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【优质】弹性力学平面问题的基本理论.ppt
按应力求解平面问题时,无论是平面应力问题还是平面应变问题,应力分量除了满足平衡微分方程和相容方程外,在边界上还应当满足应力边界条件。 32 §2-10 常体力情况下的简化 可见,在常体力的情况下, 应当满足拉普拉斯微分方程(调和方程), 应当是调和函数。 用记号 代表 ,上式简写为: 常体力下,两种平面问题的相容方程都简化为: 结论 在单连体的应力边界问题中,如果两个弹性体具有相同的边界形状,并受到同样分布的外力,那么,不管这两个弹性体的材料是否相同,也不管它们是在平面应力情况下或是在平面应变情况下,应力分量 、 、 的分布是相同的(两种平面问题中的应力分量 ,以及形变和位移,却不一定相同)。 33 推论2 在用实验方法测量结构或构件的上述应力分量时,可以用便于量测的材料来制造模型,以代替原来不便于量测的结构或构件材料;还可以用平面应变情况下的长柱形的结构或构件。 推论3 常体力的情况下,对于单连体的应力边界问题,还可以把体力的作用改换为面力的作用,以便于解答问题和实验量测。 推论1 针对任一物体而求出的应力分量 、 、 ,也适用于具有同样边界并受有同样外力的其它材料的物体;针对平面应力问题而求出的这些应力分量,也适用于边界相同、外力相同的平面应变情况下的物体。 34 §2-11应力函数。逆解法与半逆解法 一、应力函数 按应力求解应力边界问题时,在体力为常量的情况下,应力分量 、 、 应当满足平衡微分方程: (a) 以及相容方程 (b) 方程(a)的解包含两部分:任意一个特解和下列齐次微分方程的通解。 35 特解取为: 将齐次微分方程(c)中前一个方程改写为: 根据微分方程理论,一定存在某一个函数 ,使得: (c) (d) (e) (f) 36 同样将(c)中的第二个方程改写为: 也一定存在某一个函数 ,使得: (g) (h) 由式(f)及(h)得: 因而一定存在某一个函数 ,使得: (i) (j) 37 将式(i)代入(e),式(j)代入(g),并将式(i)代入(f),即得通解: (k) 将通解(k)与特解(d)叠加,即得微分方程(a)的全解: 函数 称为平面问题的应力函数,也称为艾瑞应力函数。 (1) 为了应力分量(1)同时也能满足相容方程(b),将(1)代入式(b),即得: 上式可简化为: 38 或者展开为: 进一步简化为: (2) 按应力求解应力边界问题时,如果体力是常量,就只须由微分方程(2)求解应力函数 ,然后用公式(1)求出应力分量,但这些应力分量在边界上应当满足应力边界条件。 二、逆解法与半逆解法 逆解法:先设定各种形式的、满足相容方程(2)的应力函 数 ,用公式(1)求出应力分量,然后根据应力边界条件来考察,在各种形状的弹性体上,这些应力分量对应于什么样的面力,从而得知所设定的应力函数可以解决什么问题。 逆解法基本步骤: 39 半逆解法:针对所要求解的问题,根据弹性体的边界形状和受力情况,假设部分和全部应力分量为某种形式的函数,从而推出应力函数 ,然后来考察,这个应力函数是否满足相容方程,以及,原来所假设的应力分量和由这个应力函数求出的其余应力分量,是否满足应力边界条件和位移单值条件。如果相容方程和各方面的条件都能满足,自然就得出正确的解答;如果某一方面不能满足,就要另作假设,重新考察。 设定 求出 应力分量 求出 面力(合力) 解决 什么问题 代入 代入 式(l) 应力边界条件 确定 半逆解法基本步骤: 设定 导出 应力表达式 得到 正确解答 满足 边界条件 满足 是 是 否 否 式(l) 应力边 界条件 40 《平面问题的基本理论》习题课 [练习1] 悬臂梁上部受线形分布载荷,如图所示。试根据材料力学中 的表达式,再用平衡微分方程导出 和 的表达式。 解:由材料力学知,过 点横截面 上的弯矩为: (1) 代入平衡微分方程,得: (2) 41 利用上、下面边界条件确定 将式(3)代入平衡微分方程中的第二式,得: (4) (3) 注意:式(1)、(3)、(4)表达的仅是静力可能的应力分量,若为正确解答,则还需满足以应力表示的相容方程。 42 [练习2] 如图所示为平面物体,角 和角 均为直角,其附近边界表面均不受外力,试说明 、 两点的应力状态。 解: 由于 点附近边界不受外力,该点的应力分量应满足如下边界条件: 即 点处于零应力状态。而 点处于凹角的顶点,该点所取的微分单元体的各个面均不是边界面,因此,其上的应力分量是未知的,未必为零,由理论分析知,
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