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文档简介
薄板弯曲*SheetBendingSummarizationSheetisdifferentfromthickboard。Generally,iftheratioofthethicknessoftheboardandtheminimaldimensionoftheboardfacesatisfies:Wecalltheboardsheet.
Choosetheordinateoriginasapointofthemiddleplane,andaxesofxandyinthemiddleplane,zperpendiculartoit,whichareshowninfig..
Wecalltheplanehalvesthethicknessoftheboardmiddleplane.*薄板弯曲概述薄板区别于厚板。通常情况下,板的厚度t与板面的最小尺寸b的比值满足如下条件:则称为薄板。
将坐标原点取于中面内的一点,x和y轴在中面内,z垂直轴向下,如图所示。
我们把平分板厚度的平面称为中面。*
Whensheetacceptscommonload,wealwaysdividetheloadintotwocomponents.Oneistransverseload,whichisperpendiculartomiddleplane,oneislongitudinalload,whichactsinmiddleplane.Forthelatter,weassumeitsdistributingisevenalongthethicknessofthesheet,andtreatitastheplanestressproblem.Inthischapter,wejustdiscussthestress、strainanddisplacementwhensheetisbentbecauseoftransverseload.SheetBending*
当薄板受有一般载荷时,总可以把每一个载荷分解为两个分量,一个是垂直于中面的横向载荷,另一个是作用于中面之内的纵向载荷。对于纵向载荷,可认为它沿薄板厚度均匀分布,按平面应力问题进行计算。本章只讨论由于横向载荷使薄板发生小挠度弯曲所引起的应力、应变和位移。薄板弯曲*§12-1BasicHypothesis
Forsmallbendingproblemofsheet,wegenerallyadopttheseassumptions:(1)fixityoftheboardthicknessNamely:anynormalwhichisperpendiculartomiddleplanehasthesamebending.(2)fixityofnormalofthemiddleplane
Thenormalstrainperpendiculartomiddleplaneisverysmall,thuswecanignoreit.Namely.Fromgeometricequations,wehave,thusweget:SheetBending*§12-1基本假设
薄板小挠度弯曲问题,通常采用如下假设:(1)板厚不变假设即:在垂直于中面的任一条法线上,各点都具有相同的挠度。(2)中面法线保持不变假设
垂直于中面方向的正应变很小,可以忽略不计。即,由几何方程得,从而有:薄板弯曲*
Thebeelinewhichisperpendiculartomiddleplanebeforedeformationisstillabeelineafterdeformation,andisstillperpendiculartothebentmiddleplane.Namely:(3)theboardsurfaceisneutrosphereNamely
Fromthegeometricfunctions:(4)thestresshasverysmalleffectondeformation,thuscanbeignored.Scilicetwethink:SheetBending*
在变形前垂直于中面的直线,变形后仍为直线,并垂直于弯曲后的中面。即(3)中面为中性层假设即由几何方程得(4)应力对变形的影响很小,可以略去不计。亦即认为薄板弯曲*§12-2BasicEquations
Solvingsheetbendingproblemintermsofdisplacement.Choosethesheetbendingasthebasicunknownquantity,andexpresstheotherphysicalquantitieswith.(1)GeometricFunction
FetchasmallrectangleABCDonthemiddleplane,asshowninfig..Itssidelengthsaredx
anddy.
