应力集中系数： K max
与孔的形状有关，是局部现象； （圆孔为最小，其它形状较大）
与孔的大小几乎无关。
2. 孔边应力集中问题的求解
（1）问题：
带有圆孔的无限大板（B >>a），圆 孔半径为 a，在无限远处受有均匀拉应力 q 作用。
求：孔边附近的应力。
HPU
max
（2）问题的求解
问题分析 坐标系： 就外边界（直线），宜用直角坐标；
2 2
r r1r
可假设应力函数为：
f(r)co2s
a
b
r
r
r
q cos2
2
r
qsin2
2
将其代入相容方程：
HPU
r22 1rrr12 2220
d 4 d f( 4 r) r 2 rd 3 d f( 3 r) r r 9 2d 2 d f( 2 r) r r 9 3d d (r) f rc2 o s 0
4
r
q cos2
2
r
qsin2
2
代入应力分量式（e）, 有
r q 2(1a r2 2)1(3ra22)co2s
HPU r q2r 1 3q 2ar(1 44 ca r2 2 o)2s1 (3 ra 22)si2 n （f）
将问题1和问题2的解相加, 得全解：
rq 2(1a r2 2)q 2(1a r2 2)1 (3 ra 2 2)co 2 s
4. 边界条件
位移： 应力：
u v
s s
u v
（2-17）
l(x)s m(xy)s fx
m(y)s l(xy)s fy
（2-18）
例1 如图所示，试写出其边界条件。
q
(1)
x 0,
u v
s s
0 0
u 0, v 0 y x
h
hx
(2) xa, l 1,m0 fx 0, fy 0
l(x)s m(xy)s fx
力作用。即
fx fy 0
AB 边界： l1co1,sm sin 1
由应力边界条件公式，有
l(x)s m(xy)s fx
m(y)s l(xy)s fy
cos1x sin1xy0（1） sin1y cos1xy0
AC 边界：
l2 cos2
m2 sin1
代入应力边界条件公式，有
cos2x sin2xy0（2） sin2y cos2xy0
a
相应的应力分量：
r
1 1
r r r2
2 2
(2B4rC 2 6rD 4)co2s
2
r 2
(1A 22r2B6rD 4)co2s
（e）
r
b
r
r
q cos2
2
r
r
1r
(6A2r2B2 rC 26 rD 4)si2 n r
qsin2
2
对上述应力分量应用边界条件（c）, 有
内边界
r ra 0 外边界 r ra 0
x xh 0
xy
xh
0
右侧面： l1,m0 fx y, fy 0 代入应力边界条件公式，有
对O点的力矩等效：
h h
(
y
)
y0
xdx
P
h 2
sin
x xh y
xy xh 0
x方向力等效：
h
h
(
yx
)
d
y0
x
Pcos
, 上端面： 为次要边界，可由圣维南原理求解。 h
注意：
y xy
y方向力等效：
dy P
2
xl
h
2 h x
dy 0
2
xl
h
2 h x
ydyPl
2
xl
近似满足
结论：式（a）为正确解
§4-9 圆孔的孔边应力集中
圆孔 应力集中：应力集中程度
HPU
ZS《Rock Mass Mechanics》
03.06.2020
ZS
1. 孔边应力集中概念
由于弹性体中存在小孔，使得孔边的应力远大于无孔时的应力， 也远大于距孔稍远处的应力。 称为孔边的应力集中。
q1
q1
q1
q1
x
x
q2 y
y
HPU
q2xΒιβλιοθήκη q2 y（4） 若矩形薄板（或长柱）受双向拉应力 q1、q2 作用 q2
q1
q1
q1
q1
x
x
q2
x
q2 y
y
q2 y
叠加后的应力：
r q 1 2 q 2(1 a r2 2) q 1 2 q 2(1 a r2 2)1 (3 r a 2 2)c2 os
A (r, )
r A
x
A x q
A
r r
b
r r
新问题的边界条件可表示为：
内边界 r ra 0
r ra 0
外边界
r
rb
qqco2s
22
r
rb
qs 2
in2
（a）
将外边界条件（a）分解为两部分：
r
r b
q 2
r rb 0
（b）
r r
rb rb
qcos2
2 qs
（c）
in2
2
a
x
b
r r
就内边界（圆孔），宜用极坐标。
取一半径为 r =b (b>>a），在其上取一 点 A 的应力：
由应力转换公式：
O
rx 2 y x 2 yco 2 sxs y i2 n
q qcos2
y
22
rx 2ysi2 nx y co2s
q sin2
2
原问题转化为：无限大圆板中间开有一圆孔的新问题。
HPU
b
d 4 d f( 4 r) r 2 rd 3 d f( 3 r) r r 9 2d 2 d f( 2 r) r r 9 3d d (r) fr 0 与前面类似， 令： ret(或 tlnr) 有
d4 d f4 (tt) 4d3 d f3 (t) t 4d2 d f2 (tt) 1d 6 d (tf)t0
y( s i)n xy ( c o ) s y s in
右侧面： lco ,smsin xytan
co sxsi nxy 0
fx fy 0
sin yx co sxy 0
例4 图示薄板，在y方向受均匀拉力作用，
证明在板中间突出部分的尖点A处无应
力存在。
解： —— 平面应力问题，在 AC、AB 边界上无面
m(y)s l(xy)s fy
xs0 , xy s0
(3) y h, l0,m1 fx 0, fy q
a y
(4) y h, l0,m1 fx 0, fy 0
xs0xys(1)0 y s(1)xys00
ys0 ,xy s0
xs0xys(1)0 y s(1)xys0q
说明：
x = 0 的边界条件，是有矛 盾的。由此只能求出结果：
ys q ,xy s 0
u0,v0.
例3 图示水坝，试写出其边界条件。
左侧面： lco ,m ssin
xytan
fx ycos fy ysin
由应力边界条件公式，有
l(x)s m(xy)s f x
m(y)s l(xy)s fy
x( c o ) s xy ( s i)n y c os
代入相容方程：
x22 y22(xy)0
x22 y22P I xy0 0
式（a）满足相容方程。
再验证，式（a）是否满足边界条件？
上、下侧边界：
yy h 0 , yx y h 0
2
2 ——
满足
左侧边界：
xx00
——满足
h
2 h xy
dyP ——近似满足
2
x0
右侧边界：
h
2 h xy
y
问题1
a
问题2
a
HPU
b
r q
b
r
qsin2
2
r
q cos2
2
问题1的解：
问题1
内边界
r
ra
0
外边界
r ra 0
该问题为轴对称问题，其解为
r
r b
q 2
（b）
r rb 0
r
1
1
a2
r2 a2
b2
q 2
1
1
a2
r2 a2
b2
q 2
r 0
a
b
r
q 2
当 b>>a 时，有
r
1
a2 r2
q 2
1
h
(
y
)
dx
y0
Psin
必须按正向假设！
上端面：（方法2） 取图示微元体， 由微元体的平衡求得，
Fy 0
h
h y
dxPsin0
y0
h h y
d xPsi n
y0
MO0
h h
y
xdxP hsin0
y0
2
h h
(
y
) y0
xdx
P
h 2
sin
h
Fx 0
h
yx
dx Pco s0
HPU
r
rb
qcos2
2
r
ra
qsin
2
（c）
2B4C6Dq b2 b4 2
问题2 a
6A2b2B2 bC 2 6 bD 4 q 2