弹性力学与有限元分析试题答案

..PAGE优选最新弹性力学与有限元分析复习题及其答案一、填空题1、弹性力学研究弹性体由于受外力作用、边界约束或温度改变等原因而发生的应力、形变和位移。2、在弹性力学中规定，线应变以伸长时为正，缩短时为负，与正应力的正负号规定相适应。3、在弹性力学中规定，切应变以直角变小时为正，变大时为负，与切应力的正负号规定相适应。4、物体受外力以后，其部将发生力，它的集度称为应力。与物体的形变和材料强度直接有关的，是应力在其作用截面的法线方向和切线方向的分量，也就是正应力和切应力。应力及其分量的量纲是L-1MT-2。5、弹性力学的根本假定为连续性、完全弹性、均匀性、各向同性。6、平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。7、一点处的应力分量MPa，MPa，MPa，那么主应力150MPa，0MPa，。8、一点处的应力分量，MPa，MPa，MPa，那么主应力512MPa，-312MPa，-37°57′。9、一点处的应力分量，MPa，MPa，MPa，那么主应力1052MPa，-2052MPa，-82°32′。10、在弹性力学里分析问题，要考虑静力学、几何学和物理学三方面条件，分别建立三套方程。11、表示应力分量与体力分量之间关系的方程为平衡微分方程。12、边界条件表示边界上位移与约束，或应力与面力之间的关系式。分为位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件。13、按应力求解平面问题时常采用逆解法和半逆解法。14、有限单元法首先将连续体变换成为离散化构造，然后再用构造力学位移法进展求解。其具体步骤分为单元分析和整体分析两局部。15、每个单元的位移一般总是包含着两局部：一局部是由本单元的形变引起的，另一局部是由于其他单元发生了形变而连带引起的。16、每个单元的应变一般总是包含着两局部：一局部是与该单元中各点的位置坐标有关的，是各点不一样的，即所谓变量应变；另一局部是与位置坐标无关的，是各点一样的，即所谓常量应变。17、为了能从有限单元法得出正确的解答，位移模式必须能反映单元的刚体位移和常量应变，还应当尽可能反映相邻单元的位移连续性。18、为了使得单元部的位移保持连续，必须把位移模式取为坐标的单值连续函数，为了使得相邻单元的位移保持连续，就不仅要使它们在公共结点处具有一样的位移时，也能在整个公共边界上具有一样的位移。19、在有限单元法中，单元的形函数Ni在i结点Ni=1；在其他结点Ni=0及∑Ni=1。20、为了提高有限单元法分析的精度，一般可以采用两种方法：一是将单元的尺寸减小，以便较好地反映位移和应力变化情况；二是采用包含更高次项的位移模式，使位移和应力的精度提高。二、判断题〔请在正确命题后的括号打“√〞，在错误命题后的括号打“×〞〕1、连续性假定是指整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填满，不留下任何空隙。〔√〕2、均匀性假定是指整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填满，不留下任何空隙。〔×〕3、连续性假定是指整个物体是由同一材料组成的。〔×〕4、平面应力问题与平面应变问题的物理方程是完全一样的。〔×〕5、如果某一问题中，，只存在平面应力分量，，，且它们不沿z方向变化，仅为x，y的函数，此问题是平面应力问题。〔√〕6、如果某一问题中，，只存在平面应变分量，，，且它们不沿z方向变化，仅为x，y的函数，此问题是平面应变问题。〔√〕7、表示应力分量与面力分量之间关系的方程为平衡微分方程。〔×〕8、表示位移分量与应力分量之间关系的方程为物理方程。〔×〕9、当物体的形变分量完全确定时，位移分量却不能完全确定。〔√〕10、当物体的位移分量完全确定时，形变分量即完全确定。〔√〕11、按应力求解平面问题时常采用位移法和应力法。〔×〕12、按应力求解平面问题，最后可以归纳为求解一个应力函数。〔×〕13、在有限单元法中，结点力是指单元对结点的作用力。〔×〕14、在有限单元法中，结点力是指结点对单元的作用力。