周益春-材料固体力学习题解答习题十
更新时间:2024-05-05 07:07:01 阅读量: 综合文库 文档下载
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第十章 热应力习题及解 习题1、如图10-1所示,将一圆锥体固定在两壁间,计算温度由T1升高到T2时所产生的压缩热应力。 图10-1 解:设圆锥体棒温度升高为??T2?T1,其线胀系数为?。在自由膨胀时,其伸长为??l 。 若假设壁给予的压缩力为P,而棒应缩短??l。各截面的粗细不同,因此各截面产生的热应力不同。与左端距离x的截面AB处的直径为dx,
dx?d1??d2?d1?x/l。设AB截面的面积为Sx,于是该截面上的压缩热应力为
?x??PSx??4P??d1???(d2?d1)lx???2
故AB处的应变为
?x???xE??4P?E?d1???(d2?d1)lx???2
与AB距离dx微段的缩短了?xdx,因此整个棒缩短
?l4Pdx0?E?d1???(d2?d1)lx???2?4Pl?Ed1d2???l
那么P??E?d1d2?/4,于是热应力为
???E?d1d2?(d2?d1)??d1?x??l??2x
最大热应力发生在截面积最小的左端,为?max??Ed2??/d1。
习题2、如图10-2所示,两根材料和长度都不相同的平行棒,它们的一端各自被固定,而另一
端连接在刚体板上可以一起轴向活动,通过弹簧受到另一壁的反作用,设两棒分别从最初的无应力
1
状态下温度升高了T1和T2,试计算两棒中的热应力。 棒1:E1,?1,S1,T1,?1 棒2:E2,?2,S2,T2,?2 图10-2 解:假定T2?T1,?2??1,则棒1的自由膨胀量为?1T1L1,而棒2的自由膨胀量为?2T2L2。棒2自由膨胀时伸长量大,故棒2除自由膨胀外,受到压缩而缩短,因压应力的缩短量为?2L2??2L2/E2,其最终伸长量为 ?2T2L2??2L2/E2。
而棒1除自由膨胀外,还因相应拉应力的伸长?1L1??1L1/E1,其最终伸长量为
?1T1L1??1L1/E1
其中?1,?2中包含了应力符号。
因右端连接在刚体板上一起轴向活动,两棒的总伸长量应相等,即
?1T1L1??1L1/E1??2T2L2??2L2/E2??l (a)
设弹簧的弹性常数为ks,则其压缩力为P?ksl,故有
?1S1??2S2?P (b)
可求得
?S2E2S1E1??1T1L11???2T2L2???S2E2L1S1E1L2ks?1T1L1S1?1?ksL1S1E1
?S1E1S2E2??2T2L21???1T1L1???S1E1L2S2E2L1ks?2T2L2S2?2?ksL2S2E2
讨论:
(1)若ks?0,弹簧非常柔软的情况下,刚体板仅起连接作用,此时
2
?1??E1??1T1L1??2T2L2?/L11?S1E1L2/S2E2L1'
再假设L1?L2,T1?T2?T,则
?1??E1T??1??2?'1?S1E1/S2E2。
(2)若ks??,弹簧不能伸缩,即为全约束下(即为上题情形),此时
?1??E1?1T1
对于?2,以上讨论完全类似。
习题3、如图10-3所示,重量为P=9072Kg的刚体块,吊在长为L1=30.5cm的钢棒和长为L2=61cm的铝棒下,现温度升高56?C。其中钢棒:
E1?2.1?10Kg/cm,?1?1.22?106262?5,S1?5.16cm
?52铝棒:E2?0.7?10Kg/cm,?2?2.22?10且认为棒受压后不会弯曲,试求各棒中的热应力。 ,S2?10.32cm,不考虑各棒的自重,2图10-3 解:利用第2题中的(a)式 ?1T1L1??1L1/E1??2T2L2??2L2/E2??l得 1.22?10?5?30.5?56??5?1?30.52.1?100.7?106?2.22?10?61?56??2?616
整理后得14.5?1?87.14?2?54998Kg 利用第3题中的(b)式得
2??1?5.16??