Underactionoftheload,therectangleisbentto
flexuralplaneA’B’C’D’。supposethebendingatpointAis,theobliquitiesofstretchflexuralplanealongdirectionxandyareand.SheetBending*§12-2基本方程
按位移求解薄板弯曲问题。取薄板挠度为基本未知量,把所有其它物理量都用来表示。(1)几何方程
在薄板的中面上取一微小矩形ABCD如图所示。它的边长为dx和dy,载荷作用后,弯成曲面A’B’C’D’。设A点的挠度为,弹性曲面沿x和y方向的倾角分别为和,则薄板弯曲*ThebendingatpointBisThebendingatpointDis
FromandweknowOrcanbewrittenasAfterintegralbyz,andusing
,wegetThenthestraincomponentscanbeexpressedbyasSheetBending*B点的挠度为D点的挠度为
由和可知或写成对z进行积分,并利用,得于是应变分量用表示为:薄板弯曲*
Undersmalldeformation,becauseofweenybending,thecurvatureofstretchflexuralplanealongthecoordinatedirectioncanapproximativelybedenotedbybending:Thusthestraincomponentscanalsobewrittenas:SheetBending*
小变形下,由于挠度是微小的,弹性曲面在坐标方向的曲率可近似地用挠度表示为:所以应变分量又可写成薄板弯曲*(2)PhysicalFunctions
Ignoringthestraincausedby,physicalfunctionsbecome:Expressthestresscomponentswithstraincomponents,wehave:SheetBending*薄板弯曲(2)物理方程
不计所引起的应变,物理方程为:把应力分量用应变分量表示,得:*(3)DifferentialEquationforStretchFlexuralPlane
Ignoringbodyforce,fromthefirsttwoformulasofequilibriumequations,weget:
Theseformulasindicate:themainstresscomponentshavelineardistributingalongboardthickness.Expressstresscomponentswithbending,wehaveSheetBending*薄板弯曲(3)弹性曲面微分方程
在不计体力的情况下,由平衡方程的前二式得:
上式说明,主要的应力分量沿板的厚度线性分布。将应力分量用挠度表示,得:*
Substitutephysicalfunctionswhichstresscomponentsaredenotedbybendingintotheaboveformulasandcancelterms,weget
Becausethebendingdoesn’tchangealongzaxis,andtheboundaryconditionsontopsurfaceandundersurfaceofsheetare:SheetBending*薄板弯曲
将应力分量用挠度表示的物理方程代入上式,并化简得:
由于挠度不随z变化,且薄板在上下面的边界条件为:*Integratingtheabovetwoformulasonz,weget:Fromthethirdformulaofdifferentialequationsofequilibrium,weget:SubstitutingintotheexpressionwhicharedenotedbyBending,andcancelingterms,weget(1)SheetBending*薄板弯曲将前面二式对z进行积分,得:再由平衡微分方程第三式,得:将用挠度表达式代入,并化简得:(1)*Becausethebendingdoesn’tchangealongzaxis,andwehavetheboundarycondition:Integratingformula(1)onz,weget:Supposingtheloadactsonperunitareaontopsurfaceofsheetisq(includingtransversesurfaceforceandtransversebodyforce),andtheboundaryconditiononboardtopsurfaceisSubstitutetheexpressionofintotheaboveformula,wegetthedifferentialequation:SheetBending*薄板弯曲由于挠度不随z变化,且薄板有边界条件:将(1)式对z积分,得:
设在薄板顶面上每单位面积作用的载荷q(包括横向面力和横向体力),板上面的边界条件为:将的表达式代入该边界条件,得薄板挠曲微分方程:*whereWecallDbendrigidityofsheet.Thesheetbendingdifferentialequationisalsocalledstretchflexuralplanedifferentialequation,whichisthebasicdifferentialequationofsheetbendingproblems.SheetBending*薄板弯曲其中称为薄板的弯曲刚度。
薄板挠曲微分方程也称为薄板的弹性曲面微分方程,它是薄板弯曲问题的基本微分方程。*§12-3
InternalForceofCrossSection
Fetchasmallhexahedronatthecrosssectionofthesheet.Itsthreesides’lengtharerespectively,asshowninfig..Atthecrosssectionwhichisperpendiculartoxaxis,therearenormalstressandshearstress.Becausethesumofandequalstozeroalongtheboardthickness,theycanonlybesynthesizedtobendingmomentandtwistingmoment;whilecanonlybesynthesizedtotransverseshearingforce.
