Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Теория упругости. Задача Сен-Венана. Плоская задача теории упругости

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
8.54 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

- 191 -

 

 

 

 

fO .b lS p

 

-О .зв и

ч

■0 .2 9 7 p %

-

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

-0 ,2 6 2 p %

 

0 ,2 5 0 p S'^ ~5f.

0,239a *

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

-S3

 

 

 

 

 

 

 

 

7j ;

 

- O, /05 юG2> -GJ>

0 ,0 6 4 / / % '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

,, n

 

/r

- 7f

 

 

 

 

 

 

 

-0.0*2/)

**

+O,029/o

*

(5.70)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*J}

 

 

 

 

 

 

 

 

£

= 4 / / 4 .

 

 

Б

функции

(5,70)

по

 

 

 

 

 

подоектольешм степеням удер­

 

 

 

 

жан всего

 

один

член.

Это

 

 

 

 

объясняется тем,

что наруж­

 

 

 

 

ный контур

исследуемой двух­

 

 

 

 

связной

области - окружность,

 

 

 

 

для описания которой доста- -

 

 

 

 

точно

одного слагаемого,

а

 

 

 

 

толщина

свода

области

 

 

 

 

 

большая. Точность

отображе­

 

 

 

 

ния данной функцией являет­

 

 

 

 

ся достаточной для расчета

 

 

 

 

 

напряженно-деформированного

 

 

 

 

достояния

области [33 ] •

 

 

Рис. 5,17

 

Пользуясь

интерполя­

 

 

 

 

можно также построить отображив-

ционными

полиномами Лагранжа,

щие функции

для

 

полубесконечных одно- и двухоиязных областей

[23].

§5.13. Комплексное представление смещений напряжений

Выие было показано,

что, если ввести

две н а ш е независимыепере-*;

менные 2 = х + i y

к ■ £ =

w бигармоническое уравнение

ноже? быть записано

таи:

 

(5.7I)

d z ' d V

Это обстоятельство имеет большое значение для теории бигармонических уравненийи, в частности, для плоской теории упру­ гости, так как свойства .функций комплексного переменного хорошо

изучены вообще.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проинтегрируем - последовательно

уравнение

(5.71),

тогда

для класса

вещественных' бигармонических функций будем

ш е т ь

 

ф

, £

>= С/(х,-у) = -г

 

 

 

* Х (Х ) >Х/7). (5.72)

Это й есть искомое

выражение,.которое

 

было

получено

Г'урса.

Однако дальше нам

придется пользоваться

частными производ­

ными функции С7' , поскольку

 

именно

они имеют

непосредствен­

ное физическое

значение.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ^ -

= ?('*')+1 у U)+ * v

'(£ Ь У : 2) •* Х'(-Л )+Х '(&),

б Ж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

*i\-v(.г)-*Z<r \г),vyх)--ч\'хйх'(г)-х!(г%

£ 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.73)

-Однако удобнее рассматривать

не.формулы

(5.73),

а выражение

длякомплексной

комбинации

 

 

 

 

 

 

 

/ ( *

 

сгх

 

^

" У/£

£- V

f e )+ * '(£ ■•

(5.7У)

 

 

 

н у

 

 

 

 

 

 

 

 

которое

гораздо

проще.

Здесь

для краткости обозначено:

 

 

 

 

^(Z)~

з

X

 

 

 

 

(5.75)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ / к , у ) = ~ -

- { - ^ =

<г:(Л )+ * 9

 

V (*

).

(5.76)

 

 

jx

 

д у

 

 

 

 

 

 

 

 

Дадим комплексное представление

напряжений

 

<Ь+CL, =

д \ г

. д гС

J

 

/ баСс

т з * , 1

- ~ ~ т ~ ~

 

#

’/ХСц

L* Q

d7Л

 

''(£ )+ * '(£ ) - г у

Н( ъ

) ‘ Ч'*(2 ) .

. dUб и_ )

/7//-

I

J y

/ '

(5.77)

 

 

 

 

 

 

 

 

-

193 -

 

 

 

 

 

 

 

 

dU~

,

д ' и

_

/ J K ^

I L L ) ,

 

 

 

 

d <2

'

дхду

дх

(

Ях

д у

/

 

 

 

 

^ <3*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.78)

+ Lz

= iS /( z ) + ' f Y 2 ) + Z V >,Y Z ) + V '( z ) -

 

 

у

 

Ху

 

I

 

'

 

 

 

 

 

 

 

Складывая и вычитая вторые вырахевия в формулах (5.77)

и

(5.78) и заменяя

во втором

результате

i

н а -t", получаем

 

