同济大学弹塑性力学试卷及习题解答.doc

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1、弹塑性力学试卷及习题解答 弹塑性力学试卷 配套教材弹性与塑性力学陈惠发 1是非题(认为该题正确,在括号中打;该题错误,在括号中打。 ) (每小题 2 分) (1 )物体内某点应变为 0 值,则该点的位移也必为 0 值。 ( ) (2 )可用矩阵描述的物理量,均可采用张量形式表述。 ( ) (3 )因张量的分量是随坐标系的变化而变化,故张量本身也应随坐标系变化。 ( ) (4 )弹性的应力和应变张量两者的主方向是一致性,与材料无关的。 ( ) (5 )对于常体力平面问题,若应力函数 满足双调和方程 ,那么,yx,02 由 确定的应力分量必然满足平衡微分方程。 ( )yx, (6 )若某材料在弹性

2、阶段呈各向同性,故其弹塑性状态势必也呈各向同性。 ( ) (7 ) Drucker 假设适合于任何性质的材料。 ( ) (8 )应变协调方程的几何意义是:物体在变形前是连续的,变形后也是连续的。 ( ) (9 )对于任何材料,塑性应变增量均沿着当前加载面的法线方向。 ( ) (10 )塑性应变增量的主方向与应力增量的主方向不重合。P107;226 ( ) 2填空题(在每题的横线上填写必要的词语,以使该题句意完整。 ) (每小题 2 分) (1 )设 ,当 满足_关系43241, yaxayx321,a 时 能作为应力函数。 (2 )弹塑性力学是研究固体受外界因素作用而产生的_的一门学科。 (3

3、 )导致后继屈曲面出现平移及扩大的主要原因是材料_。 (4 ) 平面上的一点对应于应力的失量的 _。P65 (5 )随动强化后继屈服面的主要特征为: _。 (6 )主应力轴和主应变轴总是重合的材料为_。P107 (7 )相对位移张量 通常_对称的,对于小变形问题由此引起的位移含ij _ _。P75 、76 (8 )若 ,请分别简述 的真正含义及对应的强化描述:0kfijij ,kij _ _ 。 P236238 3选择题(分别为 3,3,4 分) (1 )对不可压缩的弹性体,有性质( ) 。P104 A 且 B 且0zyx.50zyx.5 C 且 Dz 0zyxz (2 )在与三个应力主轴成相

4、同角度的斜面上,正应力 ( ) 。P41;50;53N A B C D291I13I3212I (3 )倘若将塑性功增量表述为 ,则其有效应力 和有效应变 应分别为pepdWepd ( ) 。P227、228 ;239241; A B pijdJ,32 pijijS32, C Dpij,2 pijijd, 4计算分析题 1现已知一点的应力张量为 。 (14 分)P70习题 2.2 4152123ij 求:(1)主应力及其主方向; P43、44 (2 )应力不变量的 、 和 ;P411I23I (3 )八面体正应力与剪应力。P50 、51 (应力单位) 2证明在弹性应力状态下,式 成立。 (10

5、 分)8821G P50;83;103 ; 3习题 5.1 所示结构由 4 根横截面均为 A/4 的竖直杆和一根水平刚性梁组成,竖杆为理想 弹塑性材料,杆 1 的屈服应力为 ,杆 2 的屈服应力为 ,设各杆材料常数 E 相同,并0102 设 ,试求 P192习题 5.102 (a )在单调加载下的弹性极限荷载 ,各杆均进入塑性时的最大荷载 ,相应于 的dPpPd 铅垂变形 和相应于 的铅垂变形 。euppu (b)若各竖杆的应变 u/L 达到 后卸载,确定当 P 完全卸去后和竖杆的残余应力和E/20 残余应变。 P177例 5.2 4在简单拉伸试验中材料的应力应变关系为 30Epe 其中, 为

6、初始屈服应力,材料常数 ,就下面两种情况,MPa20 MPa20 求先施应变至 时逆向加载的应力应变关系。.p (a )随动强化; (b)各向同性强化。 P186例 5.3 本教材习题和参考答案及部分习题解答 第二章 2.1 计算:(1) ,(2) ,(3) 。piqjkpqijkeAijpkliljeB 答案 (1) ; 答案 (2) ;pqijkpqeA 解:(3) 。()liljikjliljkiljijjiB 2.2 证明:若 ,则 。ija0ea (需证明) 2.3 设 、 和 是三个矢量,试证明:bc2,bca 证:因为 , 12311223iiiiiiiiiaccbabcbc 所

