background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

1

10.



10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

10.1. Zastosowanie funkcji Airy'ego

2

x



y

=0

(10.1)

Zakładamy, że istnieje  funkcja F(x,y) spełniająca  następujące  warunki (przy założeniu  p

x

  =0 oraz

istnienia siły masowej skierowanej przeciwnie do osi Y):

x

= ∂

F

∂ y

2

(10.2)

y

= ∂

F

∂ x

2

(10.3)

xy

= ∂

F

∂ ∂ y

qx

(10.4)

F

x , y

=0

(10.5)

4  

≡ ∂

4

∂ x

2

∂ x

∂ y

 ∂

∂ y

4

(10.6)

∂

x

x

∂

xy

∂ y

 p

x

=0

(10.7)

∂

xy

∂ x

∂

y

∂ y

 p

y

=0

(10.8)

Sprawdzamy czy funkcja Airy'ego spełnia te warunki.

F

∂ y

∂ x

− ∂

F

∂ ∂ y

2

q=0

(10.9)

−∂

F

∂ x

∂ y

q ∂

F

∂ ∂ y

2

q=0

(10.10)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

2

Zadanie 1.

Znaleźć stan naprężeń w dowolnym punkcie tarczy.

Rys.10.1. Rysunek do zadania 1.

Przyjmujemy taką funkcję by spełniała równania biharmoniczne – warunek konieczny.
 

F

x , y

=ax

bxycy

2

(10.11)

Warunek dostateczny:

x

= ∂

F

∂ y

2

=2 c

(10.12)

y

= ∂

F

∂ x

2

=2 a

(10.13)

xy

=−b

(10.14)

Warunki brzegowe:

1

x

=l

 yh

(10.15)

x

p

x

xy

p

(10.16)

2 c

p

bp

(10.17)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

p

x

p

y

p

y

p

x

x

y

h

1

l

l

h

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

3

c

=

p

x

2

b

=− p

(10.18)

2

x

=−l

∢ yh

(10.19)

x

p

x

xy

p

(10.20)

Warunki zgodne.

3

y

=−l

hxh

(10.21)

y

p

y

xy

p

(10.22)

a

=

p

y

2

b

=− p

(10.23)

F

=

1
2

p

y

x

2

− p xy p

x

y

(10.24)

Zadanie 2.

Zginanie belki

Rys.10.2. Rysunek do zadania 2.

przyjmujemy funkcję F(x,y)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

l

l

b

=1

h
2

h
2

x

ql

ql

y

q

ql

ql

l

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

4

F

x , y

=a

x

b

x

y

d

x

y

y

5

(10.23)

F

=0

(10.24)

F

∂ x

4

=0

(10.25)

F

∂ y

=−24 d

y

(10.26)

F

∂ x

∂ y

2

=24 d

y

(10.27)

Warunek jest spełniony.

1

x

= ∂

2

F

∂ y

2

=d

6 x

2

y

4  y

(10.28)

y

= ∂

2

F

∂ x

2

=2 a

2 b

3

y

2  d

5

xy

3

(10.29)

3

xy

= ∂

F

∂ ∂ x

=−2 b

3

x

6 d

5

xy

2

(10.30)

 
Warunki brzegowe (wyrażone w naprężeniach).

1

y

h
2

lx

xy

=0

(10.31)

2

y

=

h
2

lx

y

=−q

(10.32)

3

y

=−

h
2

lx

y

=0

(10.33)

4a

x

=

h
2

 y

h
2

h
2

h
2

xy

dy1

=ql

(10.34)

4b

x

=−

h
2

 y

h
2

h
2

h
2

xy

dy1

=−ql

(10.35)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

5

5

x

l

h
2

h
2

x

dy1

=0

(10.36)

6

x

l

h
2

h
2

x

ydy1

=0

(10.37)

y

y

=

h
2

=−q

(10.38)

y

y

=−

h
2

=

(10.39)

Po podstawieniu do wzoru (10.29) otrzymamy: 

{

2 a

2

2 b

h
2

2 d

5

h

3

8

=−q

2 a

2

2 b

h
2

2 d

5

h

3

8

=0

(10.40)

Z układu otrzymamy:

a

=−

q
4

(10.41)

xy

y

=

h
2

=0

(10.42)

Po podstawieniu do wzoru (10.30) otrzymamy:

x

2 b

6 d

h

2

4

=0

(10.43)

Z równań (10.40) i (10.43) otrzymujemy:

d

5

=

q

h

3

10.44)

b

=−

3
4

q
4

(10.45)

Zatem 

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

6

x

=

q

h

3

6 x

y

4 y

(10.46)

y

=−

q
2

3
2

q
h

y

2 q

h

3

y

3

(10.47)

xy

=

3
2

q
h

x

6 q

h

3

x y

2

(10.48)

I

z

==

1 h

3

12

(10.49)

Zatem

x

=

1

I

q
2

x

2

2
3

y

y

(10.50)

y

=

1

I

q
2

y

3

3

h

4

y

h

12

(10.51)

xy

=

1

I

q
2

h

4

− y

x

(10.52)

Sprawdźmy warunki brzegowe (10.34)-10.37):

xy

dy

ql

(10.53)

 Warunek spełniony.

x

dy

=0

(10.54)

Warunek spełniony.

h

2

h
2

x

ydy

=

1

I

q
2

l

h

3

12

h

2

10

0

(10.55)

Warunek nie jest spełniony czyli źle przyjęto funkcję F do przyjętej funkcji dodajemy F

1

 

F

=F

1

(10.56)

gdzie

F

1

=d

y

3

(10.57)

Zatem

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

7

x

1

=6  d

y

(10.58)

y

1

=0

(10.59)

xy

1

=0

(10.60)

Po   zmodyfikowaniu  σ

x 

  wszystkie   dotychczasowo  spełnione  warunki   brzegowe   są   spełnione.

