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--- 弹性力学:弹性体力学问题的建立 [2025/12/05 13:29] – [2. 边界条件 (Boundary Conditions)] 张叶安
+++ 弹性力学:弹性体力学问题的建立 [2025/12/05 13:35] (当前版本) – [5. 物理意义总结] 张叶安
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 .  **从平衡方程出发：**
-    $$ \frac{\partial \sigma_x}{\partial x} + \frac{\partial \tau_{yx}}{\partial y} + \frac{\partial \tau_{zx}}{\partial z} + f_x = 0 $$
+$$ \frac{\partial \sigma_x}{\partial x} + \frac{\partial \tau_{yx}}{\partial y} + \frac{\partial \tau_{zx}}{\partial z} + f_x = 0 $$
 .  **利用本构方程（应力-应变关系）将应力用应变表示：**
-    引入拉梅常数 $\lambda, \mu$ ($\mu = G$)：
-    $$ \sigma_x = \lambda \theta + 2\mu \varepsilon_x, \quad \tau_{xy} = \mu \gamma_{xy} $$
+引入拉梅常数 $\lambda, \mu$ ($\mu = G$)：
-    代入平衡方程。
+$$ \sigma_x = \lambda \theta + 2\mu \varepsilon_x, \quad \tau_{xy} = \mu \gamma_{xy} $$
+代入平衡方程。
 .  **利用几何方程将应变用位移表示：**
-    $$ \varepsilon_x = \frac{\partial u}{\partial x}, \quad \theta = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = \nabla \cdot \mathbf{u} $$
+$$ \varepsilon_x = \frac{\partial u}{\partial x}, \quad \theta = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = \nabla \cdot \mathbf{u} $$
-    $$ \gamma_{xy} = \frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} $$
+$$ \gamma_{xy} = \frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} $$
 .  **代入整理 (以 $x$ 方向为例)：**
-    $$ \frac{\partial}{\partial x}(\lambda \theta + 2\mu \frac{\partial u}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y}[\mu(\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})] + \frac{\partial}{\partial z}[\mu(\frac{\partial w}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial z})] + f_x = 0 $$
-    整理各项：
+$$ \frac{\partial}{\partial x}(\lambda \theta + 2\mu \frac{\partial u}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y}[\mu(\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})] + \frac{\partial}{\partial z}[\mu(\frac{\partial w}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial z})] + f_x = 0 $$
-    $$ \lambda \frac{\partial \theta}{\partial x} + \mu \frac{\partial}{\partial x}(\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z}) + \mu (\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial z^2}) + f_x = 0 $$
-    注意到中间项即为 $\mu \frac{\partial \theta}{\partial x}$，且 $\nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}$。
+整理各项：
+$$ \lambda \frac{\partial \theta}{\partial x} + \mu \frac{\partial}{\partial x}(\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z}) + \mu (\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial z^2}) + f_x = 0 $$
+注意到中间项即为 $\mu \frac{\partial \theta}{\partial x}$，且 $\nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}$。
 **最终结果 (Lamé-Navier 方程):**
 $$
 \begin{cases}
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 \end{cases}
 $$
 矢量形式：$(\lambda + \mu) \nabla (\nabla \cdot \mathbf{u}) + \mu \nabla^2 \mathbf{u} + \mathbf{f} = 0$
-<note>
 位移法将15个方程化简为3个关于位移的二阶偏微分方程。适用于第二类边值问题。若为第一类问题，需将应力边界条件也转化为位移形式。
-</note>
