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弹性力学习题课课时
5 典型例题
5.1 直角坐标解法
例题1 试列出图 -1的边界条件。解:(a)对于图 -1(a)的问题,在主要边界 y= ± h/2应精确满足下列边界条件:
图 - 1
在小边界(次要边界)x= 0,应用圣维南原理,列出三个积分的近似条件,当板厚δ=1时,
在小边界处,当平衡微分方程和其他各边界条件都已满足的条件下个积分的边界条件必然满足,可以不必校核。
(b)在主要边界 x=0b,应精确满足下列边界条件:
x=0,σx = -ρgy,τxy =0;
x= b,σx =0, τxy = - q。
在小边界 y=0,列出三个积分的边界条件,当板厚δ=1时
注意,在列力矩的条件时,两边均是对原点O的力矩来计算的。对于的小边界可以不必校核。
例题 图-2所示的矩形截面柱体,在顶部受有集中力F和力矩M =的作用,试用应力函数Φ = Ax3+ Bx2
求解图示问题的应力及位移,设在 A 点的位移和转角均为零。图 -2
解:应用应力函数求解:(1)校核相容方程,满足。(2)求应力分量,在无体力时,得σy =6Ax+2B, σ =τxy =0。(3)考察主要边界条件,
x= ± b σx =0, τxy =0,均已满足。考察次要边界条件,在 y=0上(τyx)y=0 =0, 满足;
得 ;
得 代入,得应力的解答,
, σx =τxy =0。
上述Φ和应力已满足了和全部边界条件,因而是上述问题的解。(4)求应变分量,,,
(5)求位移分量,
由,对x积分,得;
由对 y积分,得
将u,v代入几何方程第三式
两边分开变量,并令都等于常数ω,即
从上式分别积分,求出
代入uv,得
再由刚体约束条件,
得, 得
, 得代入u,v,得到位移分量的解答:
在顶点 x= y=0,
例题 矩形截面的简支梁上,作用有三角形分布荷载,图 -3。
图 -3
试用下列应力函数
Φ = Ax3y3+ Bxy5+ Cx3y+ Dxy3+ Ex3+ Fxy,求解应力分量。
解:应用上述应力函数求解:(1)将Φ 代入相容方程, 72A +120B =0, 得。由此,
(2)求应力分量,在无体力下,得
(3)考察主要边界条件(y= ± h/2),y= ± h/2,τxy =0,得
对于任意的x值,上式均应满足,由此得 (a)
(b)
y= h/2, σy =0, (c)
y= - h/2,, (d)
(c)+(d)得
(c)-(d)得
(e)-(a)得,。
(4)考察小边界上的边界条件(x=0),由
得 (f)
由式(b)和(f)解出
另两个积分的边界条件
显然是满足的。于是,将各系数代入应力表达式,得应力解答:
。
读者试校核在 x= l的小边界上,下列条件都是满足的,
,
5.2 极坐标解法
例题(习题 4-8) 试考察应力函数能解决图-4所示弹性体的何种受力问题?
图 - 4
解:本题应按逆解法求解。首先校核相容方程是满足的。然后,代入教科书中应力公式(4-5),求出应力分量:
再求出边界上的面力:
φ= ±30°面上, ;
面上, 。面力分布如图-4b所示,因此上述应力函数可解决如图所示的受力问题。
例题(习题4-9) 半平面体表面受有均布水平力q,试用应力函数求解应力分量,图-5。
图-5
解:首先检验Φ,已满足由Φ 求应力,得
再考察边界条件。注意本题有两个φ面,即,分别为 ±φ面。在 ±φ面上,应力符号以正面正向、负面负向为正。因此,有
,得:
代入应力公式,得应力解答
例题(习题 4-18) 设半平面体在直边界上受有集中力偶,单位宽度上的力偶矩为M,图-6,试求应力分量。图-6
解:应用半逆解法求解。(1)按量纲分析方法,单位宽度上的力偶矩与力的量纲相同。应力应与M,ρ,φ有关,由于应力的量纲是单位面积上的力,即,应力只能以形式组合。(2)Φ应比应力的长度量纲高二次幂,可假设Φ=Φ(φ)。(3)将Φ代入相容方程,得
删去因子,得一个关于Φ(φ)的常微分方程。令其解为,代入上式,可得到一个关于λ的特征方程
其解为λ=2i-2i,0,0。于是得到Φ的四个解;前两项又可以组合为正弦、余弦函数。由此得Φ = Acos2φ+ Bsin2φ+ Cφ+ D。
本题中结构对称于φ= 0的x轴,而M 是反对称荷载,因此,应力应反对称于x轴,为φ的奇函数,从而得 A = D =0,Φ = Bsin 2φ+ Cφ。(4)由Φ求得应力分量,
(5)考察边界条件。由于原点O有集中力偶作用,应分别考察大边界上的条件和原点附近的条件。
在ρ≠0,φ= ±π/2的边界上,有(σφ)ρ≠0,φ= ±π/
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