Wprowadźmy zmienione σ

 x

 

x

=

1

I

q
2

x

2

3

y

y

6 d

y

(10.61)

do ostatniego warunku brzegowego, którego spełnienie prowadzi do relacji:

d

3

=−

q

2 I

l

2

h

2

10

(10.62)

Ostatecznie σ

 x

  ma postać:

x

=−

q

2 I

l

2

x

y

q

2 I

2
3

y

2

h

2

10

y

(10.63)

Rys. 10.3. Naprężenia 

x

=−

M

 x

I

y

(10.64)

M

 x=

q
2

l

2

x

(10.65)

σ

 x

  jest krzywą trzeciego stopnia.

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

8

Rys. 10.4. Naprężenia σ

 x

 

Porównajmy maksymalne naprężenia w włóknach skrajnych:

max

x

=

x

d

−

x

p

x

d

(10.67)

1

h

1 l

=0,1

0,3  promil

(10.68)

2

h

2 l

=0,25

1,7  promil

(10.69)

3

h

2 h

=0,5

6,7 promil

(10.70)

Przyjęte do rozważań wzory określające zginanie belki są wystarczająco dokładne.

Rys. 10.5. Naprężenia σ

 y 

, τ

 xy  

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

h

x

dokł.

x

przybl.

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

9

Ekstremalne wartości   σ

y

 =q << σ

x

 zatem możemy je zaniedbać w obliczeniach. τ

xy

 liczymy z wzoru

znanego z wytrzymałości materiałów:

 

T

 x=−qx

(10.71)

xy

=

TS

Ib

(10.72)

9.2 Wyznaczenie przemieszczeń w belce.

Płaski stan naprężeń:

x

=

1

E

x

−

y

x

= ∂

u

∂ x

(10.73)

y

=

1

E

y

−

x

y

= ∂

v

∂ y

(10.74)

xy

=

1

2 G

xy

xy

=

1
2

∂ u

∂ y

 ∂

v

∂ x

(10.75)

W celu otrzymania u i v wykonujemy obustronne całkowanie nieoznaczone:

x

= ∂

u

∂ x

⇒ u x , y=

x

dx

=... f

 y

(10.76)

Dla x w środku belki ze względu na symetrię geometryczną i obciążenia:

u

0, y=0

f

1

 y=0

(10.77)

y

= ∂

v

∂ y

v

 x , y=

y

dy

=... f

 x

(10.78)

Wyznaczenie stałej całkowania:

xy

=

q

4 EI

h

2

4

− y

x

=

1
2

∂ u

∂ y

 ∂

v

∂ x

xy

= −

q

4 EI

[

l

2

x

x

3

3

2 q

2

h

2

10

x



2 y

2

h

2

4

x

]

1
2

df

 x

dx

(10.79)

df

1

 x

dx

=

q

2 EI

[

8
5



h

4

4

x

l

2

xi

x

3

3

]

(10.80)

f

1

 x=... f

0

(10.81)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

xy

y

d

q

q
2

y

g

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

10

v

 x , y=

q

2 EI

{

y

4

12

h

2

4

y

2

2

h

3

12

y



[

l

2

x

y

2

2

y

4

6

h

2

20

y

]

}

q

2 EI

[

l

2

x

2

2

x

4

12

h

2

20

x

1

2

h

2

4

x

 f

]

(10.82)

przyjmijmy następujące warunki:

x

l

y

=0

}

v

=0

(10.83)

Wówczas otrzymamy:

f

0

=−

ql

2

2  EI

[

5

12

2

4
5

3

h

4

4

]

(10.84)

W wyniku podstawienia  f

0

    do  f

1

  otrzymamy wzory na ugięcie w dolnych punktach belki (tylko w

poziomie).

v

=

5 ql

4

24 EI

(10.85)

9.3 Płaskie zadania osiowo symetryczne (współrzędne biegunowe)

Zadanie osiowo symetryczne to zadanie tak skonstruowane, że funkcja miejsca i obciążenia są zależne

tylko od jednej zmiennej ( promień).

Φ=Φ(r) – funkcja naprężeń

1

r

=

1

r

d

dr

(10.86)

=

d

dr

2

(10.87)

r

=0

(10.88)

2

2

=

d

2

d r

2

1

r

d

dr

(10.89)

4

=

d

4

dr

4

2

r

d

3

dr

3

1

r

2

d

2

dr

2

1

r

3

d

dr

(10.90)

r=0

(10.91)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

10. ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ Z TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

11

Istnieje tylko jedna funkcja która spełnia to równanie.

r=AlnrBr

2

ln

rCr

D

(10.92)

Stan naprężeń i odkształceń łatwo możemy określić z definicji.

r

=

A

r

2

B

[

1

2 lnr

]

2C

(10.93)

=−

A

r

2

B

[

3

2 lnr

]

2C

(10.94)

r

=0

(10.95)

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater