第二章--平面问题的基本理论1.ppt

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平面问题的基本方程 1. 平衡微分方程 (2-2) 2. 几何方程 (2-9) 3. 物理方程 (平面应力问题) (2-15) 4. 边界条件 位移: (2-17) 应力: (2-18) §2-8 圣维南原理 问题的提出: P P P 求解弹性力学问题时,使应力分量、形变分量、位移分量完全满足8个基本方程相对容易,但要使边界条件完全满足,往往很困难。 如图所示,其力的作用点处的边界条件无法列写。 1. 静力等效的概念 两个力系,若它们的主矢量、主矩相等,则两个力系为静力等效力系。 这种等效只是从平衡的观点而言的,对刚体来而言完全正确,但对变形体而言一般是不等效的。 2.圣维南原理 (Saint-Venant Principle) 原理: 若把物体的一小部分边界上的面力,变换为分布不同但静力等效的面力,则近处的应力分布将有显著改变,而远处所受的影响可忽略不计。 P P P P/2 P/2 3.圣维南原理的应用 (1) 对复杂的力边界,用静力等效的分布面力代替。 (2) 有些位移边界不易满足时,也可用静力等效的分布面力代替。 注意事项: (1) 必须满足静力等效条件; (2) 只能在次要边界上用圣维南原理,在主要边界上不能使用。 如: A B 主要边界 P 次要边界 例7 图示矩形截面水坝,其右侧受静水压力,顶部受集中力作用。试写出水坝的应力边界条件。 左侧面: 代入应力边界条件公式 右侧面: 代入应力边界条件公式,有 上端面: 为次要边界,可由圣维南原理求解。 y方向力等效: 对O点的力矩等效: x方向力等效: 注意: 必须按正向假设! x y 上端面: (方法2) 取图示微元体, 可见,与前面结果相同。 注意: 必须按正向假设! 由微元体的平衡求得, §2-9 按位移求解平面问题 1.弹性力学平面问题的基本方程 (1)平衡方程: (2-2) (2)几何方程: (2-9) (3)物理方程: (2-15) (4)边界条件: (1) (2) 2.弹性力学问题的求解方法 (1)按位移求解(位移法、刚度法) 以u、v 为基本未知函数,将平衡方程和边界条件都用u、v 表示,并求出u、v ,再由几何方程、物理方程求出应力与形变分量。 (2)按应力求解(力法,柔度法) 以应力分量 为基本未知函数,将所有方程都用应力分量表示,并求出应力分量 ,再由几何方程、物理方程求出形变分量与位移。 (3)混合求解 以部分位移分量 和部分应力分量 为基本未知函数,将,并求出这些未知量,再求出其余未知量。 3. 按位移求解平面问题的基本方程 (1)将平衡方程用位移表示 由应变表示的物理方程 将几何方程代入,有 (2-19) (a) 将式(a)代入平衡方程,化简有 (2-20) (2)将边界条件用位移表示 位移边界条件: 应力边界条件: (a) 将式(a)代入,得 (2-21) (2-17) 式(2-20)、(2-17)、(2-21)构成按位移求解问题的基本方程 说明: (1)对平面应变问题,只需将式中的E、μ作相替换即可。 (2)一般不用于解析求解,作为数值求解的基本方程。 (3)按位移求解平面问题的基本方程 (1)平衡方程: (2-20) (2)边界条件: 位移边界条件: (2-17) 应力边界条件: (2-21) §2-10 按应力求解平面问题 相容方程 1.变形协调方程(相容方程) 按应力求解平面问题的未知函数: (2-2) 平衡微分方程: 2个方程方程,3个未知量,为超静定问题。 需寻求补充方程, 从形变、形 变与应力的关系建立补充方程。 将几何方程: (2-9) 作如下运算: 显然有: (2-22) —— 形变协调方程(或相容方程) 即: 必须满足上式才能保证位移分量 u、v 的存在与协调,才能求得这些位移分量。 例: 其中:C为常数。 由几何方程得: 积分得: 由几何方程的第三式得: 显然,此方程是不可能的,因而不可能求出满足几何方程的解。 2. 变形协调方程的应力表示 (1)平面应力情形 将物理方程代入相容方程,得: (2-22) 利用平衡方程将上述化简: (2-15) (2-2) (a) 将上述两边相加: (b) 将 (b) 代入 (a) ,得: 将 上式整理得: (2-23) 应力表示的相容方程 (2)平面应变情形 将 上式中的泊松比μ代为: , 得 (2-24) (平面应力情形) 应力表示的相容方程 (平面应变情形) 注意: 当体力 X、Y 为常数时,两种平面问题的相容方程相同,即 (2-25) 3.按应力求解平面问题的基本方程 (1)平衡方程 (2-2) (2

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