^-*<b4 -.2[v> ';z)+'f'f*-)]= 4X e_['*> '(‘z ) } ’

I

(5.79)

 

 

 

 

 

 

 

г [ 5 г " (%)■>&'(*)]■

J

V

 

 

2 L т ш

=

 

 

 

-х - - - . у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если ввести . обозначения

 

 

 

 

 

 

 

 

<?Yz)=<р(ъ);

 

Ч',(ж)• Уг(%),

 

 

 

то формулы

(5.79) перепишутся

так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2^>(1) + Щ%)} -

I

(5 # 8 0 )

&j/-.\+2iZ,!J=s[5<P,(z)+Vr(*j]. J

 

 

Вопрос

о комплексном

представлении

 

смещений приводится

 

к задаче

о нахождении

и

я if из уравнений

 

 

 

 

 

2 ё ^

* Л

в ~

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о*

 

 

д у 2

 

 

 

 

 

 

 

, г

.'д*

^

 

д ги

 

 

 

(5.81)

 

 

2СИ*Лв— *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q [ A f L

■+

 

)-

^*1/

 

 

 

 

 

 

 

 

1 д х

 

д у

/

 

дхду "

 

 

 

 

 

Первые два

 

из

этих

уравнений,

решенные

 

относительно

£ ж и

£

 

 

 

26

д а

 

д ги

 

 

V U,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д*

д у 2

2 (A +&)

 

 

 

 

ду

д \2

2.(A +G)

 

 

Вводя обозначение

4*U= Р

 

, заменяя

в первой уравнении

гг

 

 

32гг

 

 

аналогично

со вторым,

2— через

 

 

и поступая

получаем

 

 

. Л^ ,

 

 

 

 

 

 

 

>G

 

J

'2G

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.82)

 

 

 

 

 

d 3U

^

Л

+2 G

о

 

 

 

 

 

 

 

д у 2

*

2 ( Л + &

 

 

с р.

Пусть Q обозначает

гармоническую функцию, сопряженную

т.е. удовлетворяющую

условиям

Коши-Римана

 

 

 

 

д Р

_

d.Q

 

 

д Р

_ _

d Q

^

 

 

д \

 

д у

 

 

д у

 

 

д х

 

 

Эта функция определяется при заданном

Р

с точностью

до

произвольного

постоянного “ слагаемого.'

 

 

 

 

Тогда выражение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(z)'= Р (*.у)+

iQ (*,y)

 

 

 

будет функцией

комплексного переменного

% ~

х + с у ,

голо­

морфной

в области

5

, занятой

 

телом.

Положим далее

 

 

V( * -)‘ P + Ц - J - J

 

 

 

 

 

Откуда;

очевидно, имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

-в силу условий Кови-Римана

 

 

 

 

 

 

д Р

_

ду,

 

 

дР

_

д у

 

 

дх

 

д у

 

 

дУ

 

дх

 

получаем

- 195 -

 

 

 

 

 

■ j>E_

 

 

_J_

 

 

 

 

 

 

 

д *

 

д у .

'

ь

р

'

 

 

 

 

 

 

fy

 

 

dx

-

-

L

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^

 

 

Таким образом»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л

 

 

д у

 

 

 

Уравнения (5*82) M O S H O

переписать

та кш

образом:

 

 

^

d u _

д 2ц

f

2 (Л ■+2 G )

 

д р

f

 

 

 

дх

д * 2

+

 

A+ G

 

д х

 

 

 

 

д& _

д

и

 

2 (Л +2G )

 

дд.

(5.83)

 

 

2G

 

 

 

 

 

д у

д у 2

 

 

А

 

 

' д у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проинтегрировав

эти

уравнения*

получим

 

 

 

 

 

 

d lf

 

2 /Л +.2.G)

 

 

р

/ .

 

 

 

 

 

 

 

& + G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du

2fa + 2G)

 

а

,

»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е * ) :

где

/

( у )

и J2 (x j - некоторые

функции

соответственно толь­

ко

o*i

у

в только от

Л'. Подставляя

эти

значения в третье

из уравнений (5.81) и замечая, ч*о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

t -

+

J b L

. 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

д у

 

,

д у

 

1

 

 

 

 

получи?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№ ) + % ( * № •

 

 

 

откуда следа.*,

что фунии»

£ ( у ) л 4 ( х1_^и т

В1д

f r 2 G ( - £ r J - ) .

