本書緊密結(jié)合當前工程技術(shù)發(fā)展,對相關(guān)概念和知識進行了介紹和闡述;同時,根據(jù)彈性力學的發(fā)展歷程,系統(tǒng)、條理地給出了其研究方法。全書共9章,涵蓋了彈性力學的發(fā)展歷史、數(shù)學基礎、基本概念、方程組建立及求解原理、經(jīng)典例題、數(shù)值方法、實驗方法等內(nèi)容。
彈性力學是力學、機械、土木、航空航天等專業(yè)的基礎課。作為一門基礎課的教材,一方面要準確、生動地介紹課程相關(guān)的概念和知識,為讀者后續(xù)的學習奠定基礎; 另一方面,還需要系統(tǒng)、條理表述本學科的研究方法,便于讀者在后續(xù)的工作中借鑒和使用。
在闡述彈性力學基本概念時,教材注重科學(彈性力學)和技術(shù)(工程)的結(jié)合。以第7章彈性力學的經(jīng)典例題為例,教材首先介紹其工程背景,說明“從哪兒來”; 然后在此基礎上抽象出物理模型; 在數(shù)學求解之后,則給出求解結(jié)果的工程應用,指出“到哪兒去”。每個例題的內(nèi)容,體現(xiàn)了“認識世界”到“改造世界”的過程。書中各章的內(nèi)容都給出了大量的工程實例。
在介紹彈性力學的求解方法時,教材注重闡述整個求解思路。首先,通過介紹彈性力學及其經(jīng)典例題的發(fā)展歷史來體現(xiàn): 較詳細地介紹了科學家如何尋求和定義合適的物理量,如何建立不同形式的方程,以及如何采用不同的化簡方法來求解的歷史,還原了彈性力學的發(fā)展歷程。其次,通過章節(jié)安排來體現(xiàn): 先介紹基本物理量(第3章),再介紹方程組(第5章),再重點介紹如何簡化求解的過程(第6章)。彈性力學的發(fā)展歷史和求解方法的演變,實際上折射出科學研究的過程和方法,以期讀者能夠從中受益。
教材還注重和其他學科的交叉和融匯。除第2章外,在每章內(nèi)容中增加“重點概念闡釋及知識延伸”部分,將本章涉及的重點概念進行深入內(nèi)涵地解釋或證明,將本章涉及的其他學科的知識點也進行了介紹、對比、關(guān)聯(lián),以期起到學科間的交叉和融會貫通、擴展視野的作用。
本書同時采用多種方式來表達課程內(nèi)容。在每章中盡量安排框圖來表達各部分內(nèi)容的邏輯關(guān)系; 通過曲線、云圖、照片等表達求解結(jié)果; 對于經(jīng)典例題,通過多種求解方法來介紹,以期加深讀者的印象。
北京航空航天大學能源與動力工程學院航空推進系的部分博士生和碩士生參加了本書的文字、圖片的輸入和整理工作,在此表示感謝!他們是博士生: 張鍇,陳霞,黃大偉,陳操,劉志偉,李達,高曄,張龍,毛建興,蔣康河; 碩士生: 任軍,朱暢,高偉思,楊寶鋒,楊藝,聶超,張順杰。
在本書作為講義使用階段,北京航空航天大學能源與動力工程學院2012級本科生對書中的內(nèi)容提出了大量的建議,在此表示感謝!
限于作者水平,疏漏和不足之處難免,懇請讀者指正!
編者2015年春
第1章緒論
1.1概述
1.2發(fā)展歷史
1.3基本假設
1.4研究方法
1.5與其他力學課程的關(guān)系
1.6本書內(nèi)容安排
1.7重點概念闡釋及知識延伸
1.7.1連續(xù)介質(zhì)
1.7.2彈性力學建模中的物理量
1.7.3各向同性與各向異性
1.7.4彈性力學與材料力學的對比例子
1.7.5巴黎綜合理工學院對彈性力學發(fā)展的貢獻
思考題
習題
參考文獻
第2章數(shù)學基礎
2.1概述
2.2坐標系
2.3標記方法
2.3.1指標記法
2.3.2求和約定
2.3.3微分標記法
2.4標量與矢量
2.5坐標變換
2.6張量
2.7常用張量
2.7.1Kronecker符號
2.7.2交錯張量(εijk符號)
2.8張量相關(guān)運算及法則
2.8.1張量的性質(zhì)
2.8.2二階張量特征值及不變量
2.8.3各向同性張量
思考題
習題
參考文獻
第3章應力與應變
3.1概述
3.2外力
3.3應力
3.3.1應力矢量
3.3.2應力張量
3.3.3主應力
3.3.4八面體應力
3.3.5應力球張量和應力偏張量
3.3.6平衡方程
3.3.7應力小結(jié)
3.4應變
3.4.1位移
3.4.2應變張量
3.4.3位移與應變關(guān)系
3.4.4主應變
3.4.5八面體應變
3.4.6應變球張量和應變偏張量
3.4.7變形協(xié)調(diào)方程
3.4.8應變小結(jié)
