
平面应力(Plane Stress)是材料力学和弹性力学中的重要概念,指物体内所有应力分量均平行于某一平面(如xy平面),且垂直于该平面的应力分量(如σₓ、τₓₓ、τₓᵧ)为零的应力状态。其核心特征为:
定义与数学表达
在平面应力状态下,应力张量简化为三个非零分量:σₓ(x方向正应力)、σᵧ(y方向正应力)和τₓᵧ(剪应力)。垂直于xy平面的应力分量满足:
$$ sigmaz = 0, quad tau{xz} = 0, quad tau_{yz} = 0 $$
这一简化使三维问题转化为二维分析,显著降低计算复杂度。
典型应用场景
常见于薄板结构(如金属薄板、薄膜)承受面内载荷时。例如:
与平面应变的区别
平面应力假设厚度方向应力为零,而平面应变(Plane Strain)假设厚度方向应变为零(εₓ=0),适用于厚壁结构(如大坝、重型齿轮)。两者控制方程不同,需根据实际几何条件选择模型。
工程意义
该模型广泛应用于机械设计、土木工程及微电子器件的强度校核,例如通过有限元分析(FEA)预测薄板结构的疲劳寿命或屈曲临界载荷。
权威参考来源:
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平面应力是固体力学中的基本概念,指研究对象在特定条件下仅在一个平面内存在应力分量,而垂直该平面的应力可忽略的现象。以下从定义、特征、数学表达和应用场景等方面进行详细解释:
平面应力适用于薄板结构(厚度远小于其他两个方向尺寸),其受力特点为:
平面应力状态下,仅存在平面内的应力分量: $$ sigma_x, quad sigmay, quad tau{xy} $$ 其中$sigma_x$、$sigmay$为法向应力,$tau{xy}$为剪切应力,且所有应力均为坐标$x$和$y$的函数,与$z$无关。
平面应力与平面应变常被对比:
例如,分析带孔薄板受拉时,孔边会出现应力集中现象,需采用平面应力模型计算局部应力分布。此时模型忽略厚度方向应力,仅关注平面内的$sigma_x$、$sigmay$和$tau{xy}$变化。
通过以上分析可知,平面应力是简化三维问题的有效方法,特别适用于薄板类结构的力学分析,在工程设计中具有重要应用价值。
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