Obviously,atthesectionperpendiculartoxaxis,thevaluesofperunitwidthare:SheetBending*薄板弯曲§12-3横截面上的内力
在薄板横截面上取一微分六面体,其三边的长度分别为,如图所示。在垂直于x轴的横截面上,作用着正应力和剪应力。由于和在板厚上的总和为零,只能分别合成为弯矩和扭矩;而只能合成横向剪力。
显然,在垂直于x轴的横截面上,每单位宽度之值如下:*SimilarlySheetBending*薄板弯曲同理*
Substitutingintotheexpressionbetweenstresscomponentsandbending,andintegrating,weget
Theaboveformulasarecalledelasticityequationsbetweeninteriorforceanddeformationofsheetbendingproblems.SheetBending*薄板弯曲将上节给出的应力分量与挠度之间关系代入,并积分得:上式称为薄板弯曲问题中内力与变形之间的弹性方程。*
Accordingtotheexpressionbetweenstresscomponentsandbending,andthedifferentialequationsandtheelasticityequations,canceling,wegettherelationsamongstresscomponents,bendingmoment,twistingmoment,load:SheetBending*薄板弯曲
利用应力分量与挠度之间的关系、薄板挠曲微分方程以及内力与形变之间的弹性方程,消去,可以给出各应力分量与弯矩、扭矩、剪力、载荷之间的关系。*
Obviously,alongthesheetthickness,themax.ofstresscomponentsexistsattheboardsurface,themax.ofandexistatthemiddleplane,whilethemax.ofexistsattheloadactingplane.Moreover,amongthestresscomponentscausedbycertainload,havethebiggernumericalvalue,thusitisthemainstress;andhavetherelativelysmallernumericalvalues,theyarethesecondarystresses;extrusionstresshasthesmallestnumericalvalue,itisthemostunimportantstress.Thus,whenwecalculatetheinteriorforceofsheet,wemainlycalculatebendingmomentandtwistingmoment.SheetBending*薄板弯曲
显然,沿着薄板的厚度,应力分量的最大值发生在板面,和的最大值发生在中面,而之最大值发生在载荷作用面。并且,一定载荷引起的应力分量中,在数值上较大,因而是主要应力;及数值较小,是次要的应力;挤压应力在数值上最小,是更次要的应力。因此,在计算薄板的内力时,主要是计算弯矩和扭矩。*
§12-4BoundaryConditionofSheetTaketherectangleasshowninfig.forexample.1TheFixedSideSupposingOAisthefixedsupportingboundary,atwhichthebendingandthenormalslopeofstretchplaneequaltozero.namely:2TheSimpleSupportingSide
SupposingOCisthesimplesupposingboundary,atwhichthebendingandbendingmomentMySheetBending*薄板弯曲§12-4薄板的边界条件以图示矩形板为例:1固定边
假定OA
边是固支边界,则边界处的挠度和曲面的法向斜率等于零。即:2简支边
假设OC
边是简支边界,则边界处的挠度和弯矩My*equaltozero.
Namely:fromEvenatOCside:namelyThentheboundaryconditionsofsimplesupposingsideOCcanbewrittenas:SheetBending*薄板弯曲等于零。即:由于且在OC上即则简支边OC
边界条件可写成:*3TheFreeSide
CBsideisthefreeboundary,alongwhichthebendingmoment,twistingmomentandtransverseshearingstressequaltozero,namely:Becausethetwistingmomentcanbeswitchedtoequivalentshearingforce,thesecondandthethirdconditionscanbeunitedinto:SheetBending*薄板弯曲3自由边
板边CB为自由边界,则沿该边的弯矩、扭矩和横向剪应力都为零,即:由于扭矩可以变换为等效的剪力,故第二及第三个条件可合并为:*
SubstitutingintotheexpressionsamongMx、Qx、Mxyand
wegettheboundaryconditionsoffreeboundaryCB:SheetBending*薄板弯曲将Mx、Qx、Mxy与的关系代入,得自有边界CB
的边界条件为:*
§12-5
SolutionofSheetBendingunderRectangularCoordinate
Whensolvingsheetbendingproblemsintermsofdisplacement,wealwaysadopthalfconversesolution.Firstweenactaexpressionwhichcoefficientisunderconfirmforsheetbending;thenfromdifferentialfunctionandboundaryconditions,weconfirmthecoefficient;atlast,fromtheexpressionbetweenthebendingandstresscomponents,wegetthestresscomponents.Example1Trytoseekthemaximalbendingandmaximalbendingmomentofthefixedellipticsheetwhichisunderevendistributingloadq.Solution:undercoordinateasshowninfig.,theboundaryfunctionofellipticsheetisSheetBending*
