Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Sapunov_Prikladnaya_teoriya_uprugosti_2008

.pdf
Скачиваний:
98
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Легко получить, что

 

 

∂U

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

′

(z) ,

 

2 ∂x

 

 

 

 

= ϕ(z)+ zϕ

(z)+ ϕ(z)+ zϕ

(z)+χ

(z)+χ

 

∂U

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

′

(z)] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y = i [−ϕ(z)+ zϕ

(z)+ϕ(z)− zϕ

(z)+χ

(z)−χ

Рассмотрение полученных формул показывает, что вместо производных ∂U / ∂x и ∂U / ∂y удобнее использовать их комплексную

комбинацию

 

∂U

 

∂U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

f (x, y)=

 

+i

 

= ϕ(z)+ zϕ

(z)+ ψ(z) ,

∂x

∂y

где ψ (z)= χ′(z).

Возвращаясь к соотношению (1.1) для функции напряжений U , заметим, что справедливо и обратное утверждение: любое соотношение типа (1.1) является бигармонической функцией, если функции ϕ(z) и χ(z) − аналитические комплексные функции.

1.2.2. Комплексное представление перемещений

Для определения перемещений воспользуемся уравнениями линейного физического закона, представляя напряжения через функцию напряжений U :

σx

σy

=

∂2U

= λϑ+ 2μ

∂u

 

∂y2

 

∂x

=

∂2U

= λϑ+ 2μ

∂v

∂x2

∂y

 

 

,

,

 

∂

2

 

∂u

 

∂v

 

 

 

U

 

 

 

 

τxy = −

 

 

= μ

 

+

 

 

,

∂x∂y

∂y

 

 

 

 

∂x

 

11

где ϑ = ∂∂ux + ∂∂vy + ∂∂wz .

Решая первые два уравнения относительно производных ∂u / ∂x и ∂v / ∂y , будем иметь:

 

∂u

 

∂2U

 

 

λ

2μ

∂x

=

∂y2

−

 

 

 

2U ,

 

2(λ +μ)

 

∂v

 

∂2U

 

 

λ

2μ

 

=

∂x2

−

 

 

2U .

∂y

2(λ +μ)

Используя введенное ранее обозначение P = 2U и учитывая, что P / 4 = ∂ p / ∂x =∂q / ∂y , представим вторые производные функции напряжений U в форме:

∂2U

= P −

∂2U

= 4

∂ p

−

∂2U

∂y2

 

∂x2

 

∂x

 

∂x2

∂2U

= P −

∂2U

= 4

∂q

−

∂2U

∂x2

∂y2

∂y

∂y2

 

 

 

,

.

Полученные зависимости позволяют переписать соотношения, определяющие производные перемещений ∂u / ∂x и ∂v / ∂y , в сле-

дующем виде:

 

∂u

 

∂ p ∂2U

 

λ

 

 

∂ p

∂2U

2μ

∂x

= 4

∂x

−

∂x2 −

 

4

∂x = −

∂x2 +

2(λ +μ)

 

 

 

 

 

2μ

∂v

 

= −

∂2U

+

2(λ + 2μ)

 

∂q

 

 

 

 

 

 

∂y

∂y2

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ +μ

 

 

Интегрируя, будем иметь:

2(λ + 2μ)

 

∂ p

,

λ +μ

∂x

 

 

.

 

 

 

12

2μu = −

∂U

+

 

2(λ + 2μ)

p + f1(y)

∂x

λ +μ

 

 

 

 

2μv = −

∂U

+

 

2(λ + 2μ)

q + f 2 (x)

∂y

 

λ +μ

 

 

 

 

,

.

