应力就是构件上一点的内力。

下面我们给出它具体的数学定义:

从内力到应力,应力究竟该如何准确定义?

我们对于此构件取截面I-I,我们知道这个截面上的每个点的内力都是不同的,大小和方向各异。我们现在研究I-I面上的a点的应力,我们在I-I面上围绕a点取一个微截面Delta A。在这个小微面积上的内力和大小都是不同的。在这个微小的面积上的内力总可以向a点简化或者合成,得到一个主矢Delta Fn,一个主矩Delta Mn。也就是说得到这个微小的面积上内力在a点的合力和合力矩。我们想求a点上内力的大小,我们就可以让 Delta A 逐渐趋近于0, 我们把

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表示为DeltaA 面上每一个点的平均内力。当Delta A 逐渐趋近于0,利用数学中的极限思想 ,我们有

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我们把p记作a点的全应力。它的单位是Pa(N/m^2),Mpa(N/mm^2)或者Gpa.(而对于Delta A 面上的和力矩。当Delata A趋近于0的时候, 因为各个点到a的距离逐渐趋近于0,则Delta Mn趋近于0.)

我们注意到, Delta Fn是一个矢量, Delta A是个标量,所以a点的全应力p也是一个矢量。既然是矢量,我们就可以对它进行分解。

从内力到应力,应力究竟该如何准确定义?

图2

如图2,我们把它分解为法向合分量我们称之为正应力sigma,

切向的分量称作切应力

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(当然我们可以任意分解,但是这样分解便于我们研究强度问题)

同时, 也可以沿着正交的y轴合z轴分别分解为两个应力的分量

从内力到应力,应力究竟该如何准确定义?

这里需要说明以下这个命名规则。第一个x代表的切应力作用在哪个面上(这里称作x面是指法向为x轴的面),第二个角标y表示切应力作用沿着y轴。

至此,我们就对一般的,截面上任意一点的应力的概念进行了确切的定义和解释。

以上分析可见,应力是受力物体内某个截面上某一点上内力分布集度。通常情况下,物体内各点应力是不同的,对于同一点不同方位截面上应力亦不同。这样,应力离开它的作用点是没有意义的,同样,离开它的作用面亦是没有意义的。

(参考资料,材料力学 刘鸿文,材料力学,张少实)

下文我们将研究一点的应力状态分析。祝大家中秋国庆快乐!

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