薄板弯曲§12-5薄板弯曲的直角坐标求解
用位移法求解薄板弯曲问题,通常采用半逆解法。首先设定具有待定系数的薄板挠度的表达式;其次利用薄板曲面微分方程和边界条件,确定待定常数;最后由挠度与应力分量的关系,求得应力分量。例1试求边界固定的椭圆形薄板在承受均布载荷q
后的最大挠度和最大弯矩。解:在图示坐标下,椭圆薄板的边界方程为:*
Enactingtheexpressionofbendingis:WhereCisaconstant.Supposingnistheoutsidenormalofsheetboundary,thenatthesheetboundary,wehaveNoticethatObviouslytheexpressionofbendingsatisfiesthefixedboundarycondition.SheetBending*薄板弯曲设挠度的表达式为:其中C为常数。设n为薄板边界外法线,则在薄板的边界上应有:注意到显然所设挠度的表达式满足固定边界条件。*Substitutingtheexpressionofbendingintothedifferentialequation:Weget:thusTheinteriorforceSheetBending*薄板弯曲将挠度的表达式代入弹性曲面微分方程得:从而内力*
Themaximal
deflectionis:Themaximalflexuraltorqueis(supposea>b):whereSheetBending*薄板弯曲最大挠度为:最大弯矩为(设a>b):其中*
Example2
Trytosolvethemaximal
deflectionofrectangularsheet,whichisquadrangularfreely-supportedandbeareduniformload.Solution:selectthecoordinatesystemasthefigureshownAssumingthusattheboundarywherex=0andx=a,theboundaryconditions
issatisfiednaturally.SubstitutingtheexpressionofintothedifferentialequationofelasticcurvedfaceSheetBending*薄板弯曲例2、试求图示四边简支,承受均布载荷的矩形薄板之最大挠度。解:取图示坐标系设则在x=0及x=a边界上,边界条件自然满足。将的表达式代入弹性曲面微分方程*
yieldsExpandingbyFourierserieswheremisevennumbermisoddnumberthusChoosingtheparticularsolutionofdifferentialequationyields:SheetBending*
薄板弯曲得将展为傅立叶级数其中m为偶数m为奇数则取微分方程的特解为:*
andnoticingthedeflectionisevenfunctionofy,thusgeneralsolutionofinhomogeneouslinearordinarydifferentialequationis:yieldsUsingtheboundaryconditions(symmetricalcharacteristic)At
SheetBending*薄板弯曲并注意到挠度是y
的偶函数,则非齐次线性常微分方程的一般解为:利用边界条件(已用对称性)处,得*
Theexpressionofdeflectiongives:ifa=b,thusItisobviousthatwecanachievehighprecisiononlybychoosingtwoterminseries.SheetBending*薄板弯曲挠度的表达式:若a=b,则可见,在级数中仅取两项,就可以达到较高的精度。*
§12-6
AxisymmetricBendingofCircularSheetWhensolvingtheproblemsofbendingofcircularsheet,itwillbemoreconveniencetochoosepolarcoordinates.Ifthetransverseloadofcircularsheetisaboutzaxissymmetry
(axiszisverticaltosheetandtowardsunderside),thusthedisplacementofelasticsheetisalsoaboutzaxissymmetry
,i.e.isonlythefunctionofranddon’tchangeaccordingto.1.DifferentialEquationofElasticCurvedFaceReferringtothedifferentialequationofelasticcurvedfaceinrectangularcoordinate.Inpolarcoordinate,whenitistheaxisymmetricbendofcircularsheet,differentialequationofelasticcurvedfacecanbewrittenas:orSheetBending*
薄板弯曲§12-6圆形薄板的轴对称弯曲
求解圆板弯曲问题时,采用极坐标较方便。如果圆形薄板所受的横向载荷是绕z轴对称的(z轴垂直板面向下),则该弹性薄板的位移也将是绕z轴对称的,即只是r
的函数,不随而变。一、弹性曲面微分方程
参照直角坐标下的弹性曲面微分方程。极坐标下,圆形薄板轴对称弯曲时,曲面微分方程可写成:或*
2.InternalForceexpandingyields:sothegeneralsolutionofdifferentialequationiswhereisaarbitraryparticularsolution.