Функции интегрирования f1(y) и f 2(x) определим, подставляя

найденные значения перемещений в третье уравнение линейного физического закона и учитывая, что в силу условий Коши – Римана (∂p / ∂y) +(∂q / ∂x) = 0 . Будем иметь

f 1′(y)+ f ′2(x)= 0 f 1′(y)= − f ′2(x)= С ,

где С − действительная постоянная. В этом случае

f1(y)= C y +C1 , f 2 (x)= −C x +C2 ,

но эти две функции не вызывают деформаций (представляют жесткое перемещение тела) и могут быть отброшены.

Окончательно, для определения перемещений имеем:

2μu = −

∂U

+

 

2(λ + 2μ)

 

p ,

∂x

 

λ +μ

 

 

 

 

 

 

 

2μv = −

∂U

+

 

2(λ + 2μ)

 

q ,

∂y

 

λ +μ

 

 

 

 

 

 

 

 

или, переходя к записи в комплексной форме,

 

∂U +i

∂U

 

2(λ + 2μ)

ϕ(z) .

2μ(u +iv) = −

+

 

 

 

 

∂x

 

∂y

 

λ +μ

 

 

 

Используя теперь полученную ранее комплексную комбинацию производных функции напряжений ∂U / ∂x и ∂U / ∂y , будем

13

иметь:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(λ + 2μ)

ϕ(z)=

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ +μ

(1.2)

 

2μ(u +iv) = −ϕ(z)− zϕ (z)−ψ(z) +

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= κϕ(z)− zϕ (z)−ψ(z) ,

 

 

где

κ =

λ +3μ

= 3 −4ν для случая плоской деформации. В случае

λ +μ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоского напряженного состояния постоянная κ должна быть за-

менена на постоянную κ

 

 

λ + 3μ

 

3 − ν

 

 

2λμ

 

 

=

 

=

 

 

λ =

 

.

 

 

 

 

 

 

 

λ + μ 1+ ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ + 2μ

1.2.3. Комплексное представление напряжений

Комплексное представление напряжений будем строить, используя соотношения, определяющие составляющие полного напряжения на произвольной площадке с внешней нормалью n (l, m, n):

X n = σxl + τxym ,

Yn = τxyl + σym .

Перепишем представленные соотношения, подставляя вместо напряжений их значения через функцию напряжений U и учитывая, что l = dy / ds , m = −dx / ds . Будем иметь

X n =

∂2U

 

dy

 

∂2U

 

 

 

dx

 

 

2

 

 

−

 

 

 

−

 

 

∂y

ds

∂x∂y

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Yn =

∂2U

 

 

dx

∂2U

 

 

dy

 

 

∂x2

 

 

− ds −

 

ds

 

∂x∂y

 

 

 

d

 

∂U

 

 

X n =

 

 

 

,

 

 

∂y

 

ds

 

 

 

 

d

 

 

∂U

 

 

Yn = −

 

 

 

,

 

 

∂x

 

 

ds

 

 

или, переходя к записи в комплексной форме,

14

 

d

 

∂U

 

∂U

 

 

X n +iYn =

 

−i

 

 

 

 

 

 

 

∂y

∂x

 

 

ds

 

 

 

 

d

 

∂U

 

∂U

 

X n +iYn = −i

 

+i

 

 

 

 

 

 

∂x

∂y

.

 

ds

 

 

Используя комплексную комбинацию производных функции напряжений ∂U / ∂x и ∂U / ∂y , будем иметь:

 

d

 

 

 

 

 

 

X n +iYn = −i

 

′

(z)+ ψ(z)] .

 

ds

[ϕ(z)+ zϕ

 

 

 

 

 

 

 

Перепишем полученное соотношение в несколько иной форме

ds (Xn +iYn )= −i d [ϕ(z)+ zϕ′(z)+ ψ(z)]

и дадим элементу ds направление dy . В этом случае

ds = dy , d z = idy , d z = −idy , X n = σx , Yn = τxy

и соотношение, определяющее комплексное представление составляющих полного напряжения на произвольной площадке, принимает вид:

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

′′

 

′

(z) .

