弹性力学逆解法和半逆解法多项式解法ppt课件

1、弹性力学弹性力学朱明礼 njzhu2019163第二章 平面应力问题和平面应变问题第三节第三节 位移分量的求出位移分量的求出第四节第四节 简支梁受均布荷载简支梁受均布荷载第五节第五节 楔形体受重力和液体压力楔形体受重力和液体压力例题例题第一节第一节 逆解法与半逆解法逆解法与半逆解法 多项式解答多项式解答第二节第二节 矩形梁的纯弯曲矩形梁的纯弯曲第三章 平面问题的直角坐标解答31 逆解法和半逆解法逆解法和半逆解法 多项式解法多项式解法 当体力为常量，按应力函数当体力为常量，按应力函数 求解平面求解平面应力问题时，应力问题时， 应满足应满足 按 求解40.(a)S, .(b)xyxxyxyyssl

2、mfmlf 多连体中的位移单值条件。 (c) S = 上应力边界条件, A内相容方程第三章 平面问题的直角坐标解答 对于单连体，(c)通常是自然满足的。只须满足(a),(b)。 由 求应力的公式是,22xfyxx,22yfxyy.2yxxy(d)第三章 平面问题的直角坐标解答2 .逆解法 先满足(a),再满足(b)。步骤:04 ;.)()(,sxyyysxyxxlmfmlf(e)逆解法; , ,xyyx 先找出满足 的解 在给定边界形状S下，由式(b)反推出 各边界上的面力， 代入(d), 求出第三章 平面问题的直角坐标解答 从而得出，在面力(e)作用下的解答，就是上述 和应力。 逆解法 逆解

3、法没有针对性，但可以积累基本解答。第三章 平面问题的直角坐标解答例2 二次式 ，分别表示常量 的应力和边界面力。如图示。例1 一次式 对应于无体力， 无面力，无应力状态。故应力函数加减 一次式，不影响应力。axbyc22cybxyax逆解法2a2aoyxoyxoyxbbbb2c2c第三章 平面问题的直角坐标解答 代入 ，解出 ；3.半逆解法 步骤：04 半逆解法 由应力(d)式，推测 的函数形式； 假设应力的函数形式 （根据受力情况，边界条件等）；第三章 平面问题的直角坐标解答 由式d），求出应力；半逆解法 校核全部应力边界条件对于多连体， 还须满足位移单值条件）。 如能满足，则为正确解答；否

4、则修改假设，重新求解。第三章 平面问题的直角坐标解答思考题半逆解法1. 在单连体中，应力函数必须满足哪些条件？逆解法和半逆解法是如何满足这些条件的？2. 试比较逆解法和半逆解法的区别。第三章 平面问题的直角坐标解答3-2 矩形梁的纯弯曲矩形梁的纯弯曲 梁lh1，无体力，只受M作用力矩/单宽，与力的量纲相同）。本题属于纯弯曲问题。 问题提出 h/2 h/2lyx ( l h)oMM第三章 平面问题的直角坐标解答 由逆解法得出，可取 ，且满足 求应力 . 04 ,6ayx. 0 xyy3ay(a) 求解步骤：04 本题是平面应力问题,且为单连体，若按 求解， 应满足相容方程及 上的应力边界条件。s

5、s 第三章 平面问题的直角坐标解答 检验应力边界条件，原则是: 边界条件 b.后校核次要边界小边界），若不能精确满足应力边界条件，则应用圣维南原理，用积分的应力边界条件代替。 a.先校核主要边界大边界），必须精确满足应力边界条件。第三章 平面问题的直角坐标解答主要边界主要边界 , 2/hy , 0)(2/ hyy/2()0 . (b)xyyh 从式(a)可见，边界条件(b)均满足。, 0)(,0lxxy满足。主要边界次要边界次要边界 x=0, l, x=0, l,(c) 的边界条件无法精确满足。x第三章 平面问题的直角坐标解答次要边界/20,/2/20,/2()d10,(d)()d1hxxlh

6、hxxlhyyyM 。用两个积分的条件代替 第三章 平面问题的直角坐标解答 当 时，即使在 边界上面力不同于 的分布，其误差仅影响梁的两端部分上的应力。式(d)的第一式自然满足，由第二式得出。3/2hMa最终得应力解,123yIMyhMx(e)hl lx, 0 x. 0 xyy第三章 平面问题的直角坐标解答 如果区域内的平衡微分方程已经满足，且除了最后一个小边界外，其余的应力边界条件也都分别满足。则我们可以推论出，最后一个小边界上的三个积分的应力边界条件即主矢量、主矩的条件必然是满足的，因此可以不必进行校核。试对此结论加以说明。思考题第三章 平面问题的直角坐标解答3-3 位移分量的求出位移分量