2?10.32?9072Kg
3
由上述两式可求出 ?1?1294Kg/cm,?2??415Kg/cm。
习题4、将钢制螺钉拧进铜管中长L,假定螺钉与铜管的截面积之比为S1/S2?1/2,钢制螺钉的纵向弹性系数为E1?2?10Kg/cm,?1?1.1?10E2?10Kg/cm,?2?1.65?1062?562?522,铜管的纵向弹性系数为
,试计算温度由20?C上升到220?C时的热应力。
解:由于是拧进去的,膨胀相互受到约束,伸长量必须相等,即将伸长量等式与合力平衡条件联立求解,可利用第2题中的讨论(1)
?1??E1T??1??2?'1?S1E1/S2E2
其中T?220?C?20?C?200?C,代入上式得
?1??2?10?6'?200?1.1?101?1/2?10??5?1.65?10?6?52?10?6??1100Kg/cm2
由合力平衡条件?1S1???2S2得
????S1/S2??1??12?1100??550Kg/cm22
习题5、证明:在二维热弹性问题中,使面内应力?拉普拉斯方程?T?0。
证明:热弹性力学的物理方程为
?x??y??z?1?1?1?[?[?[?x2x??y??xy?0的变温分布T一定满足
?v(??v(??v(?y??z)]??T,??x)]??T,??y)]??T,?????yz???1G1G1G?yz?xz ?xyyzxzzxxy现在为二维热弹性问题中,而面内应力?面应变问题均有?z?0 ,于是
?x??T,?y??T,?z??T,???xy??xy?0,故无论是平面应力问题,还是平
yz???1G1G1G?yz?0?xz?0 ?xy?0xzxy再据变形协调方程
4
??x?y22???y?x22???2xy?x?y,??y?z222???z?y22???2yz?y?z,??z?x22???x?z22???2zx?z?x
得 ?(?T?x22??T?y22)?0,?(?T?y22??T?z22)?0,?(?T?z22??T?x22)?0
三式相加得 2?(2?T?x?22?2?T?y2??T?z22)?0, 所以有
?(?T?x22?T?y?22)???T?0,即?T?0;或?T?z2222,得证。
)?2??T?0,即?T?0222?(?T?x2?T?y2?习题6、证明:在平面应力热弹性问题中,杜汉梅-偌衣曼原理可表述为:若在无体力及表面力作用时因变温T???1??1?引起的位移及应力u?与???(?,??1,2)。而该同一弹性体在等温情况下由体
?1?力????E?1??T,??使及表面力?T1?v1?v???1??2??E?1????所引起的位移及应力为u?与???(?,??1,2),那么 ???2??2?u??u?,?????????1??2??E1??T?1????
证明:在平面应力热弹性问题中, 变形几何方程为:????12?u?,??u?,??,?kk?uk,k (a)
平衡方程为: ???,??f??0 (b)
????2G??????????kk?E1?2???T???,物理方程为:
????1?v?v??????E?1?v (c)
??????T???,kk 其中?为线膨胀系数
应力边界条件为: ???v??X? (d) 将(c)中第一式左右两边对x?求导,然后与(b)联立得:
???,??f??2G???,?????????E1?2?T,?????f?
2kk,?因为 2G???,??G(u?,???u?,??)?G(u?,???u?,??)?G?u??Ge,?,
5
?kk,??????kk,??uk,k??e,?,T,?????T,?
所以以位移表示的平衡方程为
G?u?????G?uk,k??2?E1?2vT,??f??0 (e)
?1??1?(1)若在无体力及表面力作用、即f??0,X??0时,因变温T???可由下列公式求得
?1?引起的位移及应力u?与
将f??0代入(e)式得
2(1)(1)位移公式: G?u?????G?uk,k???E1?2vT,?(1)?0 (f)
将X??0代入(d)式、再由(f)、(a)、(b)、(c)、(d)式得 应力分量公式: ??1?x?2G1?v?????v?????11xy?E1?vT?1? (g)
??1?y?2G1?vxy?????v?????11yx?E1?vT?1?
?xy?G??1?(2)同一弹性体在等温情况下、即T?0时,由体力f????E1?v?E1?vT,?及表面力
?1?X??T?1???所引起的位移及应力u?与???为
?2??2?将T?0、f????E1?vT,?代入(e)式得
?1?2(2)(2)位移公式:G?u?????G?uk,k???E1?2vT,?(1)?0 (h)
X???E1?vT?1???代入(d)式、再由(h)、(a)、(b)、(c)、(d)式得
应力分量公式: ??2?x?2G1?v???2?x?v?y?2?? (i)
6
??2?y?2G1?vxy???2?y?v?x?2??
