1、弹性力学第四章 平面问题的极坐标解答 极坐标中的平衡微分方程 极坐标中的几何方程和物理方程 极坐标中的应力函数与相容方程 应力分量的坐标变换式 轴对称应力和相应的位移 圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞 半平面体在边界上受集中力 半平面体在边界上受分布力极坐标中的平衡微分方程xyOdrdrPABCrrrkrkddrr)(rddrrrrdrrrrdrrd极坐标中的平衡微分方程,0rF,0Frr1rrrr0rk021krrrrr推导得(极坐标中的平衡微分方程)(径向轴)(切向轴)极坐标中的几何方程和物理方程dxyOrPPABdrruAB1drruurrdurr)(duurr1.几何方程(1)只有径向变
2、形,无环向变形。rur1rrur1111rrur1极坐标中的几何方程和物理方程(2)只有环向变形,无径向向变形。dyxOrPBdrAP A B uduudrruu22极坐标中的几何方程和物理方程PAPAAP 0drdrdr2rPBPBBP PBPPBB rduduuur12222rruru极坐标中的几何方程和物理方程整理得:rurrurrur1ruruurrr1 极坐标下的几何方程极坐标中的几何方程和物理方程2.物理方程平面应力情形:)(1rrE)(1rErrrEG)1(21由于与直角坐标同是正交坐标,所以形式相同,但需变换符号。极坐标中的几何方程和物理方程平面应变情形:)1(12rrErrr
3、EG)1(21)1(12rE极坐标中的应力函数与相容方程xyOrxy(1)极坐标与直角坐标间的关系:222yxrxyarctancosrx sinry cosrxxrsinryyrrryxsin2rrxycos2极坐标中的应力函数与相容方程(2)应力分量与相容方程的坐标变换:xxrrxrrsincosyyrryrrcossin极坐标中的应力函数与相容方程rrrrxsincossincos22rrrrr22222sincossin2cos22222sincossin2rr(a)极坐标中的应力函数与相容方程rrrrycossincossin22rrrrr22222coscossin2sin2222
4、2coscossin2rr(b)极坐标中的应力函数与相容方程将式(a)与(b)相加,得2222yx2222211rrrr2222yx2222211rrrr011222222224rrrr所以极坐标下的相容方程为应力分量的坐标变换式(1)用极坐标下的应力分量表示直角坐标下的应力分量2sin2cos22rrrx2sin2cos22rrry2cos2sin2rrxy应力分量的坐标变换式(2)用直角坐标下的应力分量表示极坐标下的应力分量2sin2cos22xyyxyxr2sin2cos22xyyxyx2cos2sin2xyyxr轴对称应力和相应的位移1.轴对称问题应力分量与相容方程(1)应力分量22d
5、rddrdrr10r(2)相容方程012224drdrdrd假设应力函数只是径向坐标r的函数轴对称应力和相应的位移2.相容方程的求解044223344dtddtddtd其特征方程044234为方程的特征值引入变换式r=et,即t=lnr轴对称应力和相应的位移方程的特征根为:2,04321于是,方程的解为:DCeBteAttt22将 代 回:rtlnDCrrBrrA22lnln轴对称应力和相应的位移3.应力分量CrBrAr2)ln21(2CrBrA2)ln23(20rr轴对称应力和相应的位移sincos12311ln1211KICrBrrBrrAEur4.位移分量cossin4KIHrEBru圆
6、环或圆筒受均布压力。压力隧洞1.圆环或圆筒受均布压力确定应力分量的表达式:CrBrAr2)ln21(2CrBrA2)ln23(20rr圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞边界条件:0arr0brraarrqbbrrq圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞将应力分量带入边界条件有aqCaBaA2)ln21(2bqCbBbA2)ln21(2式中有三个未知常数,二个方程不通用确定。圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞要使多值项单值,须有:B=0 ,由上面边界条件得:)(2222abqqabbaA2222)(2abbqaqCba对于多连体问题,位移须满足位移单值条件。cossin4KIHrEBru位移多值项圆环或圆筒受均
