
平面應力(Plane Stress)是材料力學和彈性力學中的重要概念,指物體内所有應力分量均平行于某一平面(如xy平面),且垂直于該平面的應力分量(如σₓ、τₓₓ、τₓᵧ)為零的應力狀态。其核心特征為:
定義與數學表達
在平面應力狀态下,應力張量簡化為三個非零分量:σₓ(x方向正應力)、σᵧ(y方向正應力)和τₓᵧ(剪應力)。垂直于xy平面的應力分量滿足:
$$ sigmaz = 0, quad tau{xz} = 0, quad tau_{yz} = 0 $$
這一簡化使三維問題轉化為二維分析,顯著降低計算複雜度。
典型應用場景
常見于薄闆結構(如金屬薄闆、薄膜)承受面内載荷時。例如:
與平面應變的區别
平面應力假設厚度方向應力為零,而平面應變(Plane Strain)假設厚度方向應變為零(εₓ=0),適用于厚壁結構(如大壩、重型齒輪)。兩者控制方程不同,需根據實際幾何條件選擇模型。
工程意義
該模型廣泛應用于機械設計、土木工程及微電子器件的強度校核,例如通過有限元分析(FEA)預測薄闆結構的疲勞壽命或屈曲臨界載荷。
權威參考來源:
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平面應力是固體力學中的基本概念,指研究對象在特定條件下僅在一個平面内存在應力分量,而垂直該平面的應力可忽略的現象。以下從定義、特征、數學表達和應用場景等方面進行詳細解釋:
平面應力適用于薄闆結構(厚度遠小于其他兩個方向尺寸),其受力特點為:
平面應力狀态下,僅存在平面内的應力分量: $$ sigma_x, quad sigmay, quad tau{xy} $$ 其中$sigma_x$、$sigmay$為法向應力,$tau{xy}$為剪切應力,且所有應力均為坐标$x$和$y$的函數,與$z$無關。
平面應力與平面應變常被對比:
例如,分析帶孔薄闆受拉時,孔邊會出現應力集中現象,需采用平面應力模型計算局部應力分布。此時模型忽略厚度方向應力,僅關注平面内的$sigma_x$、$sigmay$和$tau{xy}$變化。
通過以上分析可知,平面應力是簡化三維問題的有效方法,特别適用于薄闆類結構的力學分析,在工程設計中具有重要應用價值。
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