
【化】 plane strain
flat; plane; surface
【医】 flat; plane; planum
meet an emergency
【化】 strain
【医】 strain; straining
平面应变(Plane Strain)是固体力学中描述材料变形状态的专业术语,特指三维物体在某一方向(通常为厚度方向)的应变分量可忽略不计的二维简化模型。该概念广泛应用于土木工程、地质力学和机械结构分析领域。
从数学定义角度,平面应变状态的应变张量可表示为: $$ begin{cases} varepsilonz = 0 gamma{xz} = gamma_{yz} = 0 end{cases} $$ 其中z轴为受限方向,该公式源自经典弹性力学教材《Theory of Elasticity》第3章。
工程应用中,平面应变假设适用于以下场景:
该概念与平面应力状态形成对比:平面应变关注厚度方向的应变约束,而平面应力强调厚度方向的应力为零。这种差异在《工程力学学报》2020年第5期的对比研究中得到系统阐述。
国际材料测试协会(ASTM)E8/E8M标准指出,平面应变条件对断裂韧性测试尤为重要,特别是在评估金属材料的裂纹扩展阻力时,该模型能准确预测III型应力强度因子。
平面应变是材料力学和工程力学中的重要概念,主要用于描述特定条件下物体的应变状态。以下是详细解释:
平面应变指物体在受力变形时,某一方向(通常为纵向)的应变分量为零,且所有应变分量仅存在于一个平面内的力学状态。例如,当物体沿z轴方向足够长且受横向约束时(如水坝、长柱体),可简化为平面应变问题,此时应变分量满足: $$ εz = 0, quad γ{xz} = γ_{yz} = 0 $$ 而平面内的应变分量(如$ε_x, εy, γ{xy}$)仅与x、y坐标相关。
平面应变问题的基本条件包括:
特征 | 平面应变 | 平面应力 |
---|---|---|
适用对象 | 长柱体或厚结构(如水坝) | 薄板结构(如薄板受拉) |
应变分量 | $ε_z=0$,平面内应变非零 | $σ_z=0$,平面内应力非零 |
应力分量 | $σ_z$可能存在(由约束产生) | $σ_z=0$ |
平面应变问题在有限元分析中常采用PLANE82等单元类型进行模拟,且根据材料行为可分为线性(应变-应力呈比例)和非线性(需刚度矩阵描述)两种情况。
如需进一步了解实际工程案例或公式推导,可参考、2、7、9等来源。
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