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第8章 弹性力学讲义(清华大学) 平面问题复变函数解
第八章 平面问题的复变函数解
知识点
双调和方程的复变函数表达形式
应力分量复变函数表达式
应力分量的单值条件
多连域的K-M函数
无穷远应力与K-M函数
位移分量的曲线坐标表达
保角变换公式与K-M 函数
柯西积分确定K-M 函数
孔口应力
裂纹前缘应力分布 双调和函数的复变函数形式
位移分量的复变函数表达形式
位移分量的单值条件
无限大多连域中K-M 函数的一般形式
保角变换和曲线坐标
应力分量的曲线坐标表达式
利用孔口边界条件确定K-M 函数
椭圆孔口的保角变换
裂纹—短轴为零的椭圆
切应力作用的裂纹前缘应力 一内容介绍
通过直角坐标和极坐标系,可以求解一些弹性力学平面问题。但是,这些方法只能用于某些边界比较特殊的平面问题,特别是对于多连域问题更显得无能为力。
本章介绍复变函数解法,实质仍然是在给定的边界条件下求解双调和方程的问题,但应用中成为在给定的边界条件下寻找两个解析函数K-M函数的问题。求解分析步骤为1、分别将应力函数、应力分量、位移和边界条件等表示为复变函数形式,就是用K-M函数表示;
2探讨无限大多连域中,K-M函数的表达形式,将其表示为级数形式;
3利用保角变换将无限大多连域映射为单位圆,使得问题的边界条件简化;
4将边界条件转化为柯西积分,求解级数系数,从而使得问题求解。
如果你还没有学习复变函数课程,请你学习或者查阅有关。
二重点
1K-M函数与应力函数、应力分量、位移和边界条件等;2无限大多连域的K-M函数形式;3保角变换与曲线坐标;4椭圆孔口与平面裂纹问题。
学习思路:
弹性力学应力解法的基本方程是双调和方程,问题求解的关键是建立满足边界条件的双调和函数。对于复变函数解,重要的问题是将双调和函数表达为复变函数形式。
本节首先将双调和方程表示为复变函数形式;然后通过积分用解析函数表示双调和函数。学习时应该注意:应力函数为实函数,通过复变函数表达的双调和函数也是实函数,因此应力函数虚部等于零。
上述分析的结果是使得应力函数通过两个单值解析函数和?(z)表示。
和?(z)称为克罗索夫-穆斯赫利什维利函数,简称K-M函数;或者称为复位势函数。
学习要点:
1;2
1、双调和方程的复变函数表达形式
在弹性力学的复变函数求解中,应力函数用U(x,y)表示,有其它定义。
设应力函数U(x,y)为双调和函数,首先考虑变形协调方程的复变函数表达形式。
对于复变函数z =x+ i y,取其共轭,则 =x- i y。因此z和均为x,y的函数。复变函数zz=??ei?,其共轭 =??e-i?,因此z??和?
同理,x,y 也可以表示为z和 的函数,有
因此,应力函数也可以表示为复变函数z和的函数,有
注意到
应力函数U(x,y)对坐标x,y的导数也可以表示为对复变函数z和的求导运算,有
将上式的后两式相加,可以得到调和方程的复变函数表达形式
双调和方程的复变函数表达式为
对于应力函数U(z)的复变函数表示。将
乘以2,并对作积分,可得
对再作一次积分,可得
对z作一次积分,可得
对z再作积分一次,可得
应力函数U(z)的复变函数表达式中,有四个待定函数。注意到应力函数为实函数,因此公式右边的复变函数的虚部必须为零。所以上述函数必须是两两共轭的,即
或者 因此应力函数可以用两个待定函数表示为
或者
上述公式称为古尔萨(Goursat)公式。公式将双调和函数通过两个复变函数 和?(z)表达。和?(z)称为克罗索夫-穆斯赫利什维利函数,简称K-M函数,均为单值解析函数。
Re为表示复变函数实部的符号。
学习思路:
应力函数已经通过K-M函数表示,但是这还不够,为了下一步的工作,本节的工作是将应力分量表示为复变函数形式,即使用K-M函数表示应力分量。
这一工作的主要内容是写出K-M函数对直角坐标的偏导数,应该注意,本章应力分量表达式也是写作复变函数表达形式的。
本节引入复变函数
, 和
这主要是简化公式的描述,并没有增加未知函数。上述函数均称为K-M函数。
学习要点:
1K-M函数对直角坐标导数的复变函数表示;2
1、K-M函数对直角坐标导数的复变函数表示
对于无体力的弹性力学问题。如果选取的应力分量满足
则上述应力分量自然是满足平衡微分方程的。这里的问题是选取的应力函数是复变函数形式表达的,而且是由K-M 函数描述的。因此,应力分量也必须通过K-M 函数表达。根据
有
将上述两式相加,可以得到
将上式分别对x和y求一阶导数,可得
其中
2、应力分量表达式
上述
的第一式减去第二式乘以 i,可得
即
将公式的第一式加上第二式乘以 i,可得
取其共轭,则
上述公
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