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

книги / Оболочки и пластины

..pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
71.66 Mб
Скачать

прямолинейными и перпендикулярными к изогнутой срединной поверх­ ности, сохраняя при этом свою длину.

2. Нормальные напряжения на площадках, параллельных срединной поверхности, считаются пренебрежимо малыми по сравнению с прочими напряжениями.

Следует отметить, что теория, построенная на основе гипотез Кирхгофа — Лява, является существенно приближенной. Принятие указанных гипотез вносит погрешность порядка h /R , где h — толщина оболочки, R — минимальный линейный размер срединной поверхности.

§ 2. ИЗМЕНЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ПО ТОЛЩИНЕ ОБОЛОЧКИ

Перемещения точек оболочки будем считать малыми по сравнению с толщиной.

Пусть при деформирован^! оболочки точки ее срединной поверх­ ности получают перемещения А (а, р). Проекции вектора Д на направ­

ления ей <?2 и еп обозначим через и, и, w. Уравнение срединной поверх­ ности в декартовой системе координат до деформирования запишем в виде

г =

г(а, р),

(2 ,2 , 1)

после деформирования

 

 

R = г (а, Р) + А (а, р)

 

или

 

 

R = г (а, Р) +

ыех + ve2+ wen,

(2,2,2)

где г и R — радиусы-векторы точек недеформированной и деформиро­ ванной срединной поверхности.

Обозначим далее через радиус-вектор точки, расположенной на расстоянии z от срединной поверхности до деформирования, и через

RW — радиус-вектор той же точки после _ деформирования оболочки. Перемещение этой точки обозначим через А (г).

Очевидно

r(z) = г + zent

и согласно гипотезе Кирхгофа — Лява

R(z) = R -f- zen г -f- A -f- zen,

Д(2) = 7?<z) _ Г<*>^ A +z(e'n —O ,

(2,2,3)

где en— единичный вектор нормали к деформированной срединной поверх­ ности

 

 

 

е'п = е[х е2,

 

(2,2,4)

а е[ и е2 — единичные векторы, касательные к

координатным ли­

ниям а и р на деформированной срединной поверхности.

Из (2, 2, 2) следует, что

 

 

 

 

 

_ L

Л К

1

Г

д"г

д(иех)

д (ve2)

д (wen)

А'

да

А ’

\

да

да

да

да

здесь А' — коэффициент Ламе

деформированной срединной поверх­

ности

_

 

dR у

dR

dei

+ v

де2

, деп

= Аег + и

да

+ w ——

да

да

 

да

,

ди - ,

ди

-

,

dw

еп.

Н------

ехН-------

да

е2

Н-------

да

 

да

 

 

 

Подставив сюда

(1, 4, 4), получим

 

 

 

 

 

 

dR

А / 1 .

1

ди .

1

дА

.

w \ - .

 

 

да

\

А

да

АВ

ар

 

R i J

 

 

,

/ dv

1

дА \ -

.

f dw

А

\ -

/п

г»

 

 

 

 

 

 

 

 

( 2

' а д

Составляя скалярное произведение — — — и пренебрегая величинами

второго порядка малости, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

’l +

1

- +

1

дА

W

У

(2,2,7)

да

—— v +

"яГ

 

Л

 

АВ

да

 

 

:ть ортов

е й

е2,

i'П‘

Из (2, 2, 7) имеем

А '^ А ( 1 +

®i),

 

 

 

 

(2,2,8)

где

 

 

ад

 

 

 

 

 

ди

+ 7 Г

V +

W

 

 

(2,2,9)

да

 

~яГ’

 

 

 

и, следовательно,

- , / 1

ди

1

ад

и] е 2 “Ь ( ±

dw

 

 

ЛБ

ар

)

\ А

да

Аналогичным путем получим

\еп. (2,2,10)

RiJ

1

dR

-

. /

1

ди

1

дВ

\ - . /

1

dw

v \ -

2 ~ в’ ' ар

2_1Л 1 Г ’ ар

ав да / 1 + V в ар

"RT / п‘

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2,2, 11)

Умножая векторно (2, 2, 10) на

(2, 2, 11), пренебрегая членами второго

порядка

малости и учитывая ортогональность elt е2 и еп, получим

где

 

