background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 9  •  KMBiM WILiŚ PG 

Ćwiczenie 9 

 

Rozważymy tarczę nieskończoną, o szerokości 

Pasmo tarczowe 

2 

i grubości   → model tarczy ciągłej 

Zakładamy, że obciążenia na obu brzegach są okresowe i symetryczne względem osi 

2

Nie jest to ograniczenie metody – 

istnieje bowiem rozkład: 

( )

(

)

( )

(

)

( )

2

2

f x

f

x

f x

f

x

f x

+

=

+

gdzie: 

( )

f x

 

→ dowolna funkcja 

( )

(

)

2

f x

f

x

+

 

→ składnik symetryczny (funkcja parzysta) 

( )

(

)

2

f x

f

x

 

→ składnik antysymetryczny (funkcja nieparzysta) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Dla obciążenia, które opisane jest funkcją parzystą, możemy zapisać szeregi cosinusowe: 

( )

0

1

1

1

1

cos

2

n

n

n

p

a

x

x

a

α

=

=

+

( )

0

1

1

1

1

cos

2

n

n

n

p

a

a

x

x

α

=

=

+

n

n

l

π

α

=

 

 

Ze względu na globalny warunek równowagi

0

1

1

1

( )

l

l

a

p x dx

l

 

= ⋅

 

(rzuty na oś pionową) otrzymamy: 

1

1

0

1

( )

l

l

p x dx

a

l

 

= ⋅

=

 

 

Do wyznaczenia funkcji naprężeń zastosujemy zasadę superpozycji

4

1

0

F

=

 oraz 

4

2

0

F

=  zatem: 

(

)

4

4

1

2

0

F

F

F

+

= ∇

=   (operator 

( )

4

∇   jest liniowy!) 

 
Pierwszą składową funkcji naprężeń

1

F

 

 (przy obc. brzegowych 

0

1

2

a

⋅ ) wyznaczymy, zakładając: 

2

1

1

F

C x

= ⋅ , gdzie:  C const

=

 

2

1

22

2

1

2

F

C

x

σ

=

=

 

 

Warunek brzegowy: 

(

)

22

2

0

1

2

x

b

a

σ

= ± =

⋅  

stąd: 

0

4

a

C

=

 oraz: 

2

0

1

1

4

a

F

x

=

 

l

 

l

 

b

 

b

 

1

x

 

2

x

 

1

( )

p x

 

1

( )

p x

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 9  •  KMBiM WILiŚ PG 

Przy wyznaczaniu funkcji

2

F

 

,  ze  względu  na  przyjętą  metodę  szeregów  Fouriera,  zakładamy  rozdzielenie 

zmiennych

(

)

( )

2

1

2

2

1

1

,

cos

n

n

n

F x x

f

x

x

α

=

=

 

 
Podstawiając do równania biharmonicznego 

4

2

0

F

= , otrzymamy: 

(

)

4

2

1

2

,

0

F x x

=

 

( )

( )

( )

4

2

2

2

2

1

1

2

cos

0

n

n

n

n

n

n

n

f

x

f

x

f

x

x

α

α

α

=

′′

′′′′

− ⋅

+

=

 

 

Rozwinięcie w szereg funkcji zerowej daje wszystkie współczynniki równe zero
 
Zatem, 

porównując współczynniki szeregów po obu stronach: 

( )

( )

( )

4

2

2

2

2

2

0

n

n

n

n

n

f

x

f

x

f

x

α

α

′′

′′′′

− ⋅

+

=

 

Jest to więc zwyczajne równanie różniczkowe o stałych współczynnikach
 

Przewidujemy: 

( )

2

2

r x

n

f

x

e

=

 

Zatem: 

( )

( )

2

2

2

4

2

2

0

r x

r x

r x

n

n

e

e

e

α

α

′′

′′′′

− ⋅

+

=

 

2

2

2

4

2

2

4

2

0

r x

r x

r x

n

n

e

r

e

r

e

α

α

− ⋅ ⋅

+ ⋅

=  

4

2

2

4

2

0

n

n

r

r

α

α

− ⋅ ⋅

+

=  

(

)

2

2

2

0

n

r

α

=  → 

(

)(

)

2

0

n

n

r

r

α

α

+

=

 

(

) (

)

2

2

0

n

n

r

r

α

α

+

=

 

Stąd: 

1,2

n

r

α

= +  oraz 

3,4

n

r

α

= −  → pierwiastki podwójne 

 

warunku liniowej niezależności otrzymujemy: 

( )

2

2

2

2

2

1

2

2

3

4

2

n

n

n

n

x

x

x

x

n

f

x

C e

C

x e

C e

C

x e

α

α

α

α

− ⋅

− ⋅

=

+

⋅ ⋅

+

+

⋅ ⋅

 

Podstawić można następujące zależności: 

(

)

1

2

x

x

ch   x

e

e

α

α

α

− ⋅

= ⋅

+

 oraz 

(

)

1

2

x

x

sh   x

e

e

α

α

α

− ⋅

= ⋅

 

 

( )

