1.1 弹性力学的内容
任何材料在受到外力、温度变化等因素的作用下,都会产生变形。如果去除引起变形的因素之后,材料会恢复原状,就称这种材料是弹性的。弹性力学是研究弹性固体在外部因素作用下而产生的应力分布和变形规律的一门学科。
在现代的工程实践中,常常要求人们对结构或其部件在外力等因素作用下的内力分布和变形作出比较精细的分析。而大部分工程材料在使用的条件下可以近似地看成弹性固体,所以弹性力学是一门应用极其广泛的学科。事实上,几乎所有工程技术领域,如土木工程、机械工程和航空航天工程等,都会涉及到弹性力学的问题。
材料力学和结构力学也分析结构在弹性范围内的应力和变形问题。但是,材料力学主要研究杆状构件,即一个方向的尺寸远大于其他两个方向尺寸的物体。结构力学则研究杆件组成的结构。虽然材料力学和结构力学在工程设计分析中非常重要,但是,对于非杆状结构,如板壳、堤坝等,就无能为力了,这时,必须用弹性力学知识来分析研究。在材料力学中,为了简化计算,根据直观经验对杆件的应力分布和变形作了一些假设,由此得到的结果必然是近似的,只能在一定的范围内适用。用弹性力学的方法研究杆件时,对应力分布和变形不作任何假设,所得结果是精确的,因此,可用来确定材料力学所得结果的精度和适用范围。
用弹性力学方法分析具体问题时,一般需要求解偏微分方程的边值问题。除了少数问题外,在大多数情况下,我们无法求出问题的精确的解析解,这大大地限制了弹性力学的应用范围。由于当代计算机技术和数值计算方法的发展,现在,我们可用数值方法来分析几乎所有弹性力学问题,得出足够精确的数值解,这极大地拓展了弹性力学的应用范围。这些计算方法包括有限差分法、加权残值法、边界单元法和有限单元法等。目前,应用最广泛的是有限单元法。事实上,几乎所有通用力学和结构分析软件所用的方法都是有限单元法。
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