Fromthesheet,takeoutadifferentialcell,asthefigureshown.Inthecross-sectionwhererisconstant,momentofflexionandtransverseshearareMr
and
respectively;Inthecross-sectionwhereisconstant,theyareand.Becauseitisaxisymmetricproblem,thereisnotmomentoftorsion.SheetBending*
薄板弯曲二、内力展开后得:该微分方程的通解为其中是任意一个特解。
从薄板内取出一个微分单元体,图示。在r为常量的横截面上,弯矩和横向剪力分别为Mr
和;在为常量的横截面上,则为和。由于是轴对称问题,故没有扭矩。*
Evolvexaxisandyaxistothedirectionofrandthedirectionofofthisdifferentialcellrespectively,andusingcoordinatetransformationformula,wehave:SheetBending*
薄板弯曲
把x轴和y轴分别转到这个微分单元体的r和方向,则利用坐标转换公式,有:*
3.StressComponentUsingcoordinatetransformationformula,similarlygives:UsinginternalforcetodenotestresscomponentgivesSheetBending*
薄板弯曲三、应力分量利用坐标转换公式,同理有:将应力分量用内力表示有:*Example3
Givensolidcircularsheet,radiusisa,circumferenceisfixedanditisunderuniformloadandconcentratedforcepwhereitisincentreofcircle.Solution:Accordingtotheknowncondition,thisisaxisymmetricbendofCircularSheet,lineofdeflectionfunctionisspecialsolutioniswefindgeneralsolutionisFortheflexivityofcenterofsolidcircularsheet,weknow
Fromthesheet,takeoutasmallsheetwhoseradiusisr,fortheequilibriumconditionofzdirectiongives
SheetBending*薄板弯曲例3、半径为a的实心圆板,周边固支,受均布载荷及圆心处的集中力P作用,求挠度。解:由题意知,本题为圆板轴对称弯曲,挠曲线方程为:取特解知通解为由实心圆板中心处的挠度应有界知:从板中取出半径为r的部分圆板,由z方向的平衡条件给出*soFurthermorewehavesoFor
yieldsforyieldsSothedeflectionofsheetisSheetBending*薄板弯曲故而又有故由得由得故板的挠度*§12-7SolutionoftheDisplacementofSheetbyCalculusofVariationWhensheetisatbendingofsmalldeflection,ispaucity,whichcanbeomitted.SodeformationenergyofelasticsheetisUsingdeflectiontodenote:SheetBending*薄板弯曲§12-7变分法求薄板的位移
薄板小挠度弯曲时,为微量,可略去不计。此时弹性薄板的变形能:用挠度表示:*
whereAistheareaofsheet.Toarbitraryshapesheetwhoseedgesarefixedandpolygon(notholeinthesheet)whereattheboundaryofsheet,forintegrationbypartsformulasyields:Tofixedsheet,i.e.Torectangularsheetwherealongtheboundary,alwayshaveorthusSheetBending*
薄板弯曲其中A为薄板面积。
对于板边固定的任意形状板,以及板边界处的多边形(板中无孔洞),由分步积分公式得:对于固定板,即对于沿板边的矩形板,总有或因此*sodeformationenergyofelasticsheetissimplifiedasExample4Evaluatethedeflectionofsimplysupportedrectangularsheet,thatisunderuniformload.Solution:UsingRitzmethod.Thedeflectionofplateistrigonometricseriesasfollows:
Itisobvious,everytermofthisseriesissatisfiedwiththeboundaryconditionsofquadrilateralsimplysupported.Theelasticdeformationenergyofplateis:SheetBending*薄板弯曲即弹性板的变形能简化为:例4求四边简支矩形板在均布载荷作用下的挠度。解:用里兹法。取板的挠度为如下重三角级数显然,该级数的每一项都满足四边简支的边界条件。板的弹性变形能:*
Undertheuniformload,potentialenergyVofexternalforcegives
Totalpotentialenergy:FortheconditionsofⅡachievingtheextremevalue,yields(m,nareodd)SheetBending*
薄板弯曲在均布载荷作用下,外力势能V为总位能:由Ⅱ取极值的条件得出:(m,n均为奇数)*
thuswegetso(m,nareodd)(morniseven)SheetBending*
薄板弯曲由此得出故(m,n均为奇数)(m或n为偶数时)*Exercise12.1
Givenrectangularsheet,OAisfixed,OCissimplysupported,ABandBCarefree.AngularpointBissupportedbychainbar,theloadappliedtotheedgesofsheetisasthefigureshown.Trytousedeflectiontodenotetheboundaryconditionoftheedgesofsheet.xyzM0qoACBabSolution:(1)OAedge(2)OCedgethelatterequationisdenotedbydeflection,givesSheetBending*薄板弯曲练习12.1
矩形薄板具有固定边OA,简支边OC及自由边AB和BC,角点B处有链杆支承,板边所受荷载如图所示。试将板边的边界条件用挠度表示。xyzM0qoACBab解:(1)OA边(2)OC边后一式用挠度表示为*(3)ABedgeusedeflectiontodenote,gives
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