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
☆

 

 

=

X

,

 

 

 

Y

,

 

X

Y

=

 

2πR

2πR

 

 

 

 

 

 

 

 

где X , Y − составляющие главного вектора внешних усилий (постоянные величины). Соответственно, проекции N и T внешней нагрузки, действующей на

окружности L контура, на направления нормали и касательной к контуру1, принимают следующие значения:

N = −(

 

 

 

 

 

sin θ)

 

N = −

1

 

(X cos θ +Y sin θ) ,

X

cos θ+Y

 

2πR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T =

 

 

 

 

 

 

 

1

(X sin θ −Y cos θ) .

X

sin θ −Y

cos θ

T =

 

2πR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплексное представление внешней нагрузки, действующей на контуре кругового отверстия, будет иметь вид:

N −iT = −

1

(X −i Y )e iθ

на L .

2πR

 

 

 

Представляя внешнюю нагрузку N −iT в форме ряда, получим, что отличным от нуля будет только один коэффициент

A = − X −i Y .

1

2πR

 

Переходим к определению коэффициентов разложения комплексных функций Φ (z) и Ψ (z). Будем иметь:

 

X +i Y

 

′

 

 

κ(X −i Y )

 

a1 = −

 

 

,

a1 =

 

 

,

2π(1+ κ)

 

2π(1+ κ)

 

a2 = 0 ,

a′2 = 0 ,

 

a3 = 0 ,

a′3 = −R

2

X +i Y

 

 

 

.

 

 

π(1+κ)

 

Все остальные коэффициенты равны нулю.

 

 

 

 

 

 

С учетом найденных

коэффициентов разложений,

комплексные функции

Φ(z) и Ψ (z) принимают вид:

1Напомним, что нормаль к контуру направлена к центру окружности, так что она составляет с осью x угол θ± π.

51

Φ(z)= −

X +i Y

 

 

1

,

Ψ(z)=

κ(X −i Y )

 

1

−

X +i Y

 

R2

.

2π(1+ κ)

z

2π(1+ κ)

z

π(1+ κ)

 

 

 

 

 

 

 

 

z3

Будем считать теперь, что радиус отверстия в пластине беспредельно уменьшается, а составляющие X , Y внешней нагрузки, действующей на контуре, беспредельно возрастают так, что главный вектор ( X , Y ) остается постоянным по величине и направлению. В этом случае можно говорить, что в начале координат приложена сосредоточенная сила ( X , Y ). Напряженно-деформированное состояние от действия этой силы будет определяться комплексными функциями Φ (z) и Ψ (z), которые принимают вид:

Φ(z)= −

X +i Y

 

 

1

,

Ψ(z)=

κ(X −i Y )

 

1

.

2π(1+ κ)

z

2π(1+ κ)

 

 

 

 

 

 

z

Определение напряжений и перемещений по имеющимся формулам не представляет никаких затруднений. Не останавливаясь на промежуточных преобразованиях, приведем окончательные результаты для напряжений1:

 

 

 

 

3 + κ

 

X cosθ+Y sin θ

σr = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π(1+ κ)

r

 

 

 

 

κ−1

X cosθ+Y sin θ

σθ =

 

 

 

 

 

 

 

 

2π(1+ κ)

 

 

r

 

 

 

 

 

 

κ−1

 

X sin θ−Y cosθ

τrθ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π(1+ κ)

 

r

 

,

,

.

1.5. Сосредоточенный момент, приложенный в точке неограниченной плоскости.

Поскольку в поставленной задаче на бесконечности напряжения равны нулю, постоянные Γ и Γ′ также равны нулю ( Γ = Γ′ = 0 a0 = a′0 = 0 ).

1Если рассматривается тонкая пластина (плоское напряженное состояние), то в формулах для напряжений вместо постоянной κ необходимо ввести постоян-

ную κ = (3 −ν)/(1+ν) и, кроме того, учесть, что компоненты X , Y главного вектора внешних усилий должны рассчитываться на единицу толщины пласти-

ны: X = X (0)/ h , Y =Y (0)/ h , где X (0), Y (0) − составляющие сосредоточенной силы; h − толщина пластины.

52

Будем считать, что к контуру кругового отверстия радиуса R приложено равномерное касательное усилие T . В этом случае, представляя внешнюю нагрузку N −iT = − iT в форме ряда, получим, что отличным от нуля будет только один

коэффициент разложения A0 = −iT .