 ==== 3.2 应力解法 (Stress Method) ====
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 .  **从圣维南应变协调方程出发 (以 $xy$ 面为例)：**
-    $$ \frac{\partial^2 \varepsilon_x}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 \varepsilon_y}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 \gamma_{xy}}{\partial x \partial y} $$
+$$ \frac{\partial^2 \varepsilon_x}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 \varepsilon_y}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 \gamma_{xy}}{\partial x \partial y} $$
 .  **代入胡克定律 (应变用应力表示)：**
-    $$ \varepsilon_x = \frac{1}{E}[\sigma_x - \nu(\sigma_y + \sigma_z)], \quad \gamma_{xy} = \frac{2(1+\nu)}{E}\tau_{xy} $$
-    代入上式，并利用 $\sigma_z = \Theta - \sigma_x - \sigma_y$ ($\Theta$ 为第一应力不变量)，经过繁琐的代数运算（详见手写推导图），可得：
+$$ \varepsilon_x = \frac{1}{E}[\sigma_x - \nu(\sigma_y + \sigma_z)], \quad \gamma_{xy} = \frac{2(1+\nu)}{E}\tau_{xy} $$
-    $$ \frac{\partial^2}{\partial y^2}[(1+\nu)\sigma_x - \nu\Theta] + \frac{\partial^2}{\partial x^2}[(1+\nu)\sigma_y - \nu\Theta] = 2(1+\nu)\frac{\partial^2 \tau_{xy}}{\partial x \partial y} $$
+代入上式，并利用 $\sigma_z = \Theta - \sigma_x - \sigma_y$ ($\Theta$ 为第一应力不变量)，经过繁琐的代数运算（详见手写推导图），可得：
+$$ \frac{\partial^2}{\partial y^2}[(1+\nu)\sigma_x - \nu\Theta] + \frac{\partial^2}{\partial x^2}[(1+\nu)\sigma_y - \nu\Theta] = 2(1+\nu)\frac{\partial^2 \tau_{xy}}{\partial x \partial y} $$
 .  **利用平衡方程消除切应力项：**
-    由平衡方程 $\frac{\partial \tau_{xy}}{\partial x} = -f_y - \frac{\partial \sigma_y}{\partial y} - \frac{\partial \tau_{yz}}{\partial z}$ 等关系，对平衡方程求导并代入协调方程，消除混合偏导数项。
+由平衡方程 $\frac{\partial \tau_{xy}}{\partial x} = -f_y - \frac{\partial \sigma_y}{\partial y} - \frac{\partial \tau_{yz}}{\partial z}$ 等关系，对平衡方程求导并代入协调方程，消除混合偏导数项。
 .  **引入不变量 $\Theta$ 的拉普拉斯关系：**
-    通过将三个正应力的协调方程相加，可推导出：
-    $$ \nabla^2 \Theta = -\frac{1+\nu}{1-\nu} \nabla \cdot \mathbf{f} = -\frac{1+\nu}{1-\nu} (\frac{\partial f_x}{\partial x} + \frac{\partial f_y}{\partial y} + \frac{\partial f_z}{\partial z}) $$
+通过将三个正应力的协调方程相加，可推导出：
+$$ \nabla^2 \Theta = -\frac{1+\nu}{1-\nu} \nabla \cdot \mathbf{f} = -\frac{1+\nu}{1-\nu} (\frac{\partial f_x}{\partial x} + \frac{\partial f_y}{\partial y} + \frac{\partial f_z}{\partial z}) $$
 **最终结果 (Beltrami-Michell 协调方程):**
 在体力为常数或零的情况下，方程简化为：
 $$ \nabla^2 \sigma_{ij} + \frac{1}{1+\nu} \frac{\partial^2 \Theta}{\partial x_i \partial x_j} = 0 $$
 其中 $i, j = x, y, z$。
 若考虑一般体力，完整形式为：
 $$ \nabla^2 \sigma_{x} + \frac{1}{1+\nu} \frac{\partial^2 \Theta}{\partial x^2} = -\frac{\nu}{1-\nu} \nabla \cdot \mathbf{f} - 2\frac{\partial f_x}{\partial x} $$
 (其他分量类似)
-<note>
 应力法求解时，必须同时满足：
 .  **3个平衡方程** (在域内)
 .  **6个 Beltrami-Michell 协调方程** (在域内)
 .  **应力边界条件** (在边界上)
 这使得直接用应力法求解三维问题非常困难（9个方程解6个未知数，存在冗余）。
-</note>
 ===== 4. 思考 =====
@@ 行 132: / 行 157: @@
 应力法虽然方程多，但在二维问题（平面应力/平面应变）中，可以通过引入**艾里应力函数 (Airy Stress Function)** $\phi(x,y)$ 来大大简化。通过将应力分量表示为 $\phi$ 的偏导数，可以自动满足平衡方程，此时只需解一个关于 $\phi$ 的双调和方程 ($\nabla^4 \phi = 0$) 即可。
+===== 艾里应力函数求解法 (Airy Stress Function Method) =====
