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深入辨析:内力、应力与应变的概念差异

  2026-01-21 阅读:2

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在力学分析中,内力、应力与应变是三个紧密关联却又截然不同的基础概念。理解它们之间的区别,对于掌握材料力学至关重要。

一、内力的基本内涵

1. 定义解析

内力,特指物体因受到外部载荷作用,在其内部相邻部分之间产生的相互作用力,这种力也被称为附加内力。与之相对,直接施加在物体上的力则称为外力。

任何物体都由无数微粒构成,微粒间原本就存在相互作用力。当外力作用于物体使其发生形变时,内部微粒的相对位置随之改变,微粒间的相互作用力也因此发生变化。这个由外力引发的作用力改变量,就是我们所说的内力。

2. 求解方法——截面法

内力存在于物体内部,要对其进行计算,需要采用“截面法”使其显露出来。该方法的核心步骤如下:

  • 假想截开:在需要求解内力的截面位置(通常是横截面),假想地将构件切开。

  • 内力替代:取其中一部分作为研究对象,舍弃部分对保留部分的作用,用作用在截面上的相应内力(力或力偶)来等效代替。

  • 平衡分析:对保留部分建立静力平衡方程,根据已知的外力来求解截面上的未知内力。

通过将截面上连续分布的内力系向截面形心简化,可以得到一个主矢和一个主矩。进一步将它们沿坐标轴分解,通常能得到六个分量:沿轴线方向的轴力、在截面内的两个剪力分量、绕轴线的扭矩以及在截面平面内的两个弯矩分量。这六个分量是内力的合力或合力矩形式,它们分别对应着杆件的拉伸压缩、剪切、扭转和弯曲等基本变形形式。

二、应力的核心概念

应力描述的是内力在截面上的分布密集程度,它是针对“点”而言的。要定义一点处的应力,需要围绕该点取一个微小的面积。作用在这个微面积上的内力合力与该微面积的比值,在面积趋于无穷小时的极限,即为该点的总应力(或全应力)。

总应力是一个矢量,其方向通常不与截面垂直或平行。为了分析方便,常将其分解为两个分量:垂直于截面的分量称为正应力,与截面相切的分量称为切应力(或剪应力)。

应力的国际单位是帕斯卡(Pa),工程中常用兆帕(MPa)或吉帕(GPa)。

三、位移、变形与应变

1. 位移

位移是指物体变形前后,其内部某一点位置发生的变化。在材料力学中,位移包括线位移(点的直线移动距离)和角位移(截面的转动角度)。

2. 变形

变形是指物体在外力作用下,其整体尺寸和几何形状发生的改变。

3. 应变

应变是度量物体内某一点处变形程度的物理量,它同样是针对“点”来定义的,主要分为两类:

  • 线应变:用于度量一点处沿某一方向尺寸的改变程度。它定义为该点处某一线段长度的改变量与原长度的比值,当线段长度趋于无穷小时的极限。

  • 角应变(剪应变):用于度量一点处形状的改变程度,具体定义为该点处两个原本相互垂直的微线段所夹角度的改变量。

综上所述,内力是截面上的合力效应,应力是内力在点上的分布强度,而应变则是描述点处几何形状改变的量度。三者层层递进,共同构成了材料力学分析变形体受力与变形的核心框架。

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