 

 

еп = d

х

ё2 =

е„ + flex +

яре2,

 

 

(2,2,12

 

 

 

dw ,

и

 

 

 

dw ,

 

v

 

 

ф _____1

 

. ______ 1

 

 

(2,2,13)

 

~

 

д а + ЩГ’

 

В

' ~df

+ ”R7 '

 

 

 

 

Подставляя (2,2,13)

в (2,2,3), имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A (z) =

Д +

2 (Оех +

t|#2)

 

 

(2,2,14)

или, в проекциях на направления

 

 

 

 

 

 

Величины # и if являются, как видно из (2, 2, 12), проекциями еп на б! и е2. В силу малости перемещений эти величины ра^ны углам, на которые поворачивается нормаль еп вокруг осей е2 и в\.

§ 3. ДЕФОРМАЦИИ ОБОЛОЧКИ И ЕЕ СРЕДИННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Длина элемента координатной линии до деформирования равна ds\=Ada, а после деформирования

ds\ = A'da.

 

Относительное удлинение будет

ds| — dsi

8 i1 — —■ dSl

или, учитывая (2, 2, 8) и (2, 2, 9),

1

ди .

1

ЗА

. w

 

(2,3,1)

 

 

1 А

да

АВ

д(5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично записывается

относительное

удлинение

координатной линии 0:

dv .

 

дБ

 

w

 

 

 

__1_

1

,

 

 

 

~ В

д$ +

~АВ ~да U +

Рис. 2.2

по направлению

(2,3,2)

Определим сдвиг как сумму углов 612= 71+72 (рис. 2. 2). Так как 71 и 72 малы, a ei и е2 нормированны, то

е12=

cos(6i^2) =

е\е2.

(2,3,3)

Подставляя сюда (2, 2, 10) и

(2, 2, 11)

и учитывая

ортогональность

Ci и е2, найдем

 

 

 

В

 

 

(2,3,4)

812

 

 

Проведем внутри оболочки поверхность на расстоянии z от средин­ ной поверхности. Построенная поверхность будет параллельна средин­ ной поверхности.

Рассмотрим нормальное сечение оболочки плоскостью, проходящей через касательную к координатной линии а (рис. 2. 3).

Кривые на рис. (2. 3) подобны с коэффициентом подобия

z

~R~i >

Поэтому

AW = А (1 4- - J - ) , М2) = Mi + 2,

(2,3,5)

где А& и R i^ — параметр Ламе и главный радиус кривизны параллель­ ной поверхности.

Аналогично

Определим деформации ei(z) и e2(z), а также сдвиг параллельной поверх­ ности. Подставляя (2, 3, 5) и (2, 3, 6) в (2, 3, 1) и учитывая (1, 4, 6), получим

е(,г)

] ____М

ди (z)

,

1

(2,3,7)

г \ Л ’

За

1

Ж " (г) + Ri )

 

 

-

Подставив сюда (2, 2, 15), будем иметь

 

 

 

 

1

 

(б! +

2XX),

 

(2,3,8)

 

е{2) =

 

 

где

1 dft

,

 

 

 

 

 

1

гЬ

(2,3,9)

Аналогично

да ~Г 4В ' ар

У'

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(е2+

2х2),

(2,3,10)

 

еГ =

6

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

_j№_ ф

 

х

дФ

,

J _

(2,3,9')

ар

~

АВ

' да

 

 

 

 

Для

определения

сдвига параллельной поверхности

в формуле

(2, 3, 4)

заменим величины А, В, и, v

на A(z), B(z), u(z),

v(z). Учиты­

вая (2, 3, 5), (2, 3, 6),

(1, 4, 6), (2, 2,

15), будем иметь

 

p (z)

------ (©1 4 2t x) ---------

(со2 4 z t 2),

е 12 =

, + х

где

 

 

dv

 

1

 

 

ал

 

 

II iH

 

 

 

 

и,

 

 

да

 

 

АВ

 

ар

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(о2 =

1

ди

 

 

1

 

 

ав

V,

 

' 1 Г

 

 

АВ

 

аа

 

2

В

 

 

 

 

 

 

1

д\]э

 

 

1

 

 

ал

,

 

T l ~

А

да

 

 

АВ

ар

О,

 

х2-

1

д&

 

 

1

 

 

дБ

 

 

в

' ар

 

 

АВ

 

 

да

Ф-

В силу (2,3,4) имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0* 4

®2 — 612'

 

 

Кроме того, как

нетрудно убедиться,

 

 

 

 

 

 

 

t! +

- ^

=

 

 

 

(Oi

 

 

T2+ ^ - .