?xy?G??1??2?(3)比较(f)和(h)式得:u??u? 因为u??u?,由(a)得?????
再比较(g)和(i)式得:?????????1??2??2??1??2??1??2??E1??T?1????
?1?故:若在无体力及表面力作用、即f??0,X??0时,无约束弹性体在温度变化T后,对
其每一很薄平面微元体的膨胀或收缩在该平面内给以完全的限制,即可设想在微元体的x,y方向施加压力P,从而做到因变温引起的?x??y???x??y?1Exy?0。所以P可由下式求得
?P?1??vP???T?1??0
而 P???E1?vT
这种压力分布可以一定的体力和面力作用在弹性体上来实现,对微元体说,也就是将
????P???E1?vxyT?1?
附加到等温情况下的应力状态。
习题7、如图10-4所示,一等厚度的矩形薄板,其温度只沿高度方向按T?T(y)变化,板端不固定,试计算因温度分布不均匀而引起的热应力,并据不同的约束情况和温度分布情况讨论热应力的分布。
图10-4
解:首先假设使板两端固定,此时板中每根纵向(x向)纤维因膨胀而引起的应变?T完全被限制,板中显然受到压力,其压应力为
??1?x???ET?y? (a)
但这样假设后,在板的两端面(x??l)上会有(a)式表示的应力分布,这不符合板两端面各点应力为零的实际情况。要满足板两端面各点应力为零的条件,只需在x??l面上加一个大小与
7
(a)式相等而方向相反的应力系?ET?y?即可。这样加上的应力系沿端面积分所得的合力和合力矩为
Px?M??c?c?ET?y?bdy (b)
cz??c?ET?y?bydy (c)
据圣维南原理,由在端面所加应力系?ET?y?在远离端部所引起的应力,与Px,Mz所引起的应力相同,故有
??2?x?PxA?Px2bc??2c?1c?c?ET?y?dy (d)
??3?x?MzyIz?3Mzy2bc33y2c3?c?c?ET?y?ydy (e)
结果,在板中所产生的热应力,除了板端部附近外,是以上(a)、(d)、(e)三种应力的叠加,即
?x???1?x???2?x??1?3?xc ???ET?y???2c?c?ET?y?dy?3y2c3?c?c?ET?y?ydy (f)
讨论:
(1)如板只受到对弯曲的约束,则(f)式中?式中??2?x?3?x项不存在;如只受到对压缩的约束,则(f)
项不存在。
z(2)如果T(y)关于x轴对称分布(即为y的偶函数),则式(c)中的积分为零,即M那么(f)式中??3?x?0,
项不存在。
(3)如果T(y)关于x轴反对称分布(即为y的奇函数),则式(b)中的积分为零,即Px?0,那么(f)式中??2?x项不存在。
(4)如果T(y)为抛物线分布时,例如
yc22T(y)?T0(1?)
22则 ?x?23?ET0??ET0(1?23yc)
y??c处,?x??ET0 为拉应力;
8
(5)如果T(y)的分布为T(y)?T0(1?yc)的情况下,则不产生热应力。
习题8、一个四边自由的厚矩形板,例如可认为图10-4中的b很大,并把它视为板宽,可以把2c视为板的厚度而得到的厚矩形板。其温度沿厚度方向按T?T(y)变化,试计算因温度分布不均匀而引起的热应力,并据温度分布情况讨论热应力的分布。
解:由于板在z方向很宽,故在z方向的纤维因T(y)不同而有不同量的热膨胀,因此板中除了?x外,还产生了?z。假设在z和x方向都受到完全约束,则??x??y??z?1E1E1E?0而
y??????x????????????y??????z????T????yzxzxy??????T?
