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第八章空间问题的解答

●第八章空间问题的解答

●学习指导

●本章介绍空间问题按位移求解的方法和按应力求解的方法,其思路和步骤与平面问题相似。

读者可对照平面问题来学习和理解。

●空间问题的位移法比应力法尤为重要。

一是因为位移法可以适用于各种边界条件的问题;二是位移法的未知函数数目比应力法少,而在空间问题中,又没有如平面问题那样,有普遍性的应力函数存在。

在近似解法中,位移法得到广泛的应用。

●为了便于空间问题的求解,力学家和数学家提出了一些应力函数、位移势函数和位移函数等来表示应力或位移,使相应的微分方程得到简化,并从而得出了一些解答。

但读者应注意,这些函数都是人为假定的和有局限性的,并不能作为问题的一般解,因为并不能保证这些函数在任何情况下都存在。

●扭转问题是空间问题中的一个专门问题。

扭转问题的理论,是从空间问题的基本方程出发,考虑扭转问题的特性而建立起来的。

扭转问题的应力函数Φ(x,y),是x,y坐标变量的函数,所以仍然是二维问题。

●§8-1按位移求解空间问题

⏹对于直角坐标系(x,y,z)中的一般空间问题,按位移求解的方法与平面问题相似,即

●取u,v,w为基本未知函数。

●将应变用位移来表示。

可以引用几何方程(7-11)。

⏹将应力用位移来表示。

可以通过物理方程(7-14),将应力先用应变来表示;再代入几何方程,从而得出

⏹其中

●将式(8-1)代入区域内的平衡微分方程(7-1),得到求解位移的基本方程,

⏹其中▽2是空间问题的拉普拉斯算子,

●将式(8-1)代入应力边界条件(7-5),得出用位移表示的应力边界条件,

⏹位移边界条件仍为

⏹归纳起来讲,按位移求解空间问题,位移u,v,w必须满足

(1)区域内的平衡微分方程(8-2),

(2)sσ上的应力边界条件(8-4)和(3)su上的位移边界条件(8-5)。

⏹在空间问题中,按位移求解比按应力求解尤为重要。

原因是:

●在平面问题中,按位移求解u,v两个未知函数,而按应力求解却有三个未知函数。

但艾里导出了平面问题的应力函数Φ并证明了它的存在性,使按应力求解转化为只求一个未知函数Φ的问题。

⏹在空间问题中,按应力求解包含6个未知函数,且没有可供简化的普遍性的应力函数存在。

而按位移求解只有三个未知函数,比应力法的未知函数的数目少得多。

●用位移表示应力边界条件较为简单,因此位移法适用于各种边界条件的问题。

而用应力表示位移边界条件时,要进行积分运算并包含了待定项,使表达式既复杂又不易求解,从而限制了应力法的应用。

⏹在近似解法中,位移法得到了广泛的应用。

⏹对于柱坐标(ρ,φ,z)中的空间轴对称问题,按照相似的步骤可以导出按位移求解的方程。

按位移求解空间轴对称问题,包含两个未知的位移函数up和uz(uφ=0),它们应满足:

(1)区域内用位移表示的平衡微分方程,即教科书中式(8-4),

(2)sσ上的应力边界条件(用位移表示),(3)su上的位移边界条件。

由于ρ和z坐标相互之间不具有对等性,因此,ρ和z对应的方程和边界条件也不具有对等性。

⏹空间轴对称问题的边界面,通常都是ρ和z坐标面,因此,边界条件也较为简单。

●思考题

●试导出空间问题中sσ上的应力边界条件(8-4)。

●试导出空间轴对称问题中用位移表示的平衡微分方程,教科书中式(8-4),并将sσ上的应力边界条件(sp),=

用位移来表示。

●§8-2半空间体受重力及均布压力

⏹本题作为空间问题,按位移求解。

其方法是,基本未知函数u,v,w应满足:

(1)区域内的平衡微分方程(8-2),

(2)sσ上的应力边界条件(8-4)和(3)su上的位移边界条件(8-5)。

对于具有对称性的问题,首先考虑对称性条件,能使问题预先得到很大的简化。

本题是半空间体的边界上,受有均布压力q,在体积内受有重力fz=ρg。

从图8-1可见,任何x面和y面均为对称面,因此,可设定

●然后进行求解:

⏹将位移代入平衡微分方程(8-2),前两式自然满足,而第三式成为一个常微分方程,求出解答为

⏹由式(b)及(a)求出应力分量,再代入z=0的应力边界条件

⏹后两式自然满足,由第式解出A=ρg。

读者应注意,在一般的空间问题的边界条件中,边界面是一个面,不再如平面问题的边界可简化为一条线;且边界条件应有三个,分别对应于x,y,z方向。

⏹本题只有一个z=0的受面力的边界面,没有受约束的边界面su。

但为了求出w中的刚体位移分量B,即

●还需要考虑刚体约束条件,如书中所讨论。

⏹侧压力系数是

⏹它表示侧面压力与铅直压力之比。

我们可以进一步讨论如下:

⏹当μ=1/2时,sx=sy=sz,此时已成为各向相同的应力状态。

从μ本身来讲,μ大,则侧向变形大,侧向压力也大。

μ=1/2,说明物体的刚度极小,柔度极大,实质上已与流体相同。

⏹当μ=0时,正应力不引起侧向变形,说明物体的刚度极大,已与刚体相同。

⏹按位移求解空间问题,也可以引用位移势函数和位移函数,以简化求解的方法。

读者同样应注意,这些人为假定的位移势函数或位移函数,不具有普遍性,只能用来解决某些问题。

但作为解决问题的思路和方法,是值得我们参考和借鉴的。

●用位移势函数求解空间问题

⏹假设位移u,v,w是有势的函数,它们可以分别用位移势函数Ψ(x,y,z)的导数来表示,即

⏹将上式代入用位移表示的平衡微分方程(8-2),若不计体力,则得

⏹式(a)可以归并为

⏹其中C为任意常数。

若取C=0,则上式成为拉普拉斯方程,Ψ为调和函数,即

⏹将式(8-6)代入应力公式(8-1),则应力也可以用位移势函数表示为

⏹求解的方法是:

(1)由▽2Ψ=0求出Ψ势函数;

(2)由Ψ求位移[式(8-6)]及应力[式(8-8)];(3)使位移和应力满足sσ和su上的边界条件。

⏹位移势函数的局限性是,Ψ是人为假定的,且相应的体积应变θ=▽2Ψ=0,因此,它只适用于弹性体内各点均无体积应变的情形(如纯剪切问题)。

●用伽辽金位移函数求解空间问题

⏹伽辽金假定位移可以表示如下形式,

 

⏹其中ξ,η,ζ均为x,y,z函数。

由于(x,y,z)具有对等性,上式也用对等的公式表示。

⏹将位移表达式(8-9)代入用位移表示的平衡微分方程(8-2),若不计体力,则得

⏹式(8-10)是ξ,η,ζ应满足的方程,可见它们都是重调和函数。

⏹应力也可以用位移函数来表示。

于是,求解空间问题的位移u,v,w就化为求解ξ,η,ζ函数的问题,它们都应满足重调和方程(8-10),并在边界上满足相应的边界条件。

引用这种位移函数,其未知函数的数目并没有减少,但使它们应满足的方程简化了。

⏹力学家曾应用上述位移势函数和位移函数解出一些空间问题的解答,有时还采用二者组合的方式来求解空间问题。

●思考题

●如果图8-1的问题改为平面应力问题,或平面应变问题,试考虑应如何按位移求解?

●若将空间问题的伽辽金位移函数向平面应变问题简化,将得出什么形式的表达式?

再转向为平面应力问题,又将得出什么形式的表达式?

并与平面问题的位移函数相比较(见第二章小结)。

●试由伽迪金位移函数的表达式(8-9),导出式(8-10)。

●§8-3半空间体在边界上受法向集中力

图8-2表示半空间体在边界上受一法向集中力的问题。

显然,它属于空间轴对称问题。

采用按位移求解的方法,其基本未知函数uρ和uz只是ρ和z的函数,它们应满足:

⏹两个用位移表示的空间轴对称问题的平衡微分方程,见教科书§8-3中式(a)。

⏹半空间体只有一个水平边界面z=0,且为应力边界条件。

由于在O点有集中力F作用,因此,边界条件应分为两部分考虑:

a.除原点以外的表面上,有

应用圣维南原理来处理O点附近小边界上的条件,取出z=0~z的一片薄板,考虑其平衡条件

⏹这里应注意,在空间轴对称问题中,应力边界条件也退化为2个,对应于ρ和z方向。

在考虑z=0~z板的平衡条件时,应有6个条件,∑Fz=0,∑Fy=0,∑Fz=0和∑Mx=0,∑My=0,∑Mz=0,但由于位移和应力已经满足了轴对称条件,因此,除式(b)外其余的平衡条件都已自然满足。

⏹教科书中的解答(8-6)和(8-7)满足了上述全部条件,因而,它们是该问题之解。

这个解答用于按连杆法求解基础梁板的空间问题,如教科书中所述。

⏹上述半空间体受法向集中力的问题,是应用空间轴对称问题的位移势函数和拉甫位移函数而得出解答的。

在按位移求解中采用这些函数来表示位移,可以使空间轴对称问题得到简化,介绍如下。

●对于空间轴对称问题,当不计体力时,位移分量可以用位移势函数Ψ(ρ,z)表示为

●代入用位移表示的空间轴对称的平衡微分方程,见教科书§8-3中式(a),若不计体力,得

●这两式可归结为▽2Ψ=C,若取C=0,则位移势函数应满足拉普拉斯方程

●其中

⏹相应于式(8-11)的应力分量为

⏹于是,按位移势函数Ψ求解时,Ψ应满足拉普拉斯方程(8-12),并在边界上满足位移或应力的边界条件。

采用位移势函数的局限性,如同平面问题中的位移势函数一样,仍然是体积应变为零,即

●引用拉甫位移函数求解空间轴对称问题

⏹拉甫引用位移函数ζ(ρ,z)来表示位移分量,

⏹代入用位移表示的空间轴对称问题的平衡微分方程,两式都得出

⏹将式(8-14)代入几何和物理方程,便可得出应力用ζ表示的表达式,

⏹于是,对于空间轴对称问题,可以引用位移函数ζ来进行求解。

ζ应满足重调和方程(8-15),并在边界上满足位移或应力边界条件。

●思考题

●试由位移势函数的表达式(8-11),导出式(8-12)。

●试由拉甫位移函数的表达式(8-14),导出式(8-15)。

●§8-4按应力求解空间问题

⏹弹性力学中各类问题的基本方程和边界条件,以及基本解法都是相似的,其区别主要在于未知函数和方程数目的多少。

⏹按应力求解空间问题,可以按相似于平面问题的步骤导出其基本微分方程。

在直角坐标系中,

●取σx,τyz,…应力分量为基本未知函数。

●形变分量可以通过物理方程(7-13)用应力来表示。

而位移分量要通过对形变分量的积分才能用应力来表示,这样又出现了待定的积分函数。

因此,对于有位移边界条件(或者有混合边界条件以及多连体中的位移单值条件)的问题,其中的位移用应力来表示时既复杂又难以求解。

所以,按应力求解函数式解答时,也只解全部为应力边界条件的问题(s=sσ,su=0)。

●在区域V内导出求应力的基本方程:

⏹三个平衡微分方程(7-1),只包含应力分量,可以作为求解的基本方程。

⏹其余的方程可以从几何方程中消去位移分量,导出变形之间的关系式,即形变协调条件,或称为相容方程,表示于教科书中的式(8-10)和(8-11)。

然后,再通过物理方程消去形变分量,从而导出只含应力的相容方程,即书中的式(8-12)[或在无体力情况下的式*8-13]。

●假设全部边界条件都为应力边界条件,s=sσ,则在边界上应满足应力边界条件(7-5)。

⏹归纳起来讲,按应力求解空间问题时,6个应力分量在区域V内应满足3个平衡微分方程(7-1)和教科书中的6个相容方程(8-12)或(8-13);在边界上应满足3个应力边界条件(假设全部为应力边界条件,s=sσ)。

此外。

若为多连体,还应满足位移的单值条件。

⏹对于空间问题的相容方程,可作以下几点说明:

●物体在满足连续性的条件下,可以导出形变和位移之间的几何关系式——几何方程,并从而导出形变之间的相容方程。

因此,相容方程是物体变形后保持连续性的必然结果。

●如果形变分量满足上述六个相容方程,则形变分量对应的位移存在且连续性的必要条件。

如果形变分量不满足相容方程,则此组形变不能保证弹性体在变形后的连续性,因此,它们不是弹性体的实际形变,对应的位移也不存在。

这部分的证明可参见参考文献[8](P.49-57)。

●相容方程是如何导出的,且必须有六个,还可以有多种方法证明,如从变分方程导出相容方程(见参考文献[7],P.303-308);又如根据位移的连续性条件,其导数必然存在而且相容[多元函数的导数具有相容性,可以交换求导的次序,如

],从而可以导出相容方程(见参考文献[13]),等。

●按应力求解空间问题,其基本未知函数是6个应力分量。

这6个应力分量必须在区域内满足3个平衡微分方程和6个相容方程。

应当说明的是,在微分方程中未知函数的数目和方程的数目并不一定相等。

⏹我们可以举一例来说明:

微分方程

⏹的解是f=A+Bx。

对上式求导一次。

则由上式得出新的方程

⏹其解是f=A+Bx+Cx2。

由此可见,虽然式(b)是从式(a)导出的,但式(b)的解答比式(a)增加了,增加的解答Cx2却不是原方程(a)的解。

因此,与代数方程的幂次提高后会出现增根的现象相似,微分方程的阶数提高也会出现增加解答的现象。

⏹对比相容方程和几何方程:

几何方程中只出现形变分量本身,而在相容方程中,形变分量以二阶导数的形式出现。

因此,相容方程中形变分量的导数阶数的提高,必然增加出新的解答,但它们不是原几何方程的解答。

这时,增加的微分方程数目正好用来限制并排除对于原方程的多余的解。

●在按位移求解弹性力学问题时,未知函数是位移分量,它们应满足的条件是:

(1)区域内的平衡微分方程,

(2)sσ上的应力边界条件,(3)su上的位移边界条件。

其中

(1)、

(2)都是属于静力平衡条件(分别表示区域内和sσ边界上的微分体的平衡),而(3)是属于位移连续性条件,即在su边界上位移与约束的连续性条件。

在位移变分法中,令su上的位移边界条件预先满足(在设定u,v试函数时强迫满足),而

(1)、

(2)的静力条件则由位移变分方程来反映。

⏹在按应力求解弹性力学问题时,未知函数是应力分量,它们应满足:

(1)区域内的平衡微分方程,

(2)区域内的相容方程,(3)sσ上的应力边界条件,(4)su上的位移边界条件,(5)多连体中的位移单值条件。

其中

(1)、(3)是静力平衡条件;而

(2)、(4)及(5)都是位移连续性条件。

相容方程是区域内的位移连续性条件,位移单值条件是多连体中的位移连续性条件。

在应力变分法中,取应力分量为基本未知函数,在设定应力的试函数时,令它们预先满足静力平衡条件

(1)和(3),而其余的条件由应力变分方程来反映。

⏹在按应力求解空间问题中,力学家也提出了几种应力函数以简化问题的求解。

当然这些应力函数不具有普遍性,是人为假定的。

例如,麦克斯韦提出下列应力函数

⏹令

⏹此组应力分量(c)能完全满足无体力的平衡微分方程(7-1)。

因此,χ1,χ2,χ3只须满足相容方程及边界条件等就可以了。

⏹此外,力学家还提出了其他几种应力函数,读者可参见参考文献[6],[7]。

●思考题

●试考虑:

从空间问题的相容方程,可以导出平面应变问题的相容方程,却不能直接导出平面应力问题的相容方程,为什么?

⏹提示:

见例题4。

●在表面均受到法向压力q作用的任意形状空间体,其应力分量是σx=σy=σz=-q,τyz=τzx=τxy=0。

试证明这些应力分量是该问题之解(对于多连体还应满足位移单值条件)。

●§8-5等截面直杆的扭转

⏹如同平面问题是空间问题的一个特例,扭转问题也是一个特殊的空间问题。

根据扭转问题的特性来简化空间问题的基本方程和边界条件,就建立了扭转问题的基本理论。

扭转问题是机械工程中的一个基本力学问题,早在1854-1856年圣维南就发表了关于柱体扭转和弯曲的论文,开创了这方面的工作,并在其中提出和应用了‘圣维南原理’。

⏹扭转问题的提出,可归纳为:

(1)等截面的柱体;

(2)无体力作用,fx=fy=fz=0;(3)柱体的侧面无任何面力作用,

,而在柱体的上下端面上有面力作用,并合成为一对大小相等,方向相反的力矩M,图8-3。

⏹扭转问题属于空间问题,采用按应力求解空间问题的解法进行研究。

按应力求解空间问题时,其基本未知函数为6个应力分量,它们应满足3个平衡微分方程(7-1),6个相容方程[见教科书中式(8-13)]和边界条件。

下面来介绍扭转问题基本理论的建立。

●由于两端面(±z面)无面力

,所以可认为σz=0。

在侧面上无任何面力,

,所以可认为σx=σy=σz=τxy=0。

由此,在扭转问题中假设

●因此,只有τzx和τzy两个应力分量。

应力应满足平衡微分方程,将式(8-17)代入平衡微分方程(7-1),其中的体力均为零,得

⏹由前两式得出,τzx和τzy仅为(x,y)的函数,而第三式可写成

⏹由偏导数的相容性,有

⏹对比式(b)和(c),可见这两个切应力可以用一个函数Φ表示为

⏹Φ称为扭转应力函数或普朗特函数。

●将应力分量式(8-17),(8-18)代入6个相容方程[教科书中式(8-13)],其中前三式及最后一式自然满足,而其余二式成为

⏹再代入式(8-18),得

⏹由此得出

⏹C为特定常数。

●考虑边界条件:

扭转问题的全部边界均为应力边界条件,每边应有三个,如式(7-5)所示。

先来考察侧面边界条件:

在侧面上,方向余弦n=o,而力

将应力(8-17)代入三个应力边界条件(7-5),前两式自然满足,而第三式为

⏹将式(8-18)代入,并在边界上有l=dy/ds,m=-dx/ds(见第五章图5-2),有

⏹由此得到Φ,在边界上应为常数,又由于Φ中的常数不影响应力,取

⏹在杆的上下端,z=0是小边界面。

圣维南提出并应用圣维南原理,来处理边界条件:

即使z=0边界上,应力的主矢量和主矩,应分别等于面力的主矢量和主矩(数值相等,方向一致)。

对于空间问题,应用圣维南原理时应有六个主矢量和主矩的对等条件,即

⏹由于z=0面上,σz=0,因此,∑Fz,∑Mx,∑My的对等条件自然满足,而其余3个∑Fx,∑Fy和∑Mz的对等条件表示于教科书中§8-5中的式(c)、(d)和(e)三式。

这三个条件最后导出

⏹其中A为截面面积,其导出的过程表示于教科书中。

⏹由此,按应力求解扭转问题,已经归纳为求解一个扭转应力函数Φ(x,y),它应满足:

(1)区域A内的方程(8-19);

(2)侧面上的边界条件(8-20);(3)端面的边界条件(8-21)。

读者可以检验,上述应力分量已全部满足了按应力求解空间问题的所有条件。

⏹教科书中还导出了由应力求位移的过程,得出扭转问题的位移表达式,即

⏹其中K为单位柱体长度的扭角。

并且还得出

⏹对比方程(8-19),得出其中的常数C具有物理意义

⏹扭转问题中应力函数的自变量只有x,y二个,因此,扭转问题也属于二维问题。

●思考题

⏹试考虑:

上面建立的分析方法是精确的理论还是近似的理论,其中提出的一些假设是否完全成立?

●§8-6扭转问题的薄膜比拟

⏹对于物理现象不同但数学描述相同的问题,可以应用比拟方法来求解。

因为从数学上看,

它们的方程、边界条件及解法都是相同的。

⏹设薄膜很薄,只能承受拉力FT,而不能承受弯曲、压缩、扭转、剪切等作用。

若使薄膜张在水平边界上并受到微小的气体压力q,图8-4,则可建立薄膜的平衡方程和边界条件等,如教科书中所示。

⏹常截面杆的扭转问题和薄膜受气体压力的问题,两者的微分方程和边界条件是相同的,列表对比如下:

 

⏹从上表可见,这两个问题可以进行比拟:

扭转应力函数Φ对应于薄膜垂度z,扭转M对应于薄膜所包含的2倍体积2V,切应力对τzx对应于薄膜斜率iy,切应力τzy对应于薄膜斜率iy,切应力τzy对应于薄膜斜率-ix(注意τzy是z面上y向的切应力,而ix是薄膜曲面的x向斜率)。