+在求解二维弹性力学问题（平面应力或平面应变问题）时，直接使用应力法求解仍然面临方程多于未知数的情况。为了简化求解过程，G.B. Airy 提出了一种通过引入一个标量函数将方程组降维的方法。
+==== 1. 引入动机与定义 ====
+**动机：**
+在二维问题中（不计体力），我们需要满足两个平衡方程：
+$$
+\frac{\partial \sigma_x}{\partial x} + \frac{\partial \tau_{xy}}{\partial y} = 0, \quad \frac{\partial \tau_{yx}}{\partial x} + \frac{\partial \sigma_y}{\partial y} = 0
+$$
+我们希望找到一种表示应力的方式，使其**自动满足**上述平衡方程，从而将注意力集中在相容方程上。
+**定义：**
+引入一个关于 $x, y$ 的函数 $\phi(x, y)$，称为**艾里应力函数**，定义如下（不计体力）：
+$$
+\sigma_x = \frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2}, \quad \sigma_y = \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2}, \quad \tau_{xy} = -\frac{\partial^2 \phi}{\partial x \partial y}
+$$
+**验证平衡方程：**
+将上述定义代入第一个平衡方程：
+$$ \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2}\right) + \frac{\partial}{\partial y}\left(-\frac{\partial^2 \phi}{\partial x \partial y}\right) = \frac{\partial^3 \phi}{\partial x \partial y^2} - \frac{\partial^3 \phi}{\partial x \partial y^2} \equiv 0 $$
+同理可验证第二个平衡方程也恒成立。
+==== 2. 求解方程：双调和方程 ====
+虽然平衡方程自动满足了，但应力分量还必须满足**变形协调方程**（Compatibility Equation）。
+在二维问题中，Beltrami-Michell 协调方程简化为：
+$$ \nabla^2 (\sigma_x + \sigma_y) = 0 $$
+  * (注：此式适用于不计体力且物体为单连通域的情况)*
+**推导过程：**
+.  计算应力主不变量（第一不变量）：
+$$ \sigma_x + \sigma_y = \frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2} = \left( \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} \right) \phi = \nabla^2 \phi $$
+.  代入协调方程：
+$$ \nabla^2 (\nabla^2 \phi) = 0 $$
+**最终控制方程：**
+即**双调和方程 (Biharmonic Equation)**：
+$$ \nabla^4 \phi = \frac{\partial^4 \phi}{\partial x^4} + 2\frac{\partial^4 \phi}{\partial x^2 \partial y^2} + \frac{\partial^4 \phi}{\partial y^4} = 0 $$
+这意味着，只要找到一个函数 $\phi(x, y)$ 满足双调和方程，由它求导得出的应力分量就既满足平衡条件，又满足变形协调条件。此时，问题转化为根据**边界条件**确定 $\phi$ 的具体形式。
+==== 3. 考虑体力的情况 ====
+若物体受到有势体力（Conservative Body Forces）作用，设体力势为 $V$（即 $f_x = -\frac{\partial V}{\partial x}, f_y = -\frac{\partial V}{\partial y}$），则艾里应力函数的定义修正为：
+$$ \sigma_x = \frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2} + V, \quad \sigma_y = \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2} + V, \quad \tau_{xy} = -\frac{\partial^2 \phi}{\partial x \partial y} $$
+此时的控制方程变为：
+$$ \nabla^4 \phi = -(1-\nu)\nabla^2 V $$
+*(其中 $\nu$ 为泊松比)*
+==== 4. 常用求解策略：逆解法 (Inverse Method) ====
+由于直接解四阶偏微分方程 $\nabla^4 \phi = 0$ 非常困难，弹性力学中常采用**逆解法**。
+  *   **思路：** 预先设定 $\phi$ 为某种形式的函数（通常是多项式），验证它是否满足双调和方程。
+  *   **步骤：**
+  -  选取一个满足 $\nabla^4 \phi = 0$ 的多项式。
+  -  求出对应的应力分量 $\sigma_x, \sigma_y, \tau_{xy}$。
+  -  检查这些应力分量对应什么样的边界上的面力分布。
+  -  如果这正是我们需要解决的物理问题，则该解即为真解（根据唯一性定理）。
+**常见的多项式尝试：**
+^ 多项式次数 ^ $\phi(x,y)$ 形式 ^ 对应物理问题举例 ^
+| **二次** | $A x^2 + B xy + C y^2$ | 均匀拉伸、纯剪切 |
+| **三次** | $A x^3 + B x^2 y + C x y^2 + D y^3$ | 纯弯曲、受重力坝体 |
+| **更高次** | 四次及以上 | 简支梁受均布载荷等复杂情况 |
+==== 5. 物理意义总结 ====
+  *   **统一性：** 在不计体力且单连通域的情况下，平面应力问题和平面应变问题的控制方程都是 $\nabla^4 \phi = 0$。这意味着对于应力边界值问题，两种状态下的应力分布是相同的（与材料常数 $E, \nu$ 无关）。
+  *   **降维打击：** 将含有3个未知函数（$\sigma_x, \sigma_y, \tau_{xy}$）的方程组，转化为求解1个标量函数 $\phi$ 的问题。

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