σx +iτxy = ϕ

(z)+ϕ

(z)− z ϕ

(z)−ψ

Придадим теперь элементу ds направление dx . В этом случае

ds = dx , d z = d z = idx ,

X n = −τxy ,

Yn = −σy .

Соответственно, имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

′′

 

 

′

(z) .

σy −iτxy = ϕ

(z)+ϕ

(z)+ z ϕ

(z)+ψ

Полученные два соотношения определяют искомое комплексное представление напряжений, но их можно заменить более простыми. Действительно, складывая их и вычитая, будем иметь:

15

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

(z)] ,

 

 

σx +σy = 2 [ϕ (z)+ϕ

] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

(z)

 

 

′

(z)

 

σy −σx −2iτxy = 2[z ϕ

+ψ

 

Если заменить во втором уравнении i на −i , получим:

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

′

(z)

] .

 

σy −σx +2iτxy = 2 [z ϕ

(z)+ψ

 

С введением новых обозначений

 

′

 

 

 

 

 

′

(z)= Ψ(z),

ϕ (z)= Φ(z), ψ

окончательно будем иметь:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σx + σy = 2 [Φ(z)+

Φ(z)]= 4 Re Φ(z) ,

(1.3)

σy −σx + 2iτxy = 2 [z Φ′(z)

+ Ψ(z)] .

 

 

 

1.2.4. Комплексное представление нагрузки, приложенной к контуру

Составляющие X и Y внешней нагрузки, приложенной к контуру тела, на произвольной площадке с нормалью n (l, m, n) при

положительном направлении обхода контура, когда область, занятая телом, остается слева, представляются известными соотношениями (см. раздел 1.2.3.):

 

 

 

d

 

∂U

 

 

X =

 

 

,

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

d

 

∂U

 

Y = −

 

 

 

 

 

 

∂x

.

 

 

 

ds

 

Соответственно, проекции главного вектора X и Y нагрузки, приложенной на участке AB контура тела, запишем в следующем виде:

 

∂U

B

 

 

∂U

B

X =

 

,

Y = −

 

,

∂y

∂x

 

A

 

 

A

16

где символ [ ]BA обозначает приращение функции, заключенной в

скобки, при перемещении по участку контура AB из точки A в точку B .

Переходя к записи главного вектора в комплексной форме, получим:

 

∂U

 

∂U

B

 

 

∂U

 

∂U

B

X +iY =

−i

 

 

X +iY = −i

+i

.

∂y

∂x

∂x

∂y

 

 

A

 

 

 

A

Используя комплексную комбинацию производных функции напряжений ∂U / ∂x и ∂U / ∂y , будем иметь:

 

 

 

 

 

B

(1.4, а)

 

′

 

 

X +iY = −i [ϕ(z)+ zϕ

(z)+ψ(z)]A .

 

Аналогичная формула, определяющая главный момент нагрузки, приложенной на участке AB контура тела, относительно начала координат, имеет вид:

M = Re [χ(z)− z ψ(z)− z zϕ′(z)]B .

(1.4, б)

A

 

Поскольку рассматриваемая область S , занятая телом, односвязная, аналитические комплексные функции ϕ(z), ψ(z), χ(z)

однозначны в этой области. Поэтому, если точка B совпадает с точкой A , как и следует ожидать, будем иметь:

X =Y = M = 0 .

Полученный результат подтверждает тот факт, что совокупность внешних нагрузок, действующих на контуре области S , для находящегося в равновесии тела всегда статически эквивалентна нулю.

17

1.2.5.Комплексное представление перемещений и напряжений

вполярных координатах

Во многих случаях решение плоской задачи проще строить в полярной системе координат r , θ, представляя комплексную пе-

ременную в виде: z = x + i y = re iθ ( z = re−iθ). Проекции полного перемещения произвольной точки на направления r , θ обозначим соответственно через vr и vθ .

Введенные компоненты перемещения vr и vθ легко связать с

компонентами перемещения этой же точки u , v в прямоугольных координатах x , y :

u = vr cosθ−vθ sin θ , v = vr sin θ+ vθ cos θ .