因此,求解扭转问题可以化为求解薄膜垂度的问题。

⏹应用薄膜比拟方法,我们可以通过薄膜受力的实验来求扭转问题的解答;也可以应用薄膜比拟,来提出关于扭转应力函数的假设,从而可用半逆解法求解扭转问题的解答。

对于薄壁构件的扭转,则用薄膜比拟方法就可以直接求出其解答,而不必通过实验。

●§8-7椭圆截面杆的扭转

⏹扭转问题已归结为求一个扭转应力函数Φ,它应满足

⏹扭转问题的求解相对于平面问题,还是较为简单的。

式(a)是泊松方程,其中C是常数,因此其特解很容易表示,且C可以通过式(c)来求出;而其通解是调和函数,在数学上已有深入的研究。

对于椭圆截面杆问题,为了满足边界条件(b),即(Φ)s=0,可以直接将边界方程

中的因子纳入Φ中即可满足。

⏹教科书中求解了椭圆截面杆的问题,可以简单提几点:

●当a=b时,即得圆截面杆的解答。

●当a≠b时,采用薄膜比拟的方法可知,最大切应力发生在对应于薄膜有最大斜率处,因此,τmax应发生在短轴的边界上。

●由位移

可见,椭圆截面在变形后发生翘曲,不再保持为平面,因此,材料力学中的平面截面假设不再成立。

只有在圆截面时(a=b),平面截面的假设才是成立的。

●§8-8矩形截面杆的扭转

对于矩形截面杆的扭转,图8-6,教科书中分几点进行讨论。

●狭矩形截面杆(a≥b)的扭转

⏹对于矩形a≥b,从薄膜比拟方法来看,

(1)在边界条件中应主要考虑并满足长边(y=±b/2)的条件,而短边(x=±a/2)上的条件即使不满足,也只会影响两端的局部区域。

(2)在方程(8-23)中,应主要考虑y向的导数,可以忽略x向的导数,从而将方程简化为d2Φ/dy2=C。

由此,教科书中得出了狭矩形截面扭转的解答:

扭转应力函数是

⏹以及教科书中表示的切应力等的解答,即

⏹切应力

⏹最大切应力

⏹扭角

●一般矩形截面杆的扭转

⏹具体解法是,采用狭矩形解答为基础,再叠加一个修正解的方法,即令

⏹Φ1即为式(a)所示。

将Φ2代入扭转问题中应考虑的条件:

⏹即可导出修正解F应满足的条件:

⏹及

⏹从式(d)可见,F是调和函数。

由式(d)、(e)及(f)解出F,便得到一般矩形截面杆扭转的解答(具体用双曲函数和三角函数的级数表示)。

教科书中将简化的结果表示于式(8-34)和(8-35),以便于工程师应用。

●薄壁构件的扭转

⏹薄壁构件的截面都是狭矩形,可以从薄膜比拟方法直接找出其解答。

从薄膜比拟方法,我们可以得出几点结论:

⏹一个狭矩形截面上的切应力,扭角等的解答,可以直接引用本节1部分的解答式(8-30)~(8-32)。

⏹当狭矩形的宽度和长度相同时,对于直线形或曲线形的狭矩形截面,薄膜的变形是相似的,因此,它们的切应力和扭角等都相同。

⏹对于由一组薄壁杆件组成的构件,则由若干个狭矩形截面共同来承担扭矩。

这时,只需考虑:

a.各个截面的扭角K相同,b.总扭矩是各个截面的扭矩之和,即

⏹便可解出(τi)max及Mi,K,M,结果表示于教科书中。

●闭口薄壁杆件的扭转

⏹应用薄壁比拟方法,同样可以求解闭口薄壁杆件的扭转问题。

设闭口薄壁杆的截面如图8-7a所示,薄壁杆的中心线长为s,中心线所包含的面积为A。

由于图示闭口截面为复连通域,取外边界s1上Φs1=0,则内边界s2上不再可以任意选择,应取s2上Φs1=h,如图所示。

在内边界s2上,相当于有一块无重刚性板悬挂于边界上,且受到q作用。

⏹由于切应力对应于薄膜的斜率,因此

⏹又有

⏹得

⏹由此得出闭口薄壁杆的切应力公式,

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