〔√〕15、在平面三结点三角形单元的公共边界上应变和应力均有突变。〔√〕三、简答题1、简述材料力学和弹性力学在研究对象、研究方法方面的异同点。在研究对象方面，材料力学根本上只研究杆状构件，也就是长度远大于高度和宽度的构件；而弹性力学除了对杆状构件作进一步的、较准确的分析外，还对非杆状构造，例如板和壳，以及挡土墙、堤坝、地基等实体构造加以研究。在研究方法方面，材料力学研究杆状构件，除了从静力学、几何学、物理学三方面进展分析以外，大都引用了一些关于构件的形变状态或应力分布的假定，这就大简化了数学推演，但是，得出的解答往往是近似的。弹性力学研究杆状构件，一般都不必引用那些假定，因而得出的结果就比拟准确，并且可以用来校核材料力学里得出的近似解答。2、简述弹性力学的研究方法。答：在弹性体区域部，考虑静力学、几何学和物理学三方面条件，分别建立三套方程。即根据微分体的平衡条件，建立平衡微分方程；根据微分线段上形变与位移之间的几何关系，建立几何方程；根据应力与形变之间的物理关系，建立物理方程。此外，在弹性体的边界上还要建立边界条件。在给定面力的边界上，根据边界上微分体的平衡条件，建立应力边界条件；在给定约束的边界上，根据边界上的约束条件建立位移边界条件。求解弹性力学问题，即在边界条件下根据平衡微分方程、几何方程、物理方程求解应力分量、形变分量和位移分量。3、弹性力学中应力如何表示？正负如何规定？答：弹性力学中正应力用表示，并加上一个下标字母，说明这个正应力的作用面与作用方向；切应力用表示，并加上两个下标字母，前一个字母说明作用面垂直于哪一个坐标轴，后一个字母说明作用方向沿着哪一个坐标轴。并规定作用在正面上的应力以沿坐标轴正方向为正，沿坐标轴负方向为负。相反，作用在负面上的应力以沿坐标轴负方向为正，沿坐标轴正方向为负。4、简述平面应力问题与平面应变问题的区别。答：平面应力问题是指很薄的等厚度薄板，只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力，同时，体力也平行于板面并且不沿厚度变化。对应的应力分量只有，，。而平面应变问题是指很长的柱形体，在柱面上受有平行于横截面并且不沿长度变化的面力，同时体力也平行于横截面并且不沿长度变化，对应的位移分量只有u和v5、简述圣维南原理。如果把物体的一小局部边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力〔主矢量一样，对于同一点的主矩也一样〕，那么，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。6、简述按应力求解平面问题时的逆解法。答：所谓逆解法，就是先设定各种形式的、满足相容方程的应力函数；并由应力分量与应力函数之间的关系求得应力分量；然后再根据应力边界条件和弹性体的边界形状，看这些应力分量对应于边界上什么样的面力，从而可以得知所选取的应力函数可以解决的问题。7、以三节点三角形单元为例，简述有限单元法求解离散化构造的具体步骤。〔1〕取三角形单元的结点位移为根本未知量。〔2〕应用插值公式，由单元的结点位移求出单元的位移函数。〔3〕应用几何方程，由单元的位移函数求出单元的应变。〔4〕应用物理方程，由单元的应变求出单元的应力。〔5〕应用虚功方程，由单元的应力出单元的结点力。〔6〕应用虚功方程，将单元中的各种外力荷载向结点移置，求出单元的结点荷载。〔7〕列出各结点的平衡方程，组成整个构造的平衡方程组。8、为了保证有限单元法解答的收敛性，位移模式应满足哪些条件？答：为了保证有限单元法解答的收敛性，位移模式应满足以下条件：〔1〕位移模式必须能反映单元的刚体位移；〔2〕位移模式必须能反映单元的常量应变；〔3〕位移模式应尽可能反映位移的连续性。9、在有限单元法中，为什么要求位移模式必须能反映单元的刚体位移？每个单元的位移一般总是包含着两局部：一局部是由本单元的形变引起的，另一局部是本单元的形变无关的，即刚体位移，它是由于其他单元发生了形变而连带引起的。甚至在弹性体的某些部位，例如在靠近悬臂梁的自由端处，单元的形变很小，单元的位移主要是由于其他单元发生形变而引起的刚体位移。