7、的求出 在按应力求解中，若已得出应力，如何求出位移？以纯弯曲问题为例，知, yIMx, 0 xyy试求解其位移。问题提出第三章 平面问题的直角坐标解答1. 由物理方程求形变。0)1 (2,)(1,)(1xyxyxyyyxxEyEIMEyEIME求形变第三章 平面问题的直角坐标解答2. 代入几何方程求位移, (a), (b)0 ( )xyxyuMyxEIvMyyEIvucxy 。求位移第三章 平面问题的直角坐标解答 对式(a)两边乘 积分, xd),(1yfxyEIMu 对式(b)两边乘 积分 , yd。)(222xfyEIMv求位移第三章 平面问题的直角坐标解答 再代入(c) , 并分开变量，

8、21d( )d( )()ddfxfyMxEIxy 。 上式对任意的 x , y 都必须成立，故两边都必须为同一常量 。求位移第三章 平面问题的直角坐标解答由此解出10220(),().2fyyuMfxxxvE I 求位移0220,22MuxyyuEIMMvyxxvEIEI 。得出位移为3.待定的刚体位移分量 ，00,vu.须由边界约束条件来确定。第三章 平面问题的直角坐标解答2.代入几何方程，积分求 ； 归纳：从应力求位移步骤：vu,00, u v。3.由边界约束条件确定确定刚体位移分量 由物理方程求出形变；第三章 平面问题的直角坐标解答2. 铅直线的转角 故在任一截面x 处，平面截面假设成立

9、。纯弯曲问题的讨论：1. 弯应力 与材料力学的解相同。x,uMxyEI3.纵向纤维的曲率 同材料力学的结 果。故在纯弯曲情况下，弹性力学解与材料力 学解相同。 EIMxv221第三章 平面问题的直角坐标解答思考题2. 试证明刚体位移 实际上表示弹性体中 原点的平移和转动分量，并应用本节的解答加以 验证。 提示：微分体的转动分量为00,u v。yuxvw21弹性力学中关于纯弯曲梁的解答，与材料力学 的解答在应力、形变等方面完全 一致。由此 是否可以说在纯弯曲情况下材料力学中的平截 面假设成立？第三章 平面问题的直角坐标解答3-4 简支梁受均布荷载简支梁受均布荷载简支梁 ，受均布荷载 及两端支撑反

10、力 。12 hlq。ql问题qqlqlyxoll h/2 h/2第三章 平面问题的直角坐标解答21()() ,2xMq lxq lx2123( )( )( );xx f yxfyfy(),xysFqlq lx 12()();xyxfyfy ,yq 常数( )yf y。现采用此假设。半逆解法按半逆解法求解。 假设应力分量。由材料力学,xsyM F q因为因为所以，可假设所以，可假设因为所以，可假设第三章 平面问题的直角坐标解答 由应力分量推出应力函数的形式。由),(22yfxy对 x 积分，),()(1yfyxfx212( )( )( ).2xfyxfyfy对x再积分，(a)半逆解法第三章 平面

11、问题的直角坐标解答 将 代入相容方程，求解 :. 0)d)(d2d)(d(d)(dd)(d2122424414244yyfyyfxyyfxyyf相容方程对于任何 均应满足,故yx,012,xxx的系数均应等于0，由此得三个常微分方程。半逆解法第三章 平面问题的直角坐标解答.610,2345223123KyHyyByAfGyFyEyfDcyByAyf式(b)中已略去对于 的一次式。将式(b)代入式(a)，即得 。(b)半逆解法解出:第三章 平面问题的直角坐标解答 对称性条件由于结构和荷载对称于 轴，故 应为 的偶函数， 为 x的奇函数，故 。 由 求应力。yyx ,xxy0GFE,半逆解法 在无

12、体力下，应力公式如书中式( f ), (g),(h)所示。第三章 平面问题的直角坐标解答 考察边界条件。.0)( ,)( ,0)(2/2/2/hyxyhyyhyyq由此解出系数A , B , C , D 。 主要边界主要边界, 02/ hy主要边界第三章 平面问题的直角坐标解答次要边界次要边界。qldyydydyhhlxxylxhhxlxhhx1)(,01)(,01)(2/2/2/2/2/2/次要边界由此解出H，K.另一次要边界(x= -l )的条件，自然满足。应用圣维南原理，列出三个积分条件，, lx第三章 平面问题的直角坐标解答最后应力解答：)534()(622223hyhyqyxlhqx