???T???则必有?x??z?0,故在此假设情况下
??????ET?y?1?vxz
在z和x方向分别类似于第7题中的处理方法得板内(远离边缘处)各点的热应力为
?x??z???1?z???2?z????3?z ???ET?y?1?v3y2c3?2c?1?v?c?c1c?c?ET?y?dy (a)
??1?v???ET?y?ydy如果?E为常数(不随温度而变化),则上式变为
?x??z??E?1?v???T?y??12c?c?cT?y?dy ?3y2c3?c?cT?y?ydy? (b) ??当温度分布T(y)对称于xz面(中性面)时,上式右端第三项不存在,故板不产生弯曲。此时,设平均温度为Tm,则
Tm?12c?c?cT(y)dy,?T(y)ydy?0
?cc所以 ?x??z??E1?v?Tm?T?y??。
习题9、试证明:对于平面温度场,当设区域内的任意闭曲线为?时,不产生热应力的充要条
9
2件是:且??T?0、
?T?n?和?P?z?dz?0(位移单值性),其中P?z?ds?0(闭曲线内部无热源)
?是实部为T的解析函数。
证明:
一、先证必要条件:
线性、各向同性热弹性体中的热传导方程为
?c?T?t??kT,i?,i????E?1?2vT0??kk
设?,c,?,k,E,?,v等材料常数不随温度变化,忽略耦合项?E?1?2vT0??kk,则热传导方程为
?T?t???T?2W?c
式中??k?c为导温系数,W???为单位时间每单位体积热源的发热量。
考虑三维情况,由于不产生热应力,自由膨胀情况下,其应变量为
?x??y??z??T?xy??yz??zx?0
代入应变协调方程得
??x?y22???y?x22???2xy?x?y,??y?z222???z?y22???2yz?y?z,??z?x22???x?z22???2zx?z?x
即 ?(?T?x22??T?y22)?0,?(?T?y22??T?z22)?0,?(?T?z22??T?x22)?0
三式相加得 2?(?T?x22?T?x222??T?y?T?z222??T?z22)?0, 所以有
2?(??T?y2?)?2??T?0,即?T?0
22且??T?n?ds?0(闭曲线内部无热源W=0),?P?z?dz?0(保证位移单值性),据热传导方
?程得
?T?t?0,这就是无热源定常温度场,也就是不产生热应力的必要条件。
二、证充分条件:
(一)充分条件一——闭曲线内无热源
以平面温度场来证明,平面应力状态下,在应力-应变关系式中令热应力为零,则有
10
?x??y??xy1E1E????yzx??????zxy???T???T??T??T (a)
yx?????0同样在平面应变状态下,令热应力为零,也有?x??y??1?v??T 将以上各式代入应变协调方程中得
?T?0 (b)
2此外,由?z?v??x??y???ETz可知,即使是不产生热应力的平面温度场,在平面应变状
态下,如有温度的变化,也会有????ET的热应力。
由(b)式可知,不产生热应力的平面温度场的必要条件是无内热源的定常温度场,但这并非充分条件。
在弹性体的变形中,旋转的定义为
???ux1??uy???2??x?y?? (c) ??但?必须是单值的。对于任意的两点a,b
??b????a???ba????????dx?dy?? (d) ?y??x?由(a)、(c)两式得
??22?ux1??uy???2?x2??x?x?y?2??ux??x???ux??T???????? ??????x?y?y?x?y?y???2 将上述两式代入(d)式中得
???y??uy?x?y???T?x
??b????a???ba???T?T????dx?dy?????y?x???b?T?nads
为使旋转是单值的,上式沿任意闭曲线?积分一周为零,所以
??T?n?ds?0
沿区域内任意闭曲线积分,这个条件必须成立。这个积分是与流出热量有关的量,故必须是横
截面内无热源的温度场。
(二)充分条件二——位移的单值性
根据?x??y,及?xy?0得
11
?ux?x??uy?y,?uy?x???ux?y
显然ux,uy满足哥西-黎曼条件,于是可以定义一个函数
v?z??ux?iuy (e)
由(b)式可知,T是一个平面调和函数,因此它是某解析函数的实部,于是定义P?z?这样一个解析函数,即
P?z??T(x,y)?iS(x,y)
上式中S是T的共轭函数,S???。
此外,由(e)式得 v??z???P(z) 所以 v?z????P(z)dz?0
由于位移必须是单值的,从上式和(e)式可知,沿区域内任意闭曲线?积分一周为零,即
?P?z?dz?综上所述不产生热应力的充要条件是
?T?0、?2?T?n?ds?0、?P?z?dz?0。
?习题10、试分析坐标原点处热源引起的温度场。 解:现用极坐标表示,r?x?y22,??arctgyx,z?rei?,此温度场为
T?lnr
设想在r=0的周围有一圆,从这圆流出的热量为Q0,若板厚取为b,由傅立叶公式得
Q0?kb??T?nds?kb?2??lnr?r0rd??2?kb
对于这种情况,取
P?z??lnz?lnr?i?