因此，为了正确反映单元的位移形态，位移模式必须能反映该单元的刚体位移。10、在有限单元法中，为什么要求位移模式必须能反映单元的常量应变？答：每个单元的应变一般总是包含着两局部：一局部是与该单元中各点的位置坐标有关的，是各点不一样的，即所谓变量应变；另一局部是与位置坐标无关的，是各点一样的，即所谓常量应变。而且，当单元的尺寸较小时，单元中各点的应变趋于相等，也就是单元的应变趋于均匀，因而常量应变就成为应变的主要局部。因此，为了正确反映单元的形变状态，位移模式必须能反映该单元的常量应变。11、在平面三结点三角形单元中，能否选取如下的位移模式并说明理由：〔1〕，〔2〕，答：〔1〕不能采用。因为位移模式没有反映全部的刚体位移和常量应变项；对坐标x，y不对等；在单元边界上的连续性条件也未能完全满足。〔2〕不能采用。因为，位移模式没有反映刚体位移和常量应变项；在单元边界上的连续性条件也不满足。四、分析计算题1、试写出无体力情况下平面问题的应力分量存在的必要条件，并考虑以下平面问题的应力分量是否可能在弹性体中存在。〔1〕，，；〔2〕，，；其中，A，B，C，D，E，F为常数。解：应力分量存在的必要条件是必须满足以下条件：〔1〕在区域的平衡微分方程；〔2〕在区域的相容方程；〔3〕在边界上的应力边界条件；〔4〕对于多连体的位移单值条件。〔1〕此组应力分量满足相容方程。为了满足平衡微分方程，必须A=-F，D=-E。此外还应满足应力边界条件。〔2〕为了满足相容方程，其系数必须满足A+B=0；为了满足平衡微分方程，其系数必须满足A=B=-C/2。上两式是矛盾的，因此，此组应力分量不可能存在。2、应力分量，，，体力不计，Q为常数。试利用平衡微分方程求系数C1，C2，C3。解：将所给应力分量代入平衡微分方程得即由x，y的任意性，得由此解得，，，3、应力分量，，，判断该应力分量是否满足平衡微分方程和相容方程。解：将应力分量，，，代入平衡微分方程可知，应力分量，，一般不满足平衡微分方程，只有体力忽略不计时才满足。按应力求解平面应力问题的相容方程：将应力分量，，代入上式，可知满足相容方程。按应力求解平面应变问题的相容方程：将应力分量，，代入上式，可知满足相容方程。4、试写出平面问题的应变分量存在的必要条件，并考虑以下平面问题的应变分量是否可能存在。〔1〕，，；〔2〕，，；〔3〕，，；其中，A，B，C，D为常数。解：应变分量存在的必要条件是满足形变协调条件，即将以上应变分量代入上面的形变协调方程，可知：〔1〕相容。〔2〕〔1分〕；这组应力分量假设存在，那么须满足：B=0，2A=C。〔3〕0=C；这组应力分量假设存在，那么须满足：C=0，那么，，〔1分〕。5、证明应力函数能满足相容方程，并考察在如以下图的矩形板和坐标系中能解决什么问题〔体力不计，〕。l/2l/2h/2h/2yxO解：将应力函数代入相容方程可知，所给应力函数能满足相容方程。由于不计体力，对应的应力分量为，，对于图示的矩形板和坐标系，当板发生上述应力时，根据边界条件，上下左右四个边上的面力分别为：上边，，，，，；下边，，，，，；左边，，，，，；右边，，，，，。可见，上下两边没有面力，而左右两边分别受有向左和向右的均布面力2b。因此，应力函数能解决矩形板在x方向受均布拉力〔b>0〕和均布压力〔b<0〕的问题。6、证明应力函数能满足相容方程，并考察在如以下图的矩形板和坐标系中能解决什么问题〔体力不计，〕。l/2l/2h/2h/2yxO解：将应力函数代入相容方程可知，所给应力函数能满足相容方程。由于不计体力，对应的应力分量为，，对于图示的矩形板和坐标系，当板发生上述应力时，根据边界条件，上下左右四个边上的面力分别为：上边，，，，，；下边，，，，，；左边，，，，，；右边，，，，，。可见，在左右两边分别受有向下和向上的均布面力a，而在上下两边分别受有向右和向左的均布面力a。因此，应力函数能解决矩形板受均布剪力的问题。7、如以下图的矩形截面的长坚柱，密度为，在一边侧面上受均布剪力，试求应力分量。Oxybqg解：根据构造的特点和受力情况，可以假定纵向纤维互不挤压，即设。