/ 2 = 2 S ( £ x + f h

- 156 -

где

cv\ А £'

- произвольные

постоянные;

множитель УУ введен

для удобства. Отбрасывая эти

выражения,

дающие

только жест­

кое

перемещение, получаем

формулы,

по

существу

совпадающие

с формулами

Лявг:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.85)

 

 

 

£■4

 

,) '*■6'

 

 

 

Умножим

вторую

формулу

(5.85)

на

L и сложим

с перво!!.

t

(

(<.м

 

д и

 

 

Л + 6

 

откуда на основании

(5.74)

следует

важная

формула

 

2 6 ( и

 

 

 

 

V ( Z )

(5.86)

здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M i G

= 5-

 

 

 

 

 

 

 

Л

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прц плоско-деформированном состоянии и

3? =

для

обобщенного

плосконапряженнога'

состояния.

 

 

 

 

 

Рассмотрим,

как

преобразуются

в комплексной

области

граничные

условия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примем

8а. положительное

направление

нормали

к контуру

области

д

- внешнее

направление,

как

ато

обычно

 

делается в

теории

упругости с тем,

чтобы

направления нормали

и

каса­

тельной

были расположены

относительно

друга

друга

так же,

как

оси х

и у

(рис.

5.18).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Под напряжением

/з, d s

и о

d s ,

действующим

на

элемент

контура,

будем подразумевать,

как

обычно,

напряжение,

дейст­

вующее

со стороны положительной *нормали.' Тогда

условия на

поверхности черев функцию напряжений запишутся

следующим образом

 

 

 

 

 

- 197 -

 

 

 

0

д сг

 

, ,

 

д

сг

cos (»,у)

P v = -T ~ i c o s ( \ > ,x ) ---- :----

 

■Cty-

 

 

 

дхду

 

 

 

 

 

д

I/

,

х

,

д и

 

 

(5.87)

 

1

";

c o s (у

f

-

cosfay).,

 

 

д х д у

1

 

;

дх

 

 

 

ИЛИ уЧБТЫЗЙЯ,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

COS ( V х ) =

 

.

 

 

c o s ( , , h

- f S

 

1

}

ds

 

 

 

 

 

 

р

= ^2и

dy + д2и

dx _

d

,du ,

 

дуг d s

dxday

ds

ds. ' дчdy '

 

 

 

 

.

d

/

d u

J

 

(5.88)

 

 

P

 

 

 

 

' ds ( dx I*

 

 

 

 

у J

 

Снова рассмотрим комбинацию из этих функций:

 

P +LP

 

. d / Э.1/

du j

 

 

x\>

yv

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ди

. да

 

 

 

 

 

 

 

дх

+ i

д у

 

 

 

 

 

 

 

 

S

HJfa*':p*,)d&+consi-

sa

Обозначив интеграл, стоячий в правой части, чере8 £(s)+i,fz(s) и внося вместо девой части ее выражение через две комплекс­ ные функции, получим

<P(d)*Z.vY&)* 'v(d>)=£ (s)C /z(s) *COnsi на A . (5.89)

- 198 -

 

 

•Комбинация функций

 

<1*

+ i

определена лишь с точностью

до постоянного

слагаемого

•.

 

 

 

 

 

 

м

части

и поэтому.постоянную в

правой

мы можем фиксировать

произвольно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия второй основной эадачи являются прямым

следствием формулы (5.8^а). Если через

£

(s)

и

Q js )

обозначить

компоненты смещения точек контура, получим ;

 

 

 

 

 

 

 

 

Jf * / 2

)

=

 

 

 

2

 

G

(

) ■

 

 

(5*90)

 

 

Кроме указанных граничных условий, функции

V

и V должны

быть внутри области (ограниченной и односвязной) однозначными

и регулярными

во всей области.

 

 

функция Чг(%) опреде­

 

 

При заданном напряженном

состоянии

лена

вполне,- Ф (г ) -

с точностью до слагаемого

C i %функция

Y>(z} .- с точностью до слагаемого

CL-Z. + /

л

функция, ¥'(%) -

с точностью до. слагаемого

 

, где

С

-

действительная,

а

' j f ,

j!'\

- произвольные комплексные постоянные.

 

 

 

 

 

 

Очевидно,

что напряженное

состояние

lie изменится,

если

функцию

¥(z) заменить

на.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

? ( * ) + CL *

+ J ‘ ,

 

 

 

 

 

 

 

(5.91')

а функцию W (Z).' на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.91)

где

 

С

-действительная,

a

 

- комплексные произвольные

постоянные. При этом функция

Ф (л)=?>'/£),очевидно,

заменяется

на

eP {z)+ C t

, а Щ ъ )

остается без

изменениям

 

 

 

 

 

 

При заданных напряжениях, когда все три произвольные по­

стоянные

 

 

находятся

в

нашем распоряжении,

мы можем

выби­

рать

их так,

чтобы ¥(о)=

0. Мнимая часть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<р'(о)=0,

 

 

 

V (0 )= 0 .