 

 

 

 

«1

 

 

 

 

Ri

 

Если ввести обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х -

т

I

 

_

т

 

I

 

,

 

К П — Т 1

Г

 

12 ^

 

 

 

 

 

Kl

 

 

 

 

А2

то из (2,3,11) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

81г

= -------------!-------------i f

1—

— Y 12 I

+2[("й+_^)т+‘]гЧ-

(2,3,11)

(2,3,12)

(2,3,13)

(2,3,14)

(2,3,14')

Величины Ki и v-i характеризуют изменение кривизны, a

— кру­

чение срединной поверхности; величины ei,

ег,

ei2— удлинения

и сдвиг

срединной поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

Выпишем формулы для этих величин:

 

 

 

1

ди

,

1

дА

.

w

 

81 ~ ~а

' !кГ + ~ав

"ар" v +

~яГ

 

 

 

дv

,

1

 

W

 

 

' 1 $ + ~ав

+ "i

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

"

 

 

 

 

аft

 

1

ал

 

 

 

 

аа

+

лв

ар

1

 

 

J

i

+ _ ! _

ав

,

 

 

 

ар

^

дв

да

 

 

х

=

_£i.___L

i±<> .

/ L

 

____ L

A L \

J _

 

(2,3,15)

12

 

 

A ’

da

AB

‘ dp

 

'

\ В

dp

AB

da } ‘ Ri

 

 

где Ф и ф

 

даны формулами (2,2,13):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_

1

dw

,

и

. _____1

dw .

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~B

'

"djT + ~R T '

 

 

Шесть величин ei, 62, 612, хь

X2, ^12 выражены через три функции

и, v и w по формулам (2, 3,

15). Эти шесть величин связаны между со­

бой тремя

 

уравнениями,

которые

называются

уравнениями

неразрыв­

ности срединной поверхности:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

дх2

 

 

 

 

 

 

 

2

dA

 

 

 

 

дА

 

+

да

 

 

 

 

 

 

ар

‘‘г +

1

Г

ар

е 12

 

 

НГА — —+ -^ -е12— В

-----Л

 

(в>_

в1)'

 

= 0,

 

 

 

 

Ri

 

I

ар

ар

12

 

da

da

v

2

17

 

 

 

 

 

 

 

 

dA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

it

В

d£i2 . дв

 

— A

aex

 

ал

,

 

 

v-

= 0,

(2,3,16)

 

aa

aa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ~7—е12

 

 

 

 

 

 

 

*!_ + _ * + _ L f _ L _L Гд

R2

/?!

ЛВ

\ aa

Л

L da

da

 

 

_1_

л

aej

I

дА /

ч

 

 

в

"ар

+

“гг- (£i — ег)

 

 

 

 

ар

 

(e2— e,) — — .

ал

+

ар

K

2

ар

 

aei2

 

= 0.

 

2

аа

аа

 

 

 

Для получения этих уравнений нужно из (2, 3, 15) исключить пу­ тем дифференцирования и ряда линейных преобразований перемеще­ ния и, v, до, используя при этом условия Гаусса — Кодацци (1, 4, 6) и (1,4, 8).

 

§ 4. УСИЛИЯ И МОМЕНТЫ

 

 

 

Выделим из оболочки пространственный элемент

четырьмя

нор­

мальными

сечениями, касательными

к линиям

а, а-ЬДа, р,

р+ Др на

срединной

поверхности (рис. 2.4).

Высота элемента

равна

толщине

оболочки.

Векторы напряжений показаны на

рисунке.

Введем

вместо

напряжений статически эквивалентные им усилия и моменты. Рассмот­ рим грань элемента, перпендикулярную линии а (рис. 2.5).

Будем считать Др настолько малым, что в интервале [р, Р+Др] напряжения постоянны при постоянном z, а в силу малости прогибов полагаем, что коэффициенты Ламе и радиусы кривизны не меняются.