由此可知将上式对y积分两次，可得如下应力函数表达式将上式代入应力函数所应满足的相容方程那么可得这是y的线性方程，但相容方程要求它有无数多的解〔全柱的y值都应该满足它〕，可见它的系数和自由项都应该等于零，即，这两个方程要求，代入应力函数表达式，并略去对应力分量无影响的一次项和常数项后，便得对应应力分量为以上常数可以根据边界条件确定。左边，，，，沿y方向无面力，所以有右边，，，，沿y方向的面力为q，所以有上边，，，，没有水平面力，这就要求在这局部边界上合成的主矢量和主矩均为零，即将的表达式代入，并考虑到C=0，那么有而自然满足。又由于在这局部边界上没有垂直面力，这就要求在这局部边界上合成的主矢量和主矩均为零，即，将的表达式代入，那么有由此可得，，，，应力分量为,,虽然上述结果并不严格满足上端面处〔y=0〕的边界条件，但按照圣维南原理，在稍远离y=0处这一结果应是适用的。8、证明：如果体力分量虽然不是常量，但却是有势的力，即体力分量可以表示为，，其中V是势函数，那么应力分量亦可用应力函数表示为，，，，试导出相应的相容方程。证明：在体力为有势力的情况下，按应力求解应力边界问题时，应力分量，，应当满足平衡微分方程〔1分〕还应满足相容方程〔对于平面应力问题〕〔对于平面应变问题〕并在边界上满足应力边界条件〔1分〕。对于多连体，有时还必须考虑位移单值条件。首先考察平衡微分方程。将其改写为这是一个齐次微分方程组。为了求得通解，将其中第一个方程改写为根据微分方程理论，一定存在某一函数A〔x，y〕，使得，同样，将第二个方程改写为〔1分〕可见也一定存在某一函数B〔x，y〕，使得，由此得因而又一定存在某一函数，使得，代入以上各式，得应力分量，，为了使上述应力分量能同量满足相容方程，应力函数必须满足一定的方程，将上述应力分量代入平面应力问题的相容方程，得简写为将上述应力分量代入平面应变问题的相容方程，得简写为9、如以下图三角形悬臂梁只受重力作用，而梁的密度为，试用纯三次的应力函数求解。Oxyg解：纯三次的应力函数为相应的应力分量表达式为,,这些应力分量是满足平衡微分方程和相容方程的。现在来考察，如果适中选择各个系数，是否能满足应力边界条件。上边，，，，没有水平面力，所以有对上端面的任意x值都应成立，可见同时，该边界上没有竖直面力，所以有对上端面的任意x值都应成立，可见因此，应力分量可以简化为，，斜面，，，，没有面力，所以有由第一个方程，得对斜面的任意x值都应成立，这就要求由第二个方程，得对斜面的任意x值都应成立，这就要求〔1分〕由此解得〔1分〕，从而应力分量为,,设三角形悬臂梁的长为l，高为h，那么。根据力的平衡，固定端对梁的约束反力沿x方向的分量为0，沿y方向的分量为。因此，所求在这局部边界上合成的主矢应为零，应当合成为反力。可见，所求应力分量满足梁固定端的边界条件。10、设有楔形体如以下图，左面铅直，右面与铅直面成角，下端作为无限长，承受重力及液体压力，楔形体的密度为，液体的密度为，试求应力分量。2g1gyxO解：采用半逆解法。首先应用量纲分析方法来假设应力分量的函数形式。取坐标轴如以下图。在楔形体的任意一点，每一个应力分量都将由两局部组成：一局部由重力引起，应当与成正比〔g是重力加速度〕；另一局部由液体压力引起，应当与成正比。此外，每一局部还与，x，y有关。由于应力的量纲是L-1MT-2，和的量纲是L-2MT-2，是量纲一的量，而x和y的量纲是L，因此，如果应力分量具有多项式的解答，那么它们的表达式只可能是，，，四项的组合，而其中的A，B，C，D是量纲一的量，只与有关。这就是说，各应力分量的表达式只可能是x和y的纯一次式。其次，由应力函数与应力分量的关系式可知，应力函数比应力分量的长度量纲高二次，应该是x和y纯三次式，因此，假设相应的应力分量表达式为,,这些应力分量是满足平衡微分方程和相容方程的。现在来考察，如果适中选择各个系数，是否能满足应力边界条件。左面，，，，作用有水平面力，所以有对左面的任意y值都应成立，可见同时，该边界上没有竖直面力，所以有对左面的任意y值都应成立，可见因此，应力分量可以简化为，，斜面，，，，没有面力，所以有由第一个方程，得对斜面的任意y值都应成立，这就要求由第二个方程，得对斜面的任意x值都应成立，这就要求由此解得，从而应力分量为,,