Использование формул, определяющих коэффициенты разложения в ряд комплексных функций Φ (z) и Ψ (z), приводит к следующему результату: все коэф-

фициенты разложений равны нулю, кроме коэффициента a′2 = iTR2 . Принимая,

что M = −2πR2 T , где M − момент внешних сил, приложенных к контуру отверстия, формулу для постоянной a′2 перепишем в виде:

a′2 = −iM / 2π .

Соответственно, комплексные функции Φ (z) и Ψ (z) принимают вид:

Φ(z)= 0

, Ψ(z)= −

i M

 

1

.

 

 

2π

 

z2

Очевидно, что полученные соотношения для функций Φ (z) и Ψ (z) не изме-

нятся, если радиус отверстия будет стремиться к нулю, а усилия T будут возрастать так, чтобы момент M оставался постоянным. В этом предельном случае формулы для комплексных функций Φ (z) и Ψ (z) определяют напряженно-

деформированное состояние в бесконечной плоскости при действии на нее сосредоточенного момента M , приложенного в начале координат.

Простые вычисления позволяют получить:

σr = σθ = 0 , τrθ = −M / 2πr2 .

Если рассматривается тонкая пластина (плоское напряженное состояние), то необходимо учесть примечание к задаче 1.4.

1.5.2. Решение первой основной граничной задачи для кругового кольца

Рассмотрим случай, когда область S , занятая телом, представляет круговое кольцо, ограниченное двумя концентрическими окружностями L1 и L2 с радиусами R1 и R2 ( R1 < R2 ) с центром в начале координат.

53

Внешние усилия N′, T ′ и N′′ , T ′′, действующие на окружностях L1 и L2 , считаем заданными как функции угла θ. Разложе-

ния внешней нагрузки как на L1 , так и на L2 в комплексные ряды Фурье имеют вид:

N

′

−iT

′

+∞

′

ikθ

, N

′′

−iT

′′

+∞ ′′

ikθ

,

 

 

= ∑Ake

 

 

 

= ∑Ake

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

где коэффициенты A′k

и A′′k разложений известны.

 

 

Для отыскания комплексных функций Φ(z) и Ψ(z) будем ис-

пользовать граничные условия в форме Колосова, которые в рассматриваемой задаче запишем в форме:

 

 

 

+∞

ikθ

 

 

 

 

′

на L1

 

 

∑Ake

 

Φ(t)+

Φ(t)−e 2iθ [t

Φ′(t)+ Ψ(t)] = +−∞∞

 

.

 

 

 

∑A′k′eikθ

на L2

 

 

−∞

 

 

Комплексная функция Φ(z) для многосвязной конечной области (см. раздел 1.3.2) получена в виде:

Φ(z)= ∑m Ak ln (z − zk )+ Φ (z) .

k =1

Соответственно, для рассматриваемой двухсвязной области будем иметь:

Φ(z)= Aln z +Φ (z) ,

где A − действительная постоянная; z1 = 0 − точка внутри контура

54

L1 (начало координат) ; Φ (z) − аналитическая и, следовательно,

однозначная функция в области S .

Комплексная функция Ψ (z) является аналитической (одно-

значной) функцией в области S по определению.

Используя возможность представления функций, аналитических в рассматриваемой области, в форме ряда, для комплексных функций Φ(z) и Ψ(z) будем иметь:

+∞

+∞

Φ(z)= Aln z + ∑ak zk ,

Ψ(z)= ∑a′k zk .

−∞

−∞

Отметим, что полученное представление функций Φ(z) и Ψ(z)

отвечает условиям однозначности напряжений для рассматривае-

мой двухсвязной области. Требование однозначности перемещений

для многосвязной конечной области (см. раздел 1.3.2) реализуется в форме дополнительных ограничений

Ak = 0 , κγk + γ′k = 0 ,

которые для двухсвязной области принимают вид1:

A = 0 , κa−1 + a′−1 = 0 .

Подставим соотношения, определяющие комплексные функции Φ(z) и Ψ(z), в граничные условия. После очевидных простых преобразований будем иметь:

1 В рассматриваемом случае имеем только один внутренний контур L1 ( Ak = 0

A = 0 ).