7、以 即得 123112212331231223detdet( )iiiiiiiiia abcb bcc caabc 。 12113223,iiiiibaacba ab 2.4 设 、 、 和 是四个矢量,证明:cd()()()bd 证明: a 2.5 设有矢量 。原坐标系绕 轴转动 角度,得到新坐标系,如图 2.4 所示。试求矢量 在新坐iuez u 标系中的分量。 答案: ,12cosinu ,2u 。3 2.6 设有二阶张量 。当作和上题相同的坐标变换时,试求张量 在新坐标系中的分量 、ijjTe T1T 、 和 。123 提示:坐标变换系数与上题相同。 答案: 图 2 . 4 ozyxu

8、 ,121212cossinTT ,12 ,323cosin 。T 2.7 设有 个数 ,对任意 阶张量 ,定义n12niAm12mjB 12 12nmij jCB 若 为 阶张量,试证明 是 阶张量。12ij12niA 证:为书写简单起见,取 , ,则 2.8 设 为二阶张量,试证明 。trI 证: 2.9 设 为矢量, 为二阶张量,试证明:aA (1) ,(2)()Ta()TaA 证:(1) ()Tjijkjikjnaee Tjikjnnjine 。e 证:(2) ()TaA 2.10 已知张量 具有矩阵 123456789 求 的对称和反对称部分及反对称部分的轴向矢量。T 解: 2.11

9、 已知二阶张量 的矩阵为310T 求 的特征值和特征矢量。 解: 2.12 求下列两个二阶张量的特征值和特征矢量: ,AImBnm 其中, 和 是实数, 和 是两个相互垂直的单位矢量。 解:因为 ,()() 所以 是 的特征矢量, 是和其对应的特征值。设 是和 垂直的任意单位矢量,则有amaIa 所以和 垂直的任意单位矢量都是 的特征矢量,相应的特征值为 ,显然 是特征方程的重根。A 令 , ,21()mne31()2ne123e= 则有 ,23()+23()+ 上面定义的 是相互垂直的单位矢量。张量 可以表示成ieB1230B+e 所以,三个特征值是 1、0 和1,对应的特征矢量是 、 和

10、。3e12 2.13 设 和 是矢量,证明:ab (1) 2()()a (2) ()ba 证:(1) (2) 2.14 设 ,求 及其轴向矢量。23213xyzxzaee1()w 解: ()wa 23232111 1()()yzzxee 2366xzxe 由上式很容易得到轴向矢量,也可以按下面的方法计算轴向矢量 。22111 322()()zza 2.15 设 是一闭曲面, 是从原点 到任意一点的矢径,试证明:SrO (1)若原点 在 的外面,积分 ;30Sdrn (2)若原点 在 的内部,积分 。34S 证:(1)当 时,有0r (b)33()()ix 因为原点在 的外面,上式在 所围的区域

11、 中处处成立,所以由高斯公式得SV 。33()0SVdvrrn (2)因为原点在 的内部,所以必定存在一个以原点为球心、半径为 的球面 完全在 的内部。aS 用 表示由 和 所围的区域,在 中式(b)成立,所以S 3333()0SSSVddrrr n 即 33SSn 在 上, , ,于是ra/nr 。332214SSSSdda 2.16 设 ,试计算积分 。式中 是球面 在13()yxzyfee()dSfn22xyza 平面的上面部分. 解:用 表示圆 ,即球面 和 平面的交线。由 Stokes 公式得c22a22xyzaxy 。() 0Sccdydfnfr= 第三章 3.1 设 是矢径、 是

12、位移, 。求 ,并证明:当 时, 是一个可逆 的二阶张量。rurudr,1iju=dr 解: dI 的行列式就是书中的式(3.2),当 时,这一行列式大于零,所以 可逆。rI ,ij dr 3.2 设位移场为 ,这里的 是二阶常张量,即 和 无关。求应变张量 、反对称张量uArAr 及其轴向矢量 。()/2 解: , , ,1()T1()2T ijkklxxee 2jkimkiljkimkijimAAe 3.3 设位移场为 ,这里的 是二阶常张量,且 。请证明:ur,1iju= (1)变形前的直线在变形后仍为直线; (2)变形前的平面在变形后仍然是一个平面; (3)变形前的两个平行平面在变形后