13、),534(22hyhyqyIM应力,)4(6223bISFyhxhqSxy.)21)(1(22hyhyqy第三章 平面问题的直角坐标解答应力的量级应力的量级当当 时时, x l 同阶，同阶， y h 同阶同阶.hl x 第一项 同阶,（与材料力学解同）;2)(hlq第二项 同阶, （弹性力学的修正项）qxy)(hlq同阶, （与材料力学解同）应力的量级yq同阶, （材料力学中不计）第三章 平面问题的直角坐标解答当 时, 量级的值很小,可以不计。应力与材料力学解比较应力与材料力学解比较: :最主要量级 , 和次要量级 ,在材料力学中均已反映，且与弹性力学相同。2)(hlqhlq最小量级 , 在

14、材料力学中没有。 q当 时, 仅占主项 的1/15 ( 6 %) ,hl yIMhl q应力比较x223(4),5yyqhh中的弹性力学修正项：第三章 平面问题的直角坐标解答弹性力学与材料力学的解法比较弹性力学与材料力学的解法比较: :应力比较 弹性力学严格考虑并满足了A内的平衡微分方程 ,几何方程和物理方程,以及S上的所有边界条件(在小边界上尽管应用了圣维南原理,但只影响小边界附近的局部区域)。 材料力学在许多方面都作了近似处理,所以得出的是近似解答。第三章 平面问题的直角坐标解答几何条件中引用平截面假定 沿 为直线分布；bxhdxu,y例如：边界条件也没有严格考虑；平衡条件中没有考虑微分体

15、的平衡，只 考虑 的内力平衡；材料力学解往往不满足相容条件。第三章 平面问题的直角坐标解答 对于杆件，材料力学解法及解答具有足够的精度； 对于非杆件，不能用材料力学解法求解，应采用弹性力学解法求解。第三章 平面问题的直角坐标解答 当问题中的y轴为对称轴时，试说明 和 应为x的偶函数，而 应为x的奇函数。vyx,uxy,思考题 对于梁的弯曲问题，试回忆在材料力学 中是如何考虑平衡条件的？第三章 平面问题的直角坐标解答 3. 试说明从弹性力学得出的解答3-6不 符合平面截面假设。 4. 材料力学的解答往往不满足相容条件， 为什么？第三章 平面问题的直角坐标解答3-5 3-5 楔形体受重力及液体压力

16、楔形体受重力及液体压力 设有楔形体，左面垂直，顶角为，下端无限长，受重力及齐顶液体压力。, 0 xf.1gfyoyxn2g1g2第三章 平面问题的直角坐标解答用半逆解法求解。因为应力 , 而应力的量纲只比高一次L），所以应力 (x , y 一次式）, 即可假设应力为x , y 的一次式。gg,21 gg,21 12( ) g, g （1用量纲分析法假设应力:第三章 平面问题的直角坐标解答（2由应力 关系式， 应为x,y的三次式，（3） 满足相容方程.04 （4由 求应力，,6222dycxxfyxx,26122gybyaxyfxyy.222cybxyxxy.3223dycxyybxax第三章

17、平面问题的直角坐标解答（5考察边界条件-本题只有两个大边 界，均应严格满足应力边界条件。 x=0 铅直面，,)(20gyxx,0)(0 xxy解出;62gd.0c(a)解出第三章 平面问题的直角坐标解答tanyx 斜边界上，,0)(tanyxyxxml.0)(tanyxxyylm(b)须按一般的应力边界条件来表示，有第三章 平面问题的直角坐标解答其中,cos),cos(xnl.sin),cos(ynm由式b)解出a、b,最后的应力解答,212212322,(cotcot) (c) (cot) ,cot.xyxy gy g2 g x g g y gx 应力第三章 平面问题的直角坐标解答水平截面上

18、的应力分布如图所示。xyyx第三章 平面问题的直角坐标解答楔形体解答的应用: 作为重力坝的参考解答； 分逢重力坝接近平面应力问题； 在坝体中部的应力，接近楔形体的解答。 重力坝规范规定的解法 材料力学解法重力法）. 重力坝的精确分析，可按有限单元法进行。第三章 平面问题的直角坐标解答思考题 重力法是按应力求解的，试回忆应力分量 必须满足哪些条件？在重力法中考虑了哪些条件？xyyx , ,第三章 平面问题的直角坐标解答例题1例题2例题3例题4例题8例题7例题6例题5第三章 平面问题的直角坐标解答例题1 设单位厚度的悬臂梁在左端受到集中力和力矩的作用，体力可以不计， 图3-5，试用应力函数 求解应

