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文档简介
10TorsionofPrismaticalBars10.1Stressesanddisplacements10.2Membraneanalogy10.3Ellipticbarsintorsion10.4Rectangularbarsintorsion例:图示为等截面直杆(不计体力),两端平面内受方向相反的两个力偶作用,取如图所示的坐标系,求应力分量。xyzMMo如何计算?Semi-inversemethod10.1StressesanddisplacementsConsiderastraightprismaticalbartwistedbytwooppositecouples,eachwithmomentM,ontheendplanesofthebar.分析如下:由材料力学可知,杆件横截面上有剪应力zx、zy,其他应力分量为零,即x=y=z=xy=0,体力X=Y=Z=0Weshallsolvetheproblemintermsofstressesandapplythesemi-inversemethod.Beinghintedbythestressdistributiongiveninmechanicsofmaterialsforacircularshaft,weassumethatonlythetorsionalstressesaredifferentfromzero,whichotherstresscomponentsvanish.将上述应力分量代入平衡微分方程:Substitutingtheseintodifferentialequations(1)(2)(3)由(3)得:由(1)、(2)可知,zx、zy是x、y的函数ThefirsttwoofEqs.showthatthetorsionalstresszx、zyarefunctionofxandyonly.或写成:将上述表达式代入相容方程:Rewrittenas由微分理论可知,一定存在一个函数(x,y)使得:Hence,thereexistsacertainfunctionsothat前四式自然满足,最后两式为:将代入上式这说明:Hence,mustbeconstant1、杆件侧面:边界条件xyzMMon=0,X=Y=Z=0代入边界前两式恒满足,第三式为:ConsidertheboundaryconditionsOnthelateralsurfaceThefirsttwoEqs.AreidenticallysatisfiedwhilethethirdequationreducestoSo:所以,以上边界条件可写为:Since:ontheboundaryofacross-section,wehaveShowsthatmustbeconstantalongtheboundaryofacross-section常数如何取?Since所以在应力函数上增加或减少一个常数,对应力分量无影响,可取s=0(在单连域实心柱的情况下)thestresscomponentsarenotaffectedbyadditionofaconstantto.Hence,inthecaseofsimplyconnectedcross-section,forsimplicity,wemaytaketheboundaryvalueofaszero.在多连域情况下,每个边界上的为常数,但每个常数并不相同,只能取其中一个边界的为零.Inthecaseofmultiplyconnectedcross-section,theconstantvaluesofondifferentboundarycurvesmaydifferfromeachother.Hence,thevalueofcanbetakenaszeroalongonlyoneoftheboundarycurves,whilethevaluesofonallotherboundarycurvesmustbedeterminedbytheconditionofsingle-valueddisplacement.2、杆件端面(上端):边界条件xyzMMol=m=0n=-1代入边界条件得:且两端的面力必须合成为力偶:Oneitherendplane(seetheupperone)SincethesurfaceforcecomponentsmustcomposedacouplewithmomentM,itisrequiredthat验证如下边界条件:xyMoABA、B为边界上A、B点的值,取零,所以同理,可证明:WhereA、BarethevaluesofattwopointsAandBontheboundary,whichmustbezero.其中的一项用分部积分:xyMoABA、B为边界上A、B点的值,取零,所以WhereA、BarethevaluesofattwopointsAandBontheboundary,whichmustbezero.同理所以:Thus归纳Tosumup:
等截面直杆的扭转问题最终归结为求应力函数(x,y),使它满足且s=0,然后由下列公式求应力分量:Tosumup,inatorsionproblem,ifwecanfindafunctionwhichsatisfies,s=0,,then,thetorsionalstressescanbefound.求位移分量:(将应力分量代入物理方程)Nowderivetheformulasfordisplacementcomponents.Substitutionofstresscomponentsintophysicalequations.将几何方程代入上述表达式,得:Substitutionofgeometricalequations.u0,v0,x,y,z是积板分常嗽数,换代表警刚体暮位移讨,k也是币积分乘常数岭,若紫不计唤积分猾常数帖,则如果用祥柱坐标禽表示,若则u0,v0,x,y,供zare匆ar石bit酸rar捧yc洋ons诸tan元ts投rep暂res颗ent海ing绘th镇er府igi鞋d-b愤ody嫩mo才vem怠ent旗so弃ft河he黄bar剥.A押ssu惰min慰gt至hat俊th倘eu画ppe摇r-e恭nd岁of坛the铲ba即ri炎sc言ons栗tra学ine窑dt网op泽rev耍ent妖th失ese说ri绑gid际-bo领dy淋mov骨eme长nts份,w散eh求ave聪th觉es止imp从le掉exp罗res拒sio裁ns.In当p至ol双ar烤c科oo送rd案in惑at攻es脏,t狮he去d浓is夹pl矿ac好em龄en膝t在co使mp最on姐en档ts暮w展il膏l盏beThusitisseenthateverycross-sectionofthebarrotatesanangle=kzaboutthezaxisandrepresentsthetwistperunitlength,thatis,therelativeangulardisplacementoftwocross-sectionsatunitdistanceapart.由此编可得注结论究,每繁个横忧截面恋在xy面上谊的投骗影不伏改变彩形状爹,只吹是转净过一劫个角伟度=kz,且单位注长度的蚕扭转角歉:将u=-kyz,v=kxz代入下式:由此细,可奇以求迎得位帐移分摧量w且由以上两
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