background image

9.TENSOR NAPRĘŻEŃ W BIEGUNOWYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH

1

9.



9. TENSOR NAPRĘŻEŃ W BIEGUNOWYM UKŁADZIE WSPÓRZĘDNYCH

Na rysunku 9.1 przedstawiono element ulegający przemieszczeniu:

u – czyli przemieszczeniu radialnemu mierzonemu wzdłuż promienia

v – czyli przemieszczeniu liniowemu inaczej obwodowemu

Rys.9.1.Element ulegający przemieszczeniu.

Naszym   zadaniem   jest   wyznaczenie   składowych   tensora   odkształcenia   przedstawiającego   się

następująco:

=

[

r

r

 r

]

(9.1)

gdzie:
ε

r

- odkształcenie radialne 

ε

φ

- odkształcenie obrotowe

ε

φr

, ε

- odkształcenie kątowe związane z kątem odkształcenia γ

Z rysunku wynikają równania Cauchy'ego łączące odkształcenia z przemieszczeniami::

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

AlmaMater

X

Y

d

v

u

r

v

 ∂

v

∂

d

u

u

∂

d

v

 ∂

v

∂ r

dr

u

∂ u

r

dr

background image

9.TENSOR NAPRĘŻEŃ W BIEGUNOWYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH

2

r

=

u

 ∂

u

∂ r

dr

u

dr

= ∂

u

∂ r

(9.2)

=

v

 ∂

v

∂ r

dr

v

dr

r

u

−r−v

d

=

r

⋅∂

v

∂

u

r

(9.3)

Przy wyznaczeniu pozostałych składowych tensora odkształcenia skorzystamy z zależności 2ε

rφ 

= γ

gdzie:

r

=

r

⋅∂

u

∂

 ∂

v

∂ r

v
r

(9.4)

Ostatecznie odkształcenie kątowe ma postać:

r

=

1

r

=

2

r

⋅∂

u

∂

 ∂

v

∂ r

v
r

(9.5)

Wykonując   na   funkcjach   odkształceń   operacje   różniczkowania   można   uzyskać   równanie

nierozdzielności odkształceń w postaci:

∂ r

2

r

r

∂

2

2

r

∂ 

∂ r

1

r

∂

r

∂ r

=2

2

r

r

⋅∂ ∂

1

r

2

∂

r

∂

(9.6)

Związki   fizyczne   w   płaskim   stanie   naprężenia   i   odkształcenia   w   układzie   współrzędnych

biegunowych (uzyskuje się je analogicznie jak dla współrzędnych prostokątnych):

-płaski stan naprężeń (PSO):

r

=

1

E

r

−

(9.7)

=

1

E

−

r

(9.8)

r

=

1



E

r

(9.9)

-płaski stan odkształceń (PSN):

r

=

1



E

[

1

−

r

−

]

(9.10)

=

1



E

[

1

−

−

r

]

(9.11)

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

AlmaMater

background image

9.TENSOR NAPRĘŻEŃ W BIEGUNOWYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH

3

r

=

1



E

r

(9.12)

Zastosowanie funkcji naprężeń:
Szukamy funkcji F(r,φ)=Φ(r,φ) spełniającej warunek:

F

=0

(9.13)

Spróbujmy   zapisać   powyższy   warunek   we   współrzędnych   biegunowych.   Wiemy,   że   we

współrzędnych prostokątnych laplasjan to suma:

2

=

2

∂ x

2

2

∂ y

2

(9.14)

2

∂ x

= ∂

∂ x

∂

∂ x

 i  

2

∂ y

= ∂

∂ y

∂

∂ y

 

(9.15)

oraz  

∂

∂ x

=

∂

∂ r

⋅∂

r

∂ x

∂

∂

∂

∂ x

  i  

∂

∂ y

=

∂

∂ r

⋅∂

r

∂ y

∂

∂

∂

∂ y

(9.16)

Korzystając z związków między współrzędnymi biegunowymi a współrzędnymi prostokątnymi
(Rys. 9.2.):

Rys. 9.2. Układ współrzędnych biegunowych i prostokątnych

r

2

=x

2

 y

2  

r

=

x

2

 y

2

(9.17)

=arctg

y

x

(9.18)

cos

=

x
r

x

=rcos

(9.19)

sin

=

y

r

y

=rsin

(9.20)

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

AlmaMater

Y

r

φ

X

y

x

background image

9.TENSOR NAPRĘŻEŃ W BIEGUNOWYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH

4

Zatem:

∂ r

∂ x

= ∂

∂ x

x

2

 y

2

=

x

x

 y

=

x

r

cos

r

sin

=

x
r

=cos

(9.21)

∂

∂ x

= ∂

∂ x

arctg

y
x

=−

y

x

1

y

2

x

=−

y

x

2

 y

2

=−

y

r

2

=

−sin 

r

(9.22)

∂ r

∂ y

= ∂

∂ y

x

2

 y

2

=

y

x

 y

=

y

r

cos

r

sin

=

y

r

=sin 

(9.23)

∂

∂ y

= ∂

∂ y

arctg

y
x

=

x

r

2

=

cos

r

(9.24)

Wartości różniczek uzyskane po zamianie współrzędnych prostokątnych na współrzędne biegunowe

podstawmy do wzorów (9.16):

∂

∂ x

=

∂

∂ r

cos

−

∂

∂

sin

r

(9.25)

∂

∂ y

=

∂

∂ r

sin



∂

∂

cos

r

(9.26)

Więc:

2

∂ x

2

= ∂

∂ x

[

∂

∂ r

cos

−

∂

∂

sin

r

]

(9.27)

2

∂ y

2

= ∂

∂ y

[

∂

∂ r

sin



∂

∂

cos

r

]

(9.28)

Po zsumowaniu wyznaczonych wielkości i wykonaniu odpowiednich przekształceń otrzymujemy:

2

∂ x

2

2

∂ y

2

=

2

∂ r

2

1

r

∂

∂ r

1

r

2

2

∂

2

(9.29)

Otrzymana wielkość to Laplasjan funkcji Φ wyrażony we współrzędnych biegunowych:

2

=

∂ r

2

1

r

∂

∂ r

1

r

2

2

∂

2

(9.30)

Sposób rozwiązywania zadań w płaskim stanie odkształceń i płaskim stanie naprężeń jest identyczny

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

AlmaMater

background image

9.TENSOR NAPRĘŻEŃ W BIEGUNOWYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH

5

jak w przypadku współrzędnych prostokątnych.

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

AlmaMater