在z=0处有奇点,故
v?z????P(z)dz???lnzdz??z?lnz?1?
当?从0变到2?,此值增加2?i?r,它不满足不产生热应力的条件,也就是在这种情况下会产生热应力。
12
习题11、设热量通过板的上下表面向周围进行传递,试推导求解此定常温度场所产生的热应力的基本微分方程。 y图10-5 解:如图10-5所示在板中取出面积为dxdy,厚度为b的微元体来导出热平衡式。从x轴向的??T??bdy?x??一侧面bdy流入的热量为?k?,从其相对的侧面流出的热量为
2??T???2T??T?bdxdy。?k??dx?因此通过这两个面沿x轴方向流入的热量为k?同样沿y22???bdy,??x?x?x??????2T轴方向流入的热量为k?2???y??bdxdy。 ??若周围介质温度为TA,并设传热系数为?,则在两个表面上热传递为
2??T?TA?dxdy
由于是定常温度场,温度与时间无关,微元体中的热量保持不变,所以有
?T?x22??T?y22?m2?T?TA?,即?T?x22??T?y22?m2?T?TA??0 (a)
上式中 m?22?kb
为了方便,引入新变量?,??T?TA,(a)式可写成
???m???TA
222若周围介质温度一定,则?TA?0,故有 ???m? 因此此平面应力问题的热弹性位移势?满足 ????1?v?????TA?
2222 13
据第10题中所述的充要条件:当TA一定或为平面调和函数时,它是与应力无关的,于是热弹性位移势?满足微分方程
????1?v???
2此方程的特解为 ???1?v?那么有
?x??ux?x????x22??m2
,?y??uy?y????y22,?xy??ux?y2??uy?x?2???x?y2
?x?????2G2???x22?(??2G)??2??????2G2??y?2?2?? ??2G??????x2?
?y??2G???x22,?xy?2G???x?y2
所以由热弹性位移势?特解所产生的热应力为
??1?x??2G???y22??2G?1?v??m??2G???x222?2???y22???Em???x2??22?2??1?y???Em???Em?2?xy?2G?1????x?y?2?x?y2???2??y??? ????由于这个解在一般情况下不满足自由边界条件,所以改变它在边界上的值的符号,并以此作为边界条件,来解这样的等温弹性问题而求得的应力为?所求的热应力。
习题12、试求初始温度为T0、半径为b的实心圆柱体表面被冷却到零度时的非定常热应力。 解:设圆柱体侧面从t?0的瞬间急剧冷却到0?C,则由式
T?2T0b??2?x,??2?y,??2?xy,然后将二者叠加起来便得到
?n?1e??gnt2J0?rgn?gnJ1?bg?n (a)
(a)式中gn为下列方程的根
' gJ0?gb???J0?gb??0,其中?为传热系数,J0为第一种零阶贝塞尔函数。
(a)式中J1为第一种一阶贝塞尔函数。
14
由(a)式得任意时刻t的温度分布
r??pt?T?T0?AnJ0??n?en (b)
b??n?1?(b)式中?n为方程J0????0的根, An?将(b)式代入下列各式中
??????Trdr?Trdr???r2??1?v?r0b0???E?1r1b???Trdr?Trdr?T?2??? 2?001?v?rb???E?2b???z??2?Trdr?T??1?v?b0???1r2?nJ1??n?,常数pn?k?nc?b22
?E?1b分别得出所求的热应力为
??2?ET0???r???1?vn?1?????r????r????J1??n???J0??n???????2?ET01b?pnt?1??b????b?????e????? ?221?vn?1?nrJ1??n??nJ1??n?????n?????????r????J0??n???????2?ET0?pnt?2??b????z???e??2??J????1?vn?1n1n??n??????????r???J?n?????1?1b?pt?1??b???en?2?2?????rJ?n1n?n???????习题13、试求初始温度为0?C、半径为b的实心圆柱体放入温度为TA的介质中时的的非定常热应力。
解:初始温度为0?C的实心圆柱体,从t?0的瞬间放入温度为TA的介质中,此时温度变化为
TTA??1?2A?en?1??nt?2??J0?r?n/b?2n?A2?J???0n (a)
(a)式中?n?bgn,而gn为下列方程的正根
15
gnJ1?gnb???J0?gnb??0,其中?为传热系数,J0为第一种零阶贝塞尔函数,J1为第一种一阶贝塞尔函数。
(a)式中的t?'?tb2,A?b?