Площадь заштрихованного участка на рис. (2.5) равна “"О+ i) dz. Тогда компоненты главного вектора системы напря­ жений, приложенных к грани, будут

/1/2

Д7\ = в д р J <ru ( l + -L -)dz,

—Л/2

2

ДГ12 = ВДР J сг12 (1 +

-^-)dz,

(2,4,1)

—Л/2

2

 

Л/2

 

 

ЛЛ^ВДр J 013(l + -|-)dz,

 

—Л/2

 

 

а компоненты главного момента AMl2, AMt вдоль осей еь е2

соответ­

ственно

 

 

Л/2

АМг = 5Д0 | z<x12( l + -^-)dz,

-h/2

Л/2

AMi — 5ДР ^ Z0U ( 1 + — ^ dz.

—Л/2

Рис. 2.5

Заметим, что момент напряжений относительно оси, параллельной еп и проходящей через центральную точку дуги ВДр, равен нулю вследствие предполагаемой однородности напряжений вдоль дуги ВДр.

Заменим систему напряжений, приложенных к грани элемента обо­

лочки (рис. 2.5),

статически

эквивалентной

системой сил и моментов,

приложенных к элементу

срединной

поверхности по отрезку

дуги

[р, Р + Д'Р] (линия

пересечения

 

срединной поверхности с гранью).

 

На единицу длины указанной линии приходятся силы

 

 

 

 

A T i

 

Ч-Л/2

 

 

 

 

 

7 \ =

=

J « и (

 

1d z ,

 

 

 

 

 

 

в д р

, 1 + 1 г )

 

 

 

 

 

 

-Л/2

 

 

 

 

 

 

 

Д Г 2

 

+Л/2

 

 

 

(2,4,2)

 

т

-

jГ

0*12О

 

) d z ,

 

1

12 —

Б А Р

 

 

 

{ ' +

~ к .

 

 

 

 

 

—Л/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AWx

 

+Л/2

 

 

 

 

 

 

 

=

j

о „ (

 

^ d z

 

 

 

 

 

 

 

в д р

—Л/2

и моменты относительно направлений е2,

 

Л/2

 

 

 

-Л / 2

 

 

(2,4,3)

 

Л/2

 

 

 

 

 

 

А4И =

 

 

 

 

 

-Л /2

 

 

направлению

Теперь рассмотрим грань элемента, перпендикулярную

бгНа единицу длины линии пересечения этой грани с

срединной по-

верхностью приходятся силы

 

 

 

 

Т%=

.f я“ ( 1 + ■ * ■ ) * •

 

 

 

 

—Л/2

 

 

 

 

Л/2

 

 

 

Т21 =

I Ч1+-*:)*•

 

 

 

 

 

 

Л/2

 

 

 

 

Л/2

 

 

 

ЛГ2 =

—Л/2I а”(1н"7ь)&

(2,4,4)

и моменты относительно направлений е\,

еъ'-

 

 

Л/2

 

 

 

м 2 =

J

Z(T22

 

 

 

-Л/2

 

1 '

 

 

Л/2

 

 

 

Af21 =

J

za21( l +

-£ - )& .

(2>4>5)

-Л/2

В случае пологих оболочек в формулах (2, 4, 2) —(2, 4, 5) можно

пренебречь величинами по сравнению с единицей.

Rn

Если сечение оболочки проведено под углом ср к линии а (т. е. угол

между нормалью п сечения и касательной к линии а равен <р), то в указанном сечении действуют следующие усилия и моменты [5]:

Т- = 7\ cos2ср + Т2sin2ф -f Ssin 2ф,

 

S ' = -~- (Тя — 7\) sin 2ф + S cos 2ф,

 

М- = MjCOS2ф + М2sin2ф —Я sin 2ф

 

Я- = — (Мх — М2) sin 2ф + Я cos 2ф,

(2,4,6)

2

 

N- = Ni cos ф + N2sin ф,

 

где

 

S — Т12T2i, Я — Л422 — Л421.

 

§ 5. РАВНОВЕСИЕ ЭЛЕМЕНТА СРЕДИННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

 

Рассмотрим равновесие элемента оболочки, изображенного на рис. (2. 4). Внутренние силы, действующие на элемент, указаны в пре­ дыдущем параграфе.

