当前位置:文档之家› 2平面问题的基本理论(平面应力与应变,受力状态,圣维兰原理)

2平面问题的基本理论(平面应力与应变,受力状态,圣维兰原理)


当面积 AB 无限减小而趋于 P 点时,平面 AB 上的 应力就是上述斜面上的应力。 现设斜面上的全应力p可以分解为沿坐标向的分 量( px , py ),或沿法向和切向的分量( σn , τn),如图 2-4b所示。
用n代表斜面AB的外法线方向,其方向余弦为:
cosn, x l, cosn, y m
c
0
,则有
F 0, F Mc 0
x
y
0
yx dy dy dx dx xy dy 1 ( yx dy)dx 1 yx dx 1 0 2 2 y 2 2
力矩方程化简后得到:
xy
1 xy 1 yx dx yx dy 2 x 2 y
x yx fx 0 y x xy y f 0 y x y
4.平衡微分方程适用的条件是,只要求符合连 续性和小变形假定。 5.对于平面应力问题和平面应变问题,平衡微 分方程相同。 6.由于τxy =τyx,以后只作为一个独立未知函数 处理。因此,2个独立的平衡微分方程(2-2) 中含有 3个应力未知函数。


由式(2-4)及(2-5)就可以求得经过P点的任意 斜面上的正应力 n 及切应力 n 。
3.然后,再求出主应力和应力主向
设经过P点的某一斜面上的切应力等于零,则该斜 面上的正应力称为在P点的一个主应力,而该斜面 称为在P点的一个应力主平面,该斜面的法线方向 称为在P点的一个应力主向。
(2)只在侧边上受有平行于板面且不沿厚度变化 的面力和体力,且不沿厚度变化,体力 f x , f y , o 和面 力 f x , f y , o ,只是x,y的函数,并构成平衡力系;
(3)物体所受的几何约束条件沿厚度不变。
设薄板的厚度为t,以薄板的中面为坐标面,把厚度方向取 作z轴建立坐标系oxy。
图 2-1
根据条件可得如下结论: t 由于z 2 时的板面上无外力作用,则边界条件成为:
( z )
t z 2
0, ( xz )
t z 2
0, ( yz )
t z 2
0
又由于板很薄,外力又不沿厚度变化,则板内各点的以上 三个应力分量都极小,可以认为小到零的程度,即:
设斜面AB的长度为ds,则PB面及PA面的面 积分别为 lds 及mds ,而PAB的体积为ldsmds / 2 。
图 2- 4
1.首先,我们来求斜面应力分量(px py)。通过三 角形微分体的平衡条件 Fx 0, Fy 0 ,容易求出: px = lσx + mτyx, py = mσy + lτxy (2-3)
1 1 2 n lm 2 1 l l 2 1 l 2 1 4 2
假设该柱体长度远远大于横向尺寸,以其任 一横截面为xOy平面,纵向为z轴,则其所有 应变分量中,也可推出,而退化为x,y的二 元函数。
进一步可推知,独立的应力分量只 有 x , y , xy ,独立的应变分量只有 , , 独 立的位移分量只有 u, ,共有八个独立未知 量,都是x,y的二元函数。必须指出,平面 应变问题中 z 是存在的,但不独立。
x y xy
在公路、桥梁、建筑工程中,大量实际问题
都可简化为平面问题来研究,特别是平面应 变问题的实例很多,要善于区分。
综上所述,对于平面应力情况,应力分量等 于零,而应变分量一般不等于零;对于平面 应变问题,应变分量=0,而应力分量一般不 等于零。
2.2 平衡微分方程
在弹性力学中分析问题要从
对于上述平衡微分方程,我们应强调说明几点: 1.平衡微分方程表示任一点P(x,y)的平衡条件, (x,y)属于平面域A,所以也代表A 中所有点 的平衡条件。 2.式(2-2)第一式中所有的各项都是 x向的力,第 二式均是 y向的力。式(2-1)又一次导出了剪应 力互等定理。 3.在任一等式中,各项的量纲必须相同,读者据此 可以作为检查公式是否正确的条件之一。
(b)
同理,设σ2与x轴的夹角为a2,可得:
tan 2
xy
2 y
再利用式(2-7),可得:
tan 2
xy
1 x
(c)
由式(b)及式(c)可有,也就是说,σ1的方向与 σ2的方向互相垂直,如图2-4a所示。 4.再进一步求出最大和最小的正应力和切应力 如果以求得任意点的两个主应力σ1和σ2,以及应力 主向,就极易求得这一点的最大与最小的应力。为 了简便,将x轴和y轴分别放在σ1和σ2的方向,于是 有: xy 0, x 1, y 2 (d)
2.3平面问题中一点的应力状态
应力是与作用面有关的。 σx , σy 和 τxy 作为基本未 知函数,只是表示一点的 x,y坐标面上的应力分量 (图 2-4b)。如同材料力学一样,在校核强度条件 时,我们还需要求出通过此点的任一斜面上的应力。 为此,在 P点附近取一个平面 AB,它平行于上述斜 面,并与经过 P 点而垂直于 x 轴和 y 轴的两个平面划 出一个微小的三角板或三棱柱PAB(z轴方向取为单 位长度1),图2-4。
2
(2-6)
1 2 x y
(2-7)
下面求出主应力方向。设σ1与x轴的夹角为 a1,则: 0
sin 1 cos 90 1 m tan 1 cos 1 cos 1 l1