Переходя к записи полученных соотношений в комплексной форме, после некоторых простых преобразований получим:

u +iv = (v

r

+iv )eiθ

 

v

r

+ iv = (u +iv )e −iθ .

 

θ

 

 

θ

Используя комплексную комбинацию перемещений u , v в форме полученной ранее зависимости (1.2), будем иметь:

2μ(vr +ivθ) = e−iθ [κϕ(z)− zϕ′(z)−ψ(z)] .

Полученное соотношение определяет компоненты перемещения vr и vθ в полярных координатах, если в правой части заменить

переменную z на ее значение re iθ и отделить действительную часть от мнимой.

В полярной системе координат компоненты тензора напряжений обозначим как σr , σθ , τrθ . Используя формулы преобразования

компонентов тензора напряжений при замене системы координат, легко получить:

18

σr + σθ = σx +σy ,

σθ −σr +2iτrθ = (σy −σx +2iτxy )e 2iθ .

Комплексное представление напряжений в прямоугольной системе координат определяется зависимостями (1.3). Соответственно, для напряжений в полярной системе координат будем иметь:

σr + σθ = 2 [Φ(z)+ Φ(z)]= 4 Re Φ(z) ,

σθ −σr + 2iτrθ = 2e

2iθ

′

(z)+Ψ(z)] .

 

[z Φ

Вычитая из первого соотношения второе, можем получить еще одну полезную формулу:

σr −iτrθ = Φ(z)+Φ(z) − e2iθ [z Φ′(z)+ Ψ(z)] ,

определяющую напряжения, действующие на площадке, расположенной на дуге окружности r = const .

1.3. Степень определенности введенных комплексных функций

1.3.1. Односвязная область

Комплексное представление перемещений (1.2) и напряжений (1.3) показывает, что при заданных аналитических комплексных функциях Φ(z), Ψ(z), ϕ(z), ψ(z) перемещения точек тела и

напряжения в каждой его точке определены однозначно. Напомним, что область S , занятую телом, считаем односвязной.

Перейдем к рассмотрению вопроса о том, насколько определены комплексные функции Φ, Ψ, ϕ, ψ заданием напряженного со-

стояния или же заданием перемещений точек тела.

Пусть заданное напряженное состояние определяется набо-

ром комплексных функций Φ, Ψ, ϕ, ψ :

19

σx +σy = 2 [Φ(z)+Φ(z)]= 4 ReΦ(z) , σy −σx + 2iτxy = 2 [z Φ′(z)+ Ψ(z)] ,

ϕ(z)= ∫Φ(z)dz , ψ(z)= ∫Ψ(z)dz .

Предположим, что имеет место другой набор комплексных функций Φ1 , Ψ1 , ϕ1 , ψ1, определяющих это же напряженное со-

стояние:

σx +σy = 2 [Φ1 (z)+Φ1 (z)]= 4ReΦ1 (z) ,

σy −σx +2iτxy = 2 [z Φ′1 (z)+Ψ1 (z)] ,

ϕ1 (z)= ∫Φ1 (z)dz , ψ1 (z)= ∫Ψ1 (z)dz .

Из рассмотрения первых уравнений, определяющих напряженное состояние, легко видеть, что функции Φ1 и Φ имеют одинако-

вые действительные части, значит, сами функции могут отличаться только мнимой постоянной iC :

Φ1(z)= Φ(z)+iC .

Учитывая, что Φ′1(z)= Φ′(z), из сравнения вторых уравнений сразу следует:

Ψ1(z)= Ψ(z) .

Соответственно, для функций ϕ1(z) и ψ1(z) будем иметь:

ϕ1(z)= ϕ(z)+iC z + γ , ψ1(z)= ψ(z)+ γ′ ,

где γ и γ′ − произвольные комплексные постоянные.

20

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]