Будем считать, что из внешних сил на оболочку действуют только массовые и нормальные поверхностные силы, причем моментами массо­

вых

сил

относительно сре­

 

. ёп

 

динной

поверхности

будем

 

 

пренебрегать.

 

 

внеш-

" -

|

 

них

Заменим систему

'

 

сил,

приложенных

к

 

 

 

элементу

оболочки, статиче­

 

 

 

ски эквивалентной

системой

 

 

 

сил, распределенных по сре­

 

 

 

динной

поверхности.

 

 

 

 

 

 

Вместо равновесия эле­

 

 

 

мента оболочки теперь мож­

 

 

 

но

рассматривать

равнове-

 

Рис 2.7

 

сие

элемента

срединной

 

 

поверхности,

нагруженного

 

 

 

внутренними

силами

(2,

4,

моментами (2, 4, 3) и (2, 4, 5)

и внешней

2)

и (2, 4, 4), внутренними

распределенной нагрузкой плотности q (а, р)

с компонентами вдоль еи

е2 и

еп, равными <71(а, Р), <7г(а, р) и qn{а, Р) (рис. 2.7).

 

 

При выводе уравнений равновесия перемещения w оболочки будем

считать малыми по сравнению с ее толщиной.

 

 

 

На сторону ОС элемента действуют сила

 

 

 

 

 

 

Т{']В dР

=

(Тj6i Т12е 2 - ) -

Bdfi

(2,5,1)

и момент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— Afiu£dp = — (M1e2 — Mne1)Bd$.

(2,5,2)

На сторону ED: сила

 

 

 

 

 

да

момент

 

MWBd$ + — 1— ->Д] dp da.

 

да

 

На сторону ЕО: сила

 

— Г(2Мda = — (7> 2 -f Т21ех + Л^2еп) Ada,

(2.5.3)

момент

 

— М 2,Л da — — (М21е2— A42ex) A da.

(2.5.4)

На сторону ДС: сила

 

 

 

T m d a +

9 [7<2)i4]

da

dp,

 

 

момент

 

 

 

ар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М 2Мda +

3[M(2)i4]dtt dp.

 

 

 

 

 

 

dp

 

 

 

 

На поверхность элемента действует сила

 

 

 

 

 

ABq dad$ = AB (q ^ +

qtf2 +

qnen) da dp.

(2,5,5)

Знаки перед

силами

и моментами

выбирались

в соответствии с

рис. (2. 6),

(2. 7). На

противоположные

стороны

элемента

действуют

силы и моменты противоположных знаков.

Для равновесия элемента необходимо и достаточно равенство нулю главного вектора и главного момента всех сил, действующих на элемент.

Условие равенства нулю главного вектора всех сил запишется так:

д [Г(1) В]

да

а [г<2>Л] + q A B = 0'

(2,5,6)

ар

 

Подставив в последнее равенство (2, 5, 1), (2, 5, 3), (2, 5, 5) ^учиты­

вая правила (1, 4, 4) дифференцирования единичных векторов еи е2, еп, будем иметь после сокращения на da, dp векторное уравнение

[

д(ВТг)

аАТи)(

 

 

 

 

 

 

да

ар

+ f

T* -

T‘ + i t Ni+ABqi] 7' +

 

д(ВТ12)

а (Ат,)

 

 

 

 

 

 

a (gjVx)

*

+ i £ T«

- T

T' +

t

N‘ +ABlh} 7' +

 

+ A iAN*L

АВ (_g_

+ J A )

+

ABqnj ln = 0, (2,5,7)

 

[ да

 

ар

 

 

 

 

 

или три скалярных уравнения

1

Г а(вгх)

д(АТп)

АВ

L

da

ар

Г

 

 

а (аг2)

da

 

+

ABJ [

 

ар

 

1

Г.а(в д г) ,

 

АВ

[

£

, ад т

^ар112

дв т

21

аа

a(A/v2)

-|

. О С

 

м

г 1

 

 

1 7

Г*J

 

 

 

ар+ -

Ч

5,8)

 

 

1 1t-o3

 

 

Rl

/?2