 

 

 

 

 

(5.92)

Первое достигается подходящим выбором

f

, второе

- подходя­

щим выбором

С , третье - подходящим выбором

/ " •

 

 

 

 

Условия (5.92), очевидно, не оставляют

уже

никакого

про­

извола в выборе функций

¥

ж

W .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если на контуре исследуемой области заданы смещения,

то мы

всегда можем

подходящим выбором постоянных /

 

и у" достигнуть

того, чтобы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-.199 -

 

 

 

'<fi(0) ? О

'или.

Ч'(0) ' О .

Любым из

этих условий вполне фиксируются обе функции ¥ и у/ .

Заметим

еще следующее.

Выраяение

 

 

 

* * ^ ш < в г * Ь * г ф П л - * г х )

 

О*

Оу

 

 

'вполне определяет напряженное состояние тела; поскольку им'

*

 

.ди

с?ЪГ

, значит, и вторые

заолае определяются величины ~ —

» — —

производные функции U

их

су

. характеризующие компоненты напряже­

ния.

Во многих случаях напряжения и смещения удобно представ-. лять в полярных координатах. Формулы_(5.80) и- (5.86) могут быть записаны .в пбляри,,‘:: U;ординатах:

4 ч -

& V + < р [* ' ] '

1

 

,

j (5.93) .

2G(<)Zt t ^ )= e te\ x ^ ) - z * i f z ) - V F )\J

Эти формулы позволяют вычислить компонеыты напряжения и

смещения

в полярных координатах, причем в правые части вносит­

ся вместо

s выражение ъ е * в

. Из двух первых соотношений

(3.93)

вычитанием получаем,

еще

одну полезную формулу

<Ьг

- с

Zzff = Ф { ъ ) - ф

( ъ ) - е 2€в[%<Р'(2)+ ^ ; J , ( 5 . 9 ^ )

дающую напряжения, действующие на'дугу окружности г =const со стороны, противоположной центру.

.Указанные формулы были впервые получены Г.В.Колосовым и позднее в несколько ином виде Н.И.Кусхеджовили.

§5.14. Комплексное"представления оояовимт Фо р м у л пои конформном отображении

При конформном отображении круга на какую-нибудь область окруж­ ности j> = co n st и радиусам &= con st плосжости соответот-

- 200 -

вуют на плЪскостн 2 некоторые кривые, которые иы таете будем обозначать через j>=cons£ и в - c o n s t ..Величины j o и Э можно рассматривать как криволинейные координаты точек ( * , у ) плос­ кости Z , связанные друг с другом соотношением:

-ъ = х + с у = cJfe ) = oS(f>e19) .

Линии р - com l и в =const называется координатными. В силу кон­ формности отображения они ортогональны между собой. Кроме того,

при конформном отобразенкн первого рода направленно от-

 

 

 

/

 

счета углов_ не изменяется.

 

 

 

■1 в - с и л )

 

4 J C » Д - некоторый

 

 

 

 

 

вектор-

на

плоскости

£ .

 

 

 

 

 

имеющий начало в точке

 

 

 

 

 

 

% = cS (f> et6) (рас.

5.19).

 

 

= comt)

 

Проекции этого вектора

на

 

 

 

Ож

и Оу обозначим

через

 

 

 

 

х

 

 

а на

оси(/э) и(#)

 

 

 

 

 

через

, А0 .

 

 

 

 

Рис.

5.19

 

 

 

Очевидно,

что между

 

 

 

[п]

указанными

проекциями будзт

существовать

связь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A j* < - * ,‘ e '"L(AC

i A

!, )

 

 

(5.95)

где

cL угол,

составляемый осью (f>)

с осью о х

и отсчитываемый

от последней в

положительной

напряжении. Чтобы вычислить

е iclt

поступим так. Дадим точке '£

смещение d z

в направлении каса­

тельной (/>')•

Тогда

соответствующая

точка

 

получит

смещение

d ^

в радиальном направлении. Поэтому имеем

 

 

 

 

 

 

d z = е

te6/^/z/,

 

 

 

j d

^ j

с

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<**■

.

 

, J °

a j f e )

=

ч

c s 'f e )

 

 

Idzl

ItJ'feHIdfl

№'(ч)1

J>

/(S'fd)l (5.96)

 

i 1*- :ie

=

ч

 

а'(ч)

 

 

(5.97)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M O ! f la '(< i)l