2

n

f

x

Łącząc poprzednie wzory, otrzymamy: 

[

]

2

2

2

2

2

2

2

1

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A ch x

x B sh x

C

sh x

x D ch x

α

α

α

α

α

α

α

=

+

+

+

 

                

mnożnik wygodny do późniejszego różniczkowania 

Otrzymujemy więc ostatecznie: 

(

)

1

2

1

2

,

F x x

F

F

=

 

(

)

2

0

1

1

2

1

,

4

a

F x x

x

=

,  

(

)

( )

2

1

2

2

1

1

,

cos

n

n

n

F x x

f

x

x

α

=

=

 

zatem: 

(

)

2

0

1

2

1

,

4

a

F x x

x

=

[

]

2

2

2

2

2

2

1

2

1

1

cos

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A ch x

x

B sh x

C

sh x

x

D ch x

x

α

α

α

α

α

α

α

α

=

+

+

+

+

 

 

Stałe  , , ,

n

n

n

n

A B C D  

wyznacza się z odpowiednich warunków brzegowych dla 

22

σ

 i 

12

σ

, gdzie: 

2

0

22

2

1

2

a

F

x

σ

=

=

[

]

2

2

2

2

2

2

1

1

cos

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A ch x

x B sh x

C

sh x

x D ch x

x

α

α

α

α

α

α

α

=

+

+

+

 

oraz: 

2

12

1

2

F

x x

σ

= −

∂ ∂

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

1

1

sin

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A

B

sh x

x

B ch x

C

D

ch x

x

D sh x

x

α

α

α

α

α

α

α

=

=

+

+

+

+

+

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 9  •  KMBiM WILiŚ PG 

 
Warunki brzegowe:
 

dla: 

( )

22

2

12

1

1)

2)

0

  

x

b   

  

  

         

p x

 

σ

σ

+

=

=

=

oraz dla: 

( )

22

2

12

1

3)

4)

0

  

x

b   

  

  

         

p x

 

σ

σ

+

=

= − 

=

 

gdzie: 

( )

0

1

1

1

1

cos

2

n

n

n

p

a

x

x

a

α

=

=

+

( )

0

1

1

1

1

cos

2

n

n

n

p

a

a

x

x

α

=

=

+

n

n

l

π

α

=

 

 

Rozwiązując układ czterech równań algebraicznych liniowycho czterech niewiadomych, otrzymujemy: 

(

)

2

n

n

n

n

n

n

n

n

sh b

b ch b

A

a

a

sh 2

b

b

α

α

α

α

α

+

= −

+

+

 

(

)

2

n

n

n

n

n

n

sh b

B

a

a

sh 2

b

b

α

α

α

=

+

+

 

(

)

2

n

n

n

n

n

n

n

n

ch b

b sh b

C

a

a

sh 2

b

b

α

α

α

α

α

+

= −

 

(

)

2

n

n

n

n

n

n

ch b

D

a

a

sh 2

b

b

α

α

α

=

 

Zatem funkcja 

(

)

1

2

,

F x x

 jest 

całkowicie określona

Jej  zróżniczkowanie  prowadzi  do  uzyskania  naprężeń 

11

22

12

,

,

σ σ σ

  w  dowolnym punkcie danego pasma 

tarczowego
 
Najbardziej istotne, podobnie jak w belkach, są naprężenia 

11

σ

2

11

2

2

F

x

σ

=

[

]

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

cos

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A ch x

B ch x

x B sh x

C sh x

D sh x

x D ch x

x

α

α

α

α

α

α

α

α

α

=

=

+

+

⋅ ⋅

+

+

+

 

(

)

(

)

11

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

cos

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A

B

ch x

x B sh x

C

D

sh x

x

D ch x

x

σ

α

α

α

α

α

α

α

=

=

+

+

+

+

+

Zatem: 

 

 
Szeregi te są na ogół wolnozbieżne (szczególnie dla 

2

x

b

= ± ). 

Drogą przekształceń można z nich otrzymać szeregi o lepszej zbieżności

(

)

11

2

x

b

σ

=

(

)

(

)

1

1

1

1

1

1

cos

cos

cos

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

x

a

a

c

x

a

a

d

x

α

α

α

=

=

=

=

+

⋅ ⋅

+

⋅ ⋅

 

oraz: 

(

)

11

2

x

b

σ

= −

(

)

(

)

1

1

1

1

1

1

cos

cos

cos

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

x

a

a

c

x

a

a

d

x

α

α

α

=

=

=

=

+

⋅ ⋅

⋅ ⋅

 

gdzie: 

2

2

n

n

n

n

b

c

sh 2

b

b

α

α

α

=

+

 

← nowe stałe! 

oraz: 

2

2

n

n

n

n

b

d

sh 2

b

b

α

α

α

=

 

← nowe stałe! 

 

( )

1

1

0

1

1

cos

2

n

n

n

a

x

p x

a

α

=

=

Poza tym, z założenia: 

( )

1

1

0

1

1

cos

2

n

n

n

a

x

p x

a

α

=

=

n

n

l

π

α

=

 


Document Outline