7、布压力。压力隧洞将其代回应力分量式,有:barqbaraqabrb222222221111baqbaraqabrb222222221111圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞(1)若:)0(0abqq而arqabrb112222aqabrb112222(压应力)(拉应力)r圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞(3)若:)0(,0baqqbrqbara222211bqbara222211(压应力)(压应力)r圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞2.压力隧洞厚壁圆筒埋在无限大弹性体内,受内压 q 作用,求圆筒的应力。(1)圆筒的应力与边界条件CrAr22CrA22应力:边界条件:qarrpbrr圆环或圆筒受均布压力
8、。压力隧洞(2)无限大弹性体的应力与边界条件应力:CrAr22CrA22边界条件:pbrr0rr圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞将应力表达式代入相应的边界条件,得到如下方程:qCaA22pCbA22pCbA2202C圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞4个方程不能解5个未知量,需由位移连续条件确定。利用:brrbrruusincos)21(21KIrACrEursincos)21(21KIrArCEur得:圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞sincos)21(21KIbACbEsincos)21(21KIbAbCE要使对任意的 成立,须有:bACbE)21(21bAbCE)21(21圆环或圆筒受均布压力。
9、压力隧洞对式(f)整理有,有:0)21(222bAbACn其中:)1()1(EEn圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞联立上述5个方程,解得:)1()21(1)1()21(12222nabnnrbnqr)1()21(1)1()21(12222nabnnrbnq)1()21(1)1(22222nabnrbnqr圆环或圆筒受均布压力。压力隧洞当 n 1 时,应力分布如图所示。,E,Err半平面体在边界上受集中力设有半平面体,在其直边界上受有集中力,与边界法线成角 ,取单位宽度的部分来考虑,并命单位宽度上所受的力为P,取坐标轴如图。半平面体在边界上受集中力1.应力分量假设应力函数)sincos(DCr则应
10、力分量为01sincos21122222rrrCDrrrrrrr半平面体在边界上受集中力当P垂直于直线边界时有00rr)cos(2rPrrPx3cos2rPxcossin22rPxy2cossin2(极坐标)(直角坐标)PxyOr半平面体在边界上受集中力2.位移分量假设为平面应力情形sincossin)1(lncos2KIEPrEPurcos)1(sin)1(lnsin2EPEPrEPucossinKIHr半平面体在边界上受集中力00u0 KH由问题的对称性,有:代入上式得:于是上式变为:cossin)1(lncos2IEPrEPursincos)1(sin)1(lnsin2IEPEPrEPu
11、半平面体在边界上受集中力3.边界沉陷计算PxyOrMBsM 点的下沉量为:2 uIEPrEP)1(ln2半平面体在边界上受集中力由于常数I 无法确定,所以只能求得的相对沉陷量。为此,在边界上取一基准点B,如图所示。M点相对于基准点B的沉陷为srrruu22IEPrEP)1(ln2IEPsEP)1(ln2半平面体在边界上受集中力rsEPln2简化后得:对平面应变情形:rsEPln)1(22半平面体在边界上受分布力qddP OdM1.应力分量dP 作用在距原点 时,2223)(2yxxqddx2222)()(2yxyxqddy2222)()(2yxyxqddxy半平面体在边界上受分布力将此式在将此
12、式在 AB 区间上积分,得区间上积分,得abxxdyxxqd2223)(2abyydyxyxqd2222)()(2abxyxydyxyxqd2222)()(2半平面体在边界上受分布力2.边界点的相对沉陷量讨论均匀分布的单位力的情形。计算分布力中点 I 相对于 K 点的沉陷量:drcdP1rsEdPdkiln2drrsEckiln2dP半平面体在边界上受分布力对 r 积分,即可求得 I 点的相对沉陷量。当基准点K位于均布力之外时,沉陷量为22ln2cxcxkidrrsEc为简单起见,假定基点 K 取得很远,即s远大于r,积分时可视其为常数,积分结果为:半平面体在边界上受分布力)(2kikiFCE其中常数 C、Fki 的值为:2ln1ln2csC14ln1212ln222cxcxcxcxFki半平面体在边界上受分布力如果K点在均布力的中I点(x=0),则沉陷为drrEccki2/08ln22其中常数 C 不变,Fki =0对于平面应变情况下的半平面体,沉降公式仍然适用,但式中 E 应当换为)1/(E