background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 5  •  KMBiM WILiŚ PG 

Ćwiczenie 5 

Rozwiązania tarcz we współrzędnych biegunowych 

 

Związki między składowymi stanu naprężeń w układzie prostokątnym i biegunowym 

 

1. 

Rozwiązania tarcz we współrzędnych biegunowych 

 
 
 
 
 
 
 
 

Współrzędne biegunowe – współrzędne krzywoliniowe, ortogonalne, na płaszczyźnie 
 
W celu wyprowadzenia wzorów transformacyjnych dla operatora biharmonicznego 

4

F

 

z  układu 

prostokątnego do biegunowego obliczamy pochodne cząstkowe funkcji złożonej: 

(

)

( )

1

2

,

,

F x x

F r

ϕ

(

)

(

)

(

)

1

2

1

2

,

,

,

x x

x x

F r

ϕ

=

 

 

1

r

x

Obliczenia pomocnicze: 

1

1

2

2

1

2

2

cos

2

x

x

r

x

x

ϕ

=

=

=

+

 

2

r

x

2

2

2

2

1

2

2

sin

2

x

x

r

x

x

ϕ

=

=

=

+

 

1

x

ϕ


2

2

1

2

2

2

2

2

2

1

2

2

1

sin

1

x

x

x

x

x

x

r

r

x

x

ϕ

=

= −

= −

= −

+

+  

 

2

x

ϕ

1

1

1

1

2

2

2

2

1

2

2

1

cos

1

x

x

x

x

x

r

r

x

x

ϕ

=

=

=

=

+

+  

 

 

1

1

1

F

F

r

F

x

r

x

x

ϕ

ϕ

=

+

∂ ∂

Pochodne funkcji naprężeń: 

sin

cos

F

F

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

=

+

⋅ −

 

2

2

2

F

F

r

F

x

r

x

x

ϕ

ϕ

=

+

∂ ∂

cos

sin

F

F

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

=

+

⋅

 

 

Następnie: 

2

2

1

1

1

F

F

x

x

x

∂ ∂

=

sin

sin

cos

cos

F

F

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ



=





 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

1

1

1

1

1

cos

cos

sin

cos

sin

cos

sin

sin

sin

cos

F

F

F

F

F

F

F

r

r

r

r

r

r

r r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

=

+

⋅ ⋅

− ⋅

+

⋅ ⋅

+

⋅ ⋅

∂ ∂

∂ ∂

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

1

cos

sin

cos

sin

cos

sin

F

F

F

F

F

r

r

r

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

=

− ⋅

+

+

+

∂ ∂

 

 
 

1

x

 

2

x

 

dr

 

r

 

1

2

cos

sin

x

r

x

r

ϕ
ϕ

= ⋅

 = ⋅

 

ϕ

 

d

ϕ

 

r d

ϕ

 

2

2

1

2

2

1

r

x

x

x

arctg

x

ϕ

 =

+

⇒ 

=

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 5  •  KMBiM WILiŚ PG 

Podobnie: 

2

2

2

2

2

F

F

x

x

x

=

( )

cos

cos

sin

sin

...

F

F

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ



=

+

+

=





 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

1

sin

sin

cos

sin

cos

cos

F

F

F

F

F

r

r

r

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

=

+ ⋅

+

+

∂ ∂

 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

1

1

F

F

F

F

F

F

x

x

r

r

r

r

ϕ

=

+

=

+ ⋅

+

Zatem operator Laplace’a we współrzędnych biegunowych: 

 

Równanie tarczy we współrzędnych biegunowych: 

( )

,

F

F r

ϕ

=

 

– 

funkcja naprężeń 

 

  

(

)

4

2

2

0

F

F

= ∇ ∇

=

  

  

( )

( )

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

,

,

,

1

1

1

1

0

F r

F r

F r

r

r

r

r

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ



+ ⋅

+

+ ⋅

+

=





 

 
Uwaga: 

Do wyznaczenia naprężeń stycznych w ukł. biegunowym potrzebna jest również pochodna mieszana! 

2

1

2

1

2

F

F

x x

x

x

∂ ∂

=

∂ ∂

( )

cos

sin

sin

cos