Величины γk и

γ′

k

есть коэффициенты

при слагаемых

типа

ln (z − zk )

в разложениях функций

ϕ(z)= ∫Φ(z)dz

и

ψ(z)= ∫Ψ(z)dz .

При

принятых обозначениях ln(z − zk ) ln z , а γk и

 

 

a−1 и

 

−1 .

 

γ′

k

a′

 

55

 

 

 

 

+∞

 

+∞

+∞

+∞

 

∑A′keikθ

 

−∞

.

∑

(1−k )ak rkeikθ + ∑ak rke−ikθ − ∑ak′ −2rk −2eikθ =

+∞

−∞

−∞

−∞

 

′′

ikθ

 

 

 

 

∑Ake

 

 

 

 

−∞

 

Сравнение слагаемых, не зависящих от угла θ (свободных членов), позволяет получить:

a0 + a0 −a′−2R1−2 = A′0 на L1 , a0 + a0 − a′−2R2−2 = A′′0 на L2 .

Примем во внимание, что коэффициент a0 в разложении функции Φ(z) есть то же самое, что коэффициент Γ = B +iC в разложении функции ϕ(z). Неоднократно отмечалось, что слагаемое iC

(при действительном C ) не оказывает влияния на напряженное состояние и может быть принятым равным нулю. В этом случае a0 = a0 , и уравнения для свободных членов преобразуются к виду:

2a0 − a′−2R1−2 = A′0 , 2a0 − a′−2R2−2 = A′′0 .

Решение уравнений относительно коэффициентов a0 и a′−2 позволяет получить:

 

 

 

 

′′

2

′

2

 

 

 

a0

=

1 A0R2

− A0R1

 

 

,

2

 

R22

− R12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

′

2

2

 

a′−2 =

(A0

− A0 )R1 R

2

.

 

 

R2

− R2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

56

Поскольку a0 − действительная величина, требуется, чтобы мнимая часть числителя ( A′0′ R22 − A′0R12 ), как комплексной величи-

ны, равнялась нулю: Im(A′0′ R22 − A′0R12 )= 0 . Как показывают про-

стые вычисления, это условие определяет равенство нулю главного момента внешних усилий.

Сравнение слагаемых при eikθ ( k = ±1, k = ±2, ... ) дает:

(1− k )ak R1k + a−k R1−k − a′k −2R1k −2 = A′k

на

L1

,

(1− k)ak R2k + a−k R2−k − a′k −2R2k −2 = A′′k

 

 

(1.5)

на

L2 .

Разделив первое уравнение на R1k −2 , а второе на R2k −2 и вычтя одно из другого, будем иметь:

(1−k)(R22 − R12 )ak + (R2−2k +2 − R1−2k +2 )a−k = Bk ,

(1.6, а)

где введено обозначение Bk = A′k′ R2−k +2 − A′k R1−k +2 .

В полученном уравнении заменим k на − k и перейдем к сопряженным величинам:

(R22k +2 − R12k +2 )ak +(1+ k )(R22 − R12 )a−k =

 

−k

.

(1.6, б)

B

Система уравнений (1.6) при заданном значении

k

дает воз-

можность вычислить коэффициенты ak

и a−k , если только опре-

делитель этой системы

отличен от нуля:

 

 

= (1− k 2 )(R 2

− R 2 )2

− (R 2k +2

− R 2k +2 )(R −2k +2 − R −2k +2 )≠ 0 .

2

1

2

1

2

 

 

1

 

Легко убедиться, что определитель

обращается в нуль только

57

при k = 0 и

k = ±1.

Значение

k = 0 нас уже не интересует. При

k = +1 система уравнений принимает вид:

 

 

 

 

 

0 = B1

A′1′R2 − A1′R1 = 0 ,

(1.7)

(R 4

− R 4 )a1

+ 2 (R 2 − R 2 )a−1 =

 

 

 

−1 .

B

 

2

1

 

2

1

 

 

 

 

Простые

выкладки

показывают,

что

первое уравнение

A′1′R2 − A1′R1

= 0

определяет

равенство

нулю

главного вектора

внешних усилий, а второе – связывает между собой два коэффициента a1 и a−1 .

При k = −1 не получим ничего нового, поскольку будем иметь систему уравнений, следующую из (1.7) путем перехода к сопряженным значениям.