对(a)式稍加修改为
2?2?T?TA?1?b???n?0e??gnt2?gJ0?rgn?2n??2??? (b)
gnJ1?bgn??将(b)式代入下列各式中
??????Trdr?Trdr???r2??1?v?r0b0??
??E?1r1b????2?Trdr?2?Trdr?T?1?v?r0b0????1r?E?1b分别得出所求的热应力为
???g2??2r21?vb?n?1n2? ??gnt2??E2?TAeb??????????gbJgr?Jgr?Jgb?n0n1n1n2222??1?vbgnJ1?gnb??r???n?1gn?????E2?TA2?e??gnt???b?????Jgr?Jgb1n1n2?gnJ1?gnb???r?2????习题14、空心圆柱辊子的外直径为2b?400mm,内圆孔直径为2a?80mm,线膨胀系数
??12?10?6/?C,弹性模量E?2.16?10N/mm52,泊松比v?0.3,辊子外侧表面温度为
Tb,内孔表面温度为Ta,试求该空心圆柱辊子的非定常热应力。
解:该空心圆柱辊子半径为r处的非定常热应力为
??b??ETa?Tb?bab?????r??ln??1ln???22?2?b2?1?v?rb?ara?????lna?22?b??ETa?Tb?bab???2?1?ln?? (a) ????2?1?ln2??b2?1?v?rb?ara?????lna?2??ETa?Tb?b2ab??z?1?2ln?2ln??2b?2?1?v?rb?aa???lna?22内外表面的应力为
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??r?a??z??r?b??z?????rr?a??rr?b?0???????2?E?Ta?Tb?12b???? (b) ??22r?ab2?1?v??b?a???ln?a?????????2?E?Ta?Tb?12a?????22r?bb2?1?v??b?a???ln?a????据(b)式得内外表面的应力为
?rr?a??rr?b?6?0 ?2.16?102?1?0.3?5??r?a??zr?a?12?10?Ta?Tb??12?200??2?200?40?ln522????
?2.707?Tb?Ta???r?b??zr?b?12?10?6?2.16?102?1?0.3?5?Ta?Tb??12?40??2?200?40?ln522????
??0.996?Tb?Ta?由(a)式得半径为处r的热应力为
?200?2002????r?1.15?Tb?Ta??ln?0.067??1?2????rr??????200???2002??????1.15?Tb?Ta??ln?0.067??1?1? ?2??r?r?????200???z?1.15?Tb?Ta??2ln?0.866??r????当温差?Tb?Ta?为正值时,则??及?z在外表面为压应力,而在孔内表面则为拉应力;径向应力?r沿整个辊子截面均为拉应力,而在辊子内外表面其值降为零。
习题15、如图10-6所示,无限长楔形坝体的中心角为2?,坝体的中心轴为x轴。首先,假定变温在中心轴上为T?T0,在两边为T?0,
(1)变温按cos?的一次式变化: T?T0cos??cos?1?cos?17
β β θ 图10-6 (2)变温与r成正比,并按cos?的一次式变化: T?T0r?cos??cos?h?1?cos???
其中h为某指定长度,例如坝高的一部分 试分别求该楔形坝体中的非定常热应力。
解:坝体的温度场,由于受到混凝土硬化发热的影响以及水温和气温变化的影响,分布复杂而且随时改变,上述变温分布已做特别简化。
2(1)设位移势函数为?,?应满足????1?v??T,取极坐标系,有
2??21?1????222?r?rr????r?cos??cos?????1?v??T0 (a) ?1?cos??2取位移势函数为 ??r?C1cos??C2? (b)
代入(a)式得
3C1cos??4C2??1?v??T0cos??cos?1?cos?
将上式两边的cos?项和常数项进行对比,得到 C1??1?v??T0
3?1?cos??C2???1?v??T0cos?