利用式(a)中的第一式,即得:
1 x tan 1 xy
z 0, xz 0, yz 0
2014-7-9
zx 0, zy 0, yx xy
4
2.1.2平面应变问题
设有很长的柱体,横截面不变。其柱面上受有平行 于横截面而且不沿长度变化的面力,体力也同样不 沿长度变化而平行于横截面。例如,厚壁圆筒、高 压管道、水坝等,就可看作此类问题。
由式(2-4)及式(d)可得:
n l 2 1 m 2 2
再利用关系
l 2 m2 1
可得:
n l 2 (1 2 ) 2
因为 l 2 的最大值为1而最小值为零,从上式可以看 出σn的最大值为σ1而最小值为σ2,这就是说,两个 主应力也就是最大值与最小值的正应力。 按照式(2-5)及式(d),任意斜面上的切应力为:
7.比较一下几门力学是如何考虑平衡条件的:
理论力学考虑整体( V )的平衡,只能用来确定物 体是运动还是静止的状态;材料力学考虑的是有限 部分( ΔV )的平衡;而弹性力学考虑的是微分体 (dV)的平衡。我们可以看出:每一个微分体的平 衡,必然保证有限部分和整体的平衡,而反之则不 成立。因此,弹性力学对平衡条件的考虑是严格和 精确的。
y
0
。两个投影方程化简:
x yx fx 0 y x xy y f 0 y x y
这就得出了平面问题中应力分量与体力分量之
间的关系式,即平面问题中的平衡微分方程,
又称纳维叶(Navier)方程。
x yx fx 0 y x xy y f 0 y x y
……
略去二阶以及二阶以样处理,则得如图所示的应力关系。
泰勒级数是将复杂的函数转换成简单的用多 项式表达的函数,可以直接通过加减乘除得 出函数的值。 f(x)=f(x0)+f`(x0)(x-x0)+f``(x0)(x-
2.再分别计算(px,py)在法向和切向的投影,便 得斜面上的正应力和切应力:
n lpx mpy, n lp y mpx
(2-4) (2-5)
n l 2 x m 2 y 2lm xy
n lm y x l 2 m 2 xy
一般来说,应力分量是坐标x,y的函数,因此,作 用于左右两对面或上下两对面的应力分量不完全相 同,差一个微小量。例如,设作用于左面的正应力 是 x ,则作用于右面的正应力由于x坐标的改变, 按泰勒(Taylor)级数展开,将是:
x 1 2 x 2 x dx dx 2 x 2 x
xy m x m , l xy l y
(a)
于是可得σ的二次方程: 2 0 2 x y x y xy
从而可求得两个主应力为: 根据式(2-6)可以得到:
x y 1 x y 2 2 2 xy
静力学
几何学
物理学
三个方面来考虑,建立基本方程。现在,先 研究平衡关系。
平衡微分方程表示区域内任一点(x,y)的微分体 的平衡条件。当物体处于静止或匀速直线运动时, 作用于整个物体(V),任一有限部分(ΔV)和任 一微分体(dV)上的力都应该是平衡的。现在我们 考虑(不管是应力问题还是应变问题)任一点P(x, y)的微分体 dV = dx· dy· 1,作用于此微分体上有体 力和各面上的应力,如图 2- 3所示。
x0)² /2!+f```(x0)(x-x0)³ /3!+...fn(x0)(xx0)^n/n!+Rn(x) 其中fn(x0) 为f(x)的n阶导函 数在x=x0时的值。Rn(x)是余项
当弹性体平衡时,P点的平衡就以微元体平衡表示。 这样,就有三个平衡方程: 列出力矩方程 M
( xy xy x dx)dy 1
略去微量可得:
xy
yx
这就证明了剪应力互等定理。 再列出投影平衡方程, Fx 0
yx x ( x dx)dy 1 x dy 1 ( yx dy)dx 1 yx dx 1 f x dxdy1 0 x y
相关主题