彈性力學中微元體應力增量的討論

彈性力學中微元體應力增量的討論的圖1

徐芝綸是力學泰斗,他的彈性力學更是力學界經典教材,無數力學人受其恩澤。但筆者在讀2.2節平衡微分方程時,總覺得不夠完美。

如書上所述,增量應力的泰勒級數

彈性力學中微元體應力增量的討論的圖2

為什么可以略去二階微量,真的因為是微量的原因嗎?微量也可以積少成多,不是嗎?所以筆者覺得這里說法不完美。當然,筆者不是說這里的說法是錯的。

首先,復習一下泰勒公式,

彈性力學中微元體應力增量的討論的圖3導數作權,多項式組合,逼近原函數,這就是泰勒公式。

彈性力學中微元體應力增量的討論的圖4

就可以得到上文的增量應力的泰勒級數。但二階及以上微量為什么能略去呢?沒說清楚。

假如應力場函數是線性函數,二階導數為零,那自然可以略去。但應力場函數并不要求是線性函數。

如果教材換一種表達方式,就容易理解了,這是筆者的建議:

彈性力學中微元體應力增量的討論的圖5

這個式子是偏微分的定義,因為是微元體,可以無限小,所以dx趨于0,所以增量應力為:

彈性力學中微元體應力增量的討論的圖6

沒有提到略去微量,也不存在略去微量,能這樣表示的根本原因就是微元體是無限小的。

另外,建立平衡方程的時候,強調平衡方程是建立在變形以前,而不是變形以后。筆者也覺得這樣說不完善筆者認為不管變形前的微元體還是變形后的微元體,只要是微元體,平衡方程的形式都是一樣的。有一種解釋是,之所以不建立在變形后,是因為建立平衡方程等就是為了求變形,這變形還沒求出來,何談在變形后建立平衡方法呢。邏輯上就不行!好像很有說服力,但筆者依然覺得還不夠,不是核心的理由。筆者認為,最根本的理由是:我們只知道變形前的邊界條件,無法考慮變形對邊界條件的影響,只要有變形,邊界條件也就變了,位置、方向、數值,至少有一個是變的,但我們只能使用變形前的邊界條件,所以我們也只能用變形前的位形來建立平衡方程。

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