4?1?cos??代回式(b)得
???1?v??T01?2?1r?cos??cos?? (c)
1?cos?4?3?位移特解的应力分量为
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??1?r?1?????1?v??r?rE?1?????1?vE???1??r???1?v?r?E21??????22??r????2??? ?2?r?1??????r???? (d)
将(c)式代入上式得位移特解的应力分量为
1?1cos??cos??r1?cos??32E?T0?21?1??????cos??cos?1?cos??32E?T0?1??1??1??r????r???sin??1?cos??3???1???E?T0?????????? (e) ?????在边界上应力分量为如下常量
?1??cos????r????1?cos??6??E?T0?1???1??????cos??? ????1?cos??6????1??E?T0?r??1????????1???sin???1?cos??3??E?T0由此可见,为了满足边界条件,相应的位移补充解应力分量应当与r无关,而只是?的函数。于是利用第四章习题14中的(c)式所示的应力分量,并根据问题的对称性,?r和??只取其中的偶?项,而?r?只取其中的奇?项,从而有
???2Acos2??2D,???2????2Acos2??2D,? ?2??2??r????r?2Asin2???r?2?将上式与(e)式叠加,得
?r???1?r??????1??r??1?cos??r1?cos??3E?T0?2?2???????cos??1?cos??3E?T0?1??2????r??r???r???1?cos????2???E?T0??cos???2Acos2??2D,?2??1??cos???2Acos2??2D,? (f) 2???1???sin???2Asin2???3??1应用边界条件 ???????0,?r??????0
求出常数A及D,再代回(f)式,即得热应力
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?r?E?T0sin??cos?cos??cos3cos??1?cos??22???2?,????E?T0?cos??cos??r????r?,3cos??1?cos??E?T0sin??cos??cos?3cos??1?cos??????? ????其中最大拉应力是
?r?????E?T0?1?cos?3cos??。
2(2)设位移势函数为?,?应满足????1?v??T,取极坐标系,故
2??21?1????222??rr?rr????r?cos??cos??????1?v??T0 (g) ???h1?cos??2取位移势函数为 ??r?C1cos??C2? (h)
代入(g)式求出C1,C2,然后代回(h)式求出?,再将?代入(d)式得 位移特解的应力分量为
?1?cosrh?1?cos???4E?T0r?3?1??????cosh?1?cos???4E?T0r?1??1??r????r??h?1?cos???1???E?T0r??cos???3??2????cos??? (i)
3???1???sin?????4????1在边界上应力分量为如下常量
?1??cos????r????h?1?cos???12??E?T0r?1???1?????cos??? ?????h?1?cos???12????1??E?T0r?r??1????????1???sin???h?1?cos???4??E?T0r由此可见,为了满足边界条件,相应的位移补充解应力分量应当与r成正比,而对应的应力函数? 应当是r的三次式
??rf???
3将其代入相容方程
2??21?1????222?r?rr????r????0 ??2 20
解出f???,从而得出应力函数?,再利用如下求应力分量的公式
?2?r??1??r?r?2????2????r?r???21????22?r???2????2?r??1??????r??????
求得相应的应力分量为
??2r?3Acos3??3Bsin3??Ccos??Dsin??,???2????6r?Acos3??Bsin3??Ccos??Dsin??,? ?2??2??r????r?2r?3Asin3??3Bcos3??Csin??Dcos??????2?r根据问题的对称性,??2?r2?和??只取其中的偶?项,而?r??只取其中的奇?项,从而有
?2?B?D?0,将上式中剩余的各项与(i)式叠加,得
?r?????1?1???cos??cos??2r3Acos3??Ccos?,???h?1?cos???43??E?T0r32??????cos??cos???6r?Acos3??Ccos??,? (j)
h?1?cos???43???1??sin???2r?3Asin3??Csin?h?1?cos???4?E?T0rE?T0r?r????r??????应用边界条件
???????0,?r??????0
求出常数A及C,再代回(j)式,即得热应力
??2E?T0r?cos??cos???2cos??cos??????,? 23hcos??1?cos???22E?T0rsin?sin??sin???r????r?2?3hcos??1?cos???r??E?T0rcos?3??sin22?cos??cos?33hcos??1?cos???,???其中最大拉应力是
?r?????E?T0r?1?cos?3hcos??。
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