13、仍为两个平行的平面。 证:(1)方向和矢量 相同且过矢径为 的点的直线方程可以写成a0r (1)0tr 其中 是可变的参数。变形后的矢径为 (2)()uArI 用 点积式(1)的两边,并利用式(2),得I 0()tra 上式也是直线方程,所表示的直线和矢量 平行,过矢径为 的点。所以变形前的()IAa0()IAr 直线变形后仍然是直线。 (2)因为 ,所以 可逆。记 ,则,1iju=I1B (3)()rIAr 变形前任意一个平面的方程可以表示成 (4)ca 其中 是和平面垂直的一个常矢量, 是常数。将式(3)代入式(4),得c (5)()Br 上式表示的是和矢量 垂直的平面。所以变形前的平面在

14、变形后仍然是平面。a (3)变形前两个平行的平面可以表示成 ,1c2 变形后变成 ,()r2()cr 仍是两个平行的平面。 3.4 在某点附近,若能确定任意微线段的长度变化,试问是否能确定任意两条微线段之间夹角的变化;反 之,若能确定某点附近任意两条微线段之间的夹角变化,试问能否确定任意微线段的长度变化。 答案:能;能。 3.5 设位移场为 ,其中 是二阶常张量, 和 是两个单位矢量,它们之间的夹角为 。求变uArnm 形后 的减小量。 答案: 。1()ctg()sinTA 3.6 设 和 是两个单位矢量, 和 是两个微小的矢量,变形前它们所张的平行四边mdrr 形面积为 ,试用应变张量把变形

15、时它的面积变化率 表示出来,其中 是面积变Adr /AA 形前后的改变量。 解:变形后, 和 变成 ,r rr 对上面两式进行叉积,并略去高阶小量,得 ddr 对上式两边进行自身点积,略去高阶小量,得 ()()r (a)2()()2()()ddrrrr 注意到 2()()dAAr 2r 所以,从式(a)可得 ()()()()ddArrr ()nmnm 利用习题 2.4 中的等式,上式也可写成 21()A 3.7 设在一个确定的坐标系中的应变分量为 ,让坐标系绕 轴转动 角,得一个新的坐标系,求在新ijz 坐标系中的应变分量。 答案: ,cos2in2xyxyxy ,xyxyy xy ,sinc

16、sxyxy xy , ,cozyzincoszxzyzz 3.8 在 平面上, 、 、 和 轴正方向之间的夹角分别为 、 、 ,如图 3.9 所示,OabO0612 这三个方向的正应变分别为 、 和 。求平面上任意方向的相对伸长度 。abc n 答案: 2os23()sinabcbccn 3.9 试说明下列应变分量是否可能发生: , , ,2xay2xyza , ,zb2zb0xy 其中 和 为常数。 解: 3.10 确定常数 , , , , , , 之间的关系,使下列应变分量满足协调方程0A10B10C12 ,24()xyx ,01y ,22xC abcOxy6012图 3 . 9 。0zx

17、zy 解: 3.11 若物体的变形是均匀的,即应变张量和空间位置无关,试写出位移的一般表达式。 解:(由于应变张量 和空间位置无关,所以书中的式(3.36a)简化成) 3.12 设 , , , ,其中 , , 是常量,求位移的一般表达式。xaybzc0xyzxabc 解: 第四章 4.1 已知物体内一点的六个应力分量为: , , , , ,50xay30za75yz80zxa5xy 试求法线方向余弦为 , , 的微分面上的总应力 、正应力 和剪应力 。12n12132nTnn 答案: 总应力 。213.8T 正应力 。6.04nia 剪应力 。27n 4.2 过某点有两个面,它们的法向单位矢量