19、力分量。hl 332DxyCyByAxy第三章 平面问题的直角坐标解答图3-5xxyMsFNFydyyxl h/2 h/2o) 1,(hl第三章 平面问题的直角坐标解答解： 本题是较典型的例题，已经给出了应力函数 ，可按下列步骤求解。1. 将 代入相容方程，显然是满足的。2. 将 代入式(2-24)，求出应力分量。)3( ,0,6622DyADxyCyBxyyx第三章 平面问题的直角坐标解答 考察边界条件： 主要边界 上应精确满足式(2-15),2/hy/22/2()0, 3()0, 0 . (a) 4yyhxyyhADh满足；得第三章 平面问题的直角坐标解答 在次要边界x=0上，只给出了面力

20、的主矢量和主矩，应用圣维南原理，用三个积分的边界条件代替。注意x=0是负x面，图3-5中表示了负x面上的 的正方向，由此得：xyx 和第三章 平面问题的直角坐标解答/20/2( )d, ;2hNxxNhFyFBh 得/203/22( )d, ;hxxhMy yMCh得/230/21( )d, . (b)4hxYxsshyFAhDhF得第三章 平面问题的直角坐标解答由(a),(b) 解出332 , . 2ssFFADhh 最后一个次要边界条件(x=l上)，在平衡微分方程和上述边界条件均已满足的条件下，是必然满足的，故不必再校核。第三章 平面问题的直角坐标解答代入应力公式，得33221212 ,

21、0,3(14).2NsxysxyFFMyxyhhhFyhh 第三章 平面问题的直角坐标解答例题2 挡水墙的密度为 ，厚度为b,图示,水的密度为 ，试求应力分量。12yox2b2bg1g2第三章 平面问题的直角坐标解答解：用半逆解法求解。 假设应力分量的函数形式。 因为在 y=-b/2边界上， y=b/2 边界上， ，所以可假设在区域内 沿x 向 也是一次式变化，即 ; 0ygxy2y。)(yxfy第三章 平面问题的直角坐标解答2. 按应力函数的形式，由 推测 的形式，2221312(), ()( ) , 2()( )( ).6yxfyxx fyfyxxfyxfyfyy所以第三章 平面问题的直角

22、坐标解答3. 由相容方程求应力函数。代入 得, 04 .0dd2dddddd622424414443yfxyfyfxyfx要使上式在任意的x处都成立，必需 第三章 平面问题的直角坐标解答43244254321142432224d0 , ;ddd20, ;dd106d0, .dffAyByCyDyffABfyyGyHyIyyyf fEyFyy得得得 代入 ，即得应力函数的解答，其中已略去了与应力无关的一次式。第三章 平面问题的直角坐标解答 4. 由应力函数求解应力分量。将 代入式(2-24) ,注意 ， 体力求得应力分量为0 ,1yxfgf232321 (3 (2262)(62),xxBxfxA

23、yyxAyByGyHEyFgx2322 (),yyyfx AyByCyDx222432(32)22 (32).23xyxA yB yCxyAByyG yH yI 第三章 平面问题的直角坐标解答 考察边界条件： 主要边界 上,有2/by/22( ), yy bgx/2( )0,yyb/2( )0, xyyb322(); (a)842bbbx ABCDgx32()0;(b)842bbbxABCD224323 ( )243 ()0.32124xbABb CbbbABGHb I得得得第三章 平面问题的直角坐标解答由上式得到23 0 (c,d)4bABbC43230 (e,f )32124bbbABGH

24、 bI第三章 平面问题的直角坐标解答求解各系数，由(a)+ (b )(a)-(b)321 , 822bbACg 23C0 4bA。221 , 42bBDg 321 , 822bbACg (c)-(d )(c)+ (d )得得得得第三章 平面问题的直角坐标解答由此得22323, .2AgCgbb 又有. 04332 )()(0 )()(24IbGbAfeHfe得，得代入A,得223 . (g)164bbIgG第三章 平面问题的直角坐标解答 在次要边界小边界x=0上，列出三个积分的边界条件：/20/2/20/22/202/2( )d0, 0 ;( )d0, 0 ;( )d0, . (h)804bx