3.5重點概念闡釋及知識延伸
3.5.1體力與面力的尺寸效應
3.5.2大變形下的幾何方程
3.5.3用位移表達的平衡方程
3.5.4應力張量的證明
3.5.5靜止流體的應力狀態(tài)
思考題
習題
參考文獻
第4章彈性本構(gòu)方程
4.1概述
4.2廣義胡克定律
4.2.1應力應變關(guān)系
4.2.2彈性常數(shù)張量
4.3各向異性彈性體
4.3.1一般各向異性彈性體
4.3.2具有一個對稱面的彈性體
4.3.3具有兩個對稱面的彈性體
4.3.4橫向各向同性彈性體
4.4各向同性彈性體
4.4.1彈性常數(shù)的簡化
4.4.2各向同性彈性常數(shù)的測定
4.5重點概念闡釋及知識延伸
4.5.1脆性材料與韌性材料
4.5.2溫度對本構(gòu)方程的影響
4.5.3脆性材料的單軸性能測試
4.5.4牛頓流體的本構(gòu)方程
4.5.5復合材料及其本構(gòu)方程
4.5.6形狀記憶合金及其本構(gòu)方程
思考題
習題
參考文獻
第5章方程組求解方法與原理
5.1概述
5.2基本方程
5.3邊值問題及邊界條件
5.3.1應力邊界條件
5.3.2位移邊界條件
5.3.3混合邊界條件
5.4邊值問題求解方法
5.4.1應力法
5.4.2位移法
5.5疊加原理
5.6圣維南原理
5.7重點概念闡釋及知識延伸
5.7.1解的唯一性證明
5.7.2疊加原理證明
5.7.3有限元計算邊界條件施加
5.7.4應力解法中的方程個數(shù)
思考題
習題
參考文獻
第6章方程組的化簡與求解
6.1概述
6.2平面問題
6.2.1平面應力
6.2.2平面應變
6.2.3平面問題直角坐標求解
6.2.4平面問題極坐標求解
6.2.5平面軸對稱問題
6.3柱體扭轉(zhuǎn)
6.3.1基本假設
6.3.2等截面柱體扭轉(zhuǎn)的位移解法
6.3.3等截面柱體扭轉(zhuǎn)的應力解法
6.4薄板彎曲
6.4.1基本假設
6.4.2薄板彎曲的位移解法
6.4.3薄板內(nèi)力
6.4.4邊界條件
6.5重點概念闡釋及知識延伸
6.5.1位移函數(shù)
6.5.2應力函數(shù)的復變函數(shù)形式
6.5.3流體力學中的勢函數(shù)
6.5.4柱體扭轉(zhuǎn)的薄膜比擬
6.5.5基爾霍夫在其他學科的貢獻
思考題
習題
參考文獻
第7章經(jīng)典例題求解
7.1概述
7.2深梁彎曲問題
7.2.1工程背景
7.2.2物理模型
7.2.3求解過程
7.2.4結(jié)果分析
7.2.5工程應用
7.3旋轉(zhuǎn)圓盤應力分布
7.3.1工程背景
7.3.2物理模型
7.3.3求解過程
7.3.4結(jié)果分析
7.3.5工程應用
7.4小孔應力集中
7.4.1工程背景
7.4.2物理模型
7.4.3求解過程
7.4.4結(jié)果分析
7.4.5工程應用
7.5等截面柱體扭轉(zhuǎn)
7.5.1工程背景
7.5.2物理模型
7.5.3求解過程
7.5.4結(jié)果分析
7.5.5工程應用
7.6重點概念闡釋及知識延伸
7.6.1強度理論
7.6.2結(jié)構(gòu)靜強度設計
7.6.3應力集中手冊
7.6.4斷裂力學: 結(jié)構(gòu)缺陷/裂紋描述
7.6.5溫度對結(jié)構(gòu)的影響
思考題
習題
參考文獻
第8章數(shù)值方法
8.1概述
8.2有限單元法
8.2.1結(jié)構(gòu)離散化
8.2.2位移場表達
8.2.3應力應變的位移表達
8.2.4單元分析
8.2.5整體分析
8.2.6邊界條件及求解
8.3有限差分法
8.3.1建立差分方程
8.3.2邊界應力函數(shù)求解
8.3.3虛節(jié)點應力函數(shù)求解
8.4重點概念闡釋及知識延伸
8.4.1有限元法的單元類型
8.4.2有限元法的用戶材料子程序
8.4.3經(jīng)典例題的有限元方法求解
8.4.4變分法
8.4.5邊界元法
思考題
習題
參考文獻
第9章實驗方法
9.1概述
9.2應變片測量
9.2.1測量原理
9.2.2測量系統(tǒng)
9.2.3測量實例
9.3光彈性測量
9.3.1測量原理
9.3.2測量系統(tǒng)
9.3.3測量實例
9.4數(shù)字圖像相關(guān)法
9.4.1測量原理
9.4.2測量系統(tǒng)
9.4.3測量實例
9.5重點概念闡釋及知識延伸
9.5.1云紋干涉法
9.5.2激光散斑干涉法
9.5.3全息干涉法
思考題
習題
參考文獻