18、分别为 和 ,在这两个面上的应力矢量分别为 和 ,试nm1T2 证 。12m 证:(利用应力张量的对称性) 4.3 某点的应力张量为 012xyxzyzxyz 且已知经过该点的某一平面上的应力矢量为零,求 及该平面的单位法向矢量。y 解:设要求的单位法向矢量为 ,则按题意有in 0ijn 即 , , (a)231230y120 上面第二式的两倍减去第一式和第三式,得 2()y 上式有两个解: 或 。若 ,则代入式(a)中的三个式子,可得 ,这是不ny2n1n30 可能的。所以必有 。将 代入式(a),利用 ,可求得11in 。1236e 4.4 基础的悬臂伸出部分具有三角柱体形状,见图 4.8

19、,下部受均匀压力作用,斜面自由,试验证应力分 量 2(arctg)xyxAC 2(arctg)yyxAB ,0zyxz2xyA 满足平衡方程,并根据面力边界条件确定常数 、 和 。ABC 解:将题中的应力分量代入平衡方程,可知它 们满足平衡方 程。 在 的边界上,有边界条件0y ,()q0()xy 所给的应力分量 自动满足上面的第二个条件。将 的表达式代入上面的第一个条件,得y (1)AB 在上斜面上,有 ,所以斜面上的应力分量可以简化成tg , ,(sinco)x C(sinco)xAB , (2)2y0zyz 斜面上的外法向方向余弦为 , , (3)1si2s3n 将式(2)和(3)代入边

20、界条件 ,得ij (4) 0(sincos)s0CAAB 联立求解(1)和(4),得 , ,tgqtC 4.5 图 4.9 表示一三角形水坝,已求得应力分量为 , , ,xabycxdy0z ,0yza 和 分别是坝身和水的比重。求常数 、1 、 、bcd ,使上述应力分量满足边界条件。 解:在 的边界上,有边界条件x ,01()y0()xy 将题中的应力分量代入上面两式,可解得: ,0a。1 在左侧的斜面上, ,外法向方向余弦为tg , ,1cosn2sin3 把应力分量和上面得到的有关结果代入边界条件 ,可解得: ,ijn21ctgd 。1tg(t) 4.6 物体的表面由 确定,沿物体表面

21、作用着与其外法向一致的分布载荷 ,试写出,0fxyz (,)pxyz 其边界条件。 解:物体表面上任意一点的外法向单位矢量为 或 fn,iikfn 按题意,边界条件为 p 因此 即 fffp 上式的指标形式为 xyOq 图 4 . 8 O 1yx 图 4 . 9 。,ijifp 4.7 如图 4.10 所示,半径为 的球体,一半沉浸在密度为 的液体内,试写出该球的全部边界条件。a Oz 图 4 . 1 0 解:球面的外法向单位矢量为 或 ixarneiixna 当 时,有边界条件0z 即 或 。r0ij 当 时,球面上的压力为 ,其中 为重力加速度,边界条件为gz 即 或 。gznrijixg

22、z 4.8 物体的应力状态为 ,其中 为矢径 的函数。(1)证明物体所受的体积力是有势力,即存在ijijr 一个函数 ,使 ;(2)写出物体表面上的面力表达式。f 解:(1)应力场必须满足平衡方程,所以 ,iifIe 所以,只要令 ,就有 。f (2)表面上的面力为 或 。TnijTn 4.9 已知六个应力分量 中的 ,求应力张量的不变量并导出主应力公式。ij30 解:应力张量的三个不变量为: , , 。1xyI22xyxI30I 特征方程是 321 22()I 上式的三个根即三个主应力为 和0 2xyxyxy 4.10 已知三个主应力为 、 和 ,在主坐标系中取正八面体,它的每个面都为正三角

23、形,其法向单123 位矢量为 , ,13n23n 求八面体各个面上的正应力 和剪应力 。00 解: ,0123()ij , ,ijinTe2213inT 。222200131()()()3 4.11 某点的应力分量为 , ,求:3013 (1)过此点法向为 的面上的正应力和剪应力;12()ne (2)主方向、主应力、最大剪应力及其方向。 解:(1) ,123()ijinTee 。224 正应力为 。n 剪应力为 。20n 由此可知, 是主应力, 是和其对应的主方向。123()e (2)用 表示主应力,则 2()0 所以,三个主应力是 , 。由上面的结论可知,和 对应的主方向是 ,又因1231n 为 是重根,所以和 垂直的任何方向都是主方向。23n

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