25、xbbxxbbxyxbyFyyEbbyIgG得得得由式(g),(h)解出 . 101 ,8022gbGgbI第三章 平面问题的直角坐标解答代入应力分量的表达式得最后的应力解答：332221333232322233234 , 521 (2);3233 (3)()41080 xyxygggx yxyxygxbbbyygxbbyyybgxgybbbby。第三章 平面问题的直角坐标解答例题3知, )();()( )(42223422222EyDxyyCxyBxAxbyxCBxyxaAya试问它们能否作为平面问题的应力函数？第三章 平面问题的直角坐标解答解： 作为应力函数，必须首先满足相容方程，.04

26、将 代入，(a) 其中A= 0，才可能成为应力函数；(b)必须满足 3(A+E)+C=0,才可能成为应力函数。第三章 平面问题的直角坐标解答例题4图中所示的矩形截面柱体，在顶部受有集中力F和力矩 的作用，试用应力函数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。2FbM ,23BxAx第三章 平面问题的直角坐标解答bbAyxhOFFb/2) 1,(bh第三章 平面问题的直角坐标解答解： 应用应力函数求解：(1) 校核 相容方程 ，满足.04 (2) 求应力分量 ，在无体力时，得. 0 ,26xyxyBAx(3) 考察主要边界条件， , 0, 0 ,xxyxb均已满足第三章 平面问题的直

27、角坐标解答考察次要边界条件，在y=0上，0()0, xyy0()d,byybxF 0()d,2byybFbxx 满足。;2FBb 28FAb 。得得第三章 平面问题的直角坐标解答 上述应力已满足了 和全部边界条件，因而是上述问题的解。04 代入，得应力的解答，.0 ),231 (2xyxybxbF第三章 平面问题的直角坐标解答(4) 求应变分量，。0 ),231 (2),231 (2xyyxbxEbFbxEbF第三章 平面问题的直角坐标解答(5) 求位移分量，3(1), 22xuFxxxE bb由对积 分 得3 (1), 22yvFxyyEbb 由对积 分 得213()();24FxuxfyE

28、bb23()( ).22FxyvyfxEbb 第三章 平面问题的直角坐标解答将u,v代入几何方程的第三式，。0 xyyuxv两边分离变量，并全都等于 常数，即212d( )d( )3,dd4fxfyFyxyEb 第三章 平面问题的直角坐标解答从上式分别积分，求出20(),fxxv21023( )8FfyyyuEb。代入u,v, 得2202033(),2483().22FxFuxyyuEbbEbFxyvyxvEbb 第三章 平面问题的直角坐标解答再由刚体约束条件，0,()0,xyhuy0,( )0,xyhu0,( )0,xyhv234FhE b；2038FhE bu；0.2FvhE b得得得第三

29、章 平面问题的直角坐标解答22233()()2483()(1)22FxFuxhyEbbEbFxvhyEbb，。代入u,v,得到位移分量的解答在顶点x=y=0，0( ).2xyFhvEb第三章 平面问题的直角坐标解答例题5 图中矩形截面的简支梁上，作用有三角形分布荷载。试用下列应力函数, 333533FxyExDxyyCxBxyyAx求解应力分量。第三章 平面问题的直角坐标解答yx6ql3qllxqo h/2 h/2l) 1,(lh第三章 平面问题的直角坐标解答 解：应用上述应力函数求解：(1) 将 代入相容方程，。得B35ABA , 012072 , 04由此，。FxyExDxyyCxBxyy

30、Bx33353335第三章 平面问题的直角坐标解答(2) 代入应力公式，在无体力下，得。，)33515(66106201022422333FDyCxByyBxExCxyBxyDxyBxyyBxxyyx(3) 考察主要边界条件),2/(hy得 , 0 , 2/xyhy。0)43165()4153(2422FDhBhBhCx第三章 平面问题的直角坐标解答对于任意的x值，上式均满足，由此得,041532BhC。04316524FDhBh(a)(b),0)6345( ,0 ,2/3EChBhxhyy.)6345(, 2/3lxqEChBhxlxqhyy(c)(d)第三章 平面问题的直角坐标解答由(3)

31、+(4)得。lqE12由(3)-(4)得。lhqCBh23452由(5)-(1)得(e)。lhqClhqB4 ,53第三章 平面问题的直角坐标解答(4) 考察小边界上的边界条件(x=0),由,6d)(02/2/qlyxhhxy得53.1646hhqlBDFh 由式(2)和(6)解出).480(),1013(3hllhqFlhhlqD（f）第三章 平面问题的直角坐标解答另两个积分的边界条件，.0d)(,0d)(02/2/02/2/yyyxhhxxhhx显然是满足的。第三章 平面问题的直角坐标解答 于是将各系数代入应力表达式，得最后的应力解答。222222323222232(2),10(134),2(14)(3).420 xyxyxy lxyqlhhh