Вернемся к вычислению коэффициентов ak и a−k . Решение

системы уравнений (1.6) при k = ±2 , k = ±3 , . . . позволяет получить:

 

(1+ k )(R22 − R12 )Bk

−(R −2k +2 − R −2k +2 )

 

−k

B

ak =

 

2

1

− R −2k +2 ) .

(1−k2 )(R22 − R12 )2 −(R 2k +2 − R 2k +2 )(R −2k +2

2

1

2

1

Соотношения для коэффициентов a−k

не выписываем, по-

скольку они следуют из полученных для ak

при замене k на − k и

переходе к сопряженным величинам.

 

 

 

Наконец, коэффициенты a′k

вычисляются по одному из двух

уравнений (1.5), а коэффициент a′−2 − по «своей» отдельной формуле. Так как все коэффициенты ak , за исключением a1 и a−1 ,

уже вычислены, то будем иметь определенные значения для всех a′k , кроме a′−1 и a′−3 .

58

Коэффициенты a−1 и a′−1 , в свою очередь, определятся из ре-

шения двух уравнений, одно из которых является условием однозначности перемещений, а второе следует из первого уравнения системы (1,5) при k = +1:

 

 

κa−1 +

a′

−1 = 0 ,

 

 

 

 

′

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

−1 =

′

a−1 −a−1

= A1R

a−1 −a

A 1R .

Находим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

κ A R

 

 

a−1 =

A 1 R1

 

, a′−1

=−

 

 

1 1

.

1+ κ

 

1

+ κ

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения

коэффициента

a1

 

воспользуемся вторым

уравнением системы (1.7), связывающим коэффициенты a1 и a−1 . Будем иметь:

 

 

 

 

B

−1

 

 

 

 

 

 

2A′

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

a1 =

 

 

 

 

−

(1+ κ) (R

2

+ R 2 )

 

R 4

− R 4

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

′−′1R 3

−

 

′−1R 3

 

 

 

2A′

R

 

 

A

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

1

a1 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

(1+ κ) (R

2

+ R 2 ) .

 

 

 

 

 

R

4

− R 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

2

1

Наконец, теперь можем вычислить и коэффициент a′−3 из лю-

бого уравнения системы (1.5) при k = −1, поскольку коэффициенты a1 и a−1 уже известны.

Таким образом, задача определения коэффициентов разложения комплексных функций Φ(z) и Ψ(z) в ряды полностью решена и,

темсамым, решена первая основная граничная задача для кругового кольца.

59

Задача

1.6. Толстостенная труба, подверженная равномерному внешнему и внутреннему давлениям.

Будем считать, что на внутренней поверхности трубы r = a

действует равно-

мерно распределенное давление

pa , а на внешней r = b − давление pb . Гранич-

ные условия в напряжениях в этом случае имеют вид:

 

σr = −pa

,

τrθ = 0

при

r = a (на L1 ) ;

 

σr = −pb

,

τrθ = 0

при

r = b (на L2 ) .

 

Разложения внешней нагрузки на контурах L1 ( N ′ = pa ,

T ′ = 0 ) и на L 2

( N ′′ = −pb , T ′′ = 0 ) в комплексные ряды Фурье позволяют получить, что

 

A′0 = −pa ,

A′0′ = −pb ,

 

а все остальные коэффициенты равны нулю. Соответственно, в разложениях комплексных функций Φ(z) и Ψ(z) отличными от нуля будут только коэффициенты

a0 и a′−2 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

′′

 

2

′

 

2

 

 

 

 

 

′′

 

′

2

b

2

 

a0

=

 

 

A 0 b

 

− A

0 a

 

 

,

a′−2 =

 

(A

0 − A 0 ) a

 

 

 

2

 

 

 

 

b2

−a2

 

 

 

 

 

 

b2 −a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или, с подстановкой значений коэффициентов A′0

 

и A′′0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

p b2

− p

a

a2

 

 

( p

a

− p

b

) a2b2

 

 

a0

= −

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

,

a′−2 =

 

 

 

 

 

 

.

2

 

b2 −a2

 

 

 

 

 

 

b2 −a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, комплексные функции Φ (z) и Ψ (z)

принимают вид:

Φ(z)= −

1

 

pb b2 − pa a2

2

 

b2 − a 2

 

 

 

Ψ(z)=

( pa − pb ) a2b2

 

1

 

z 2

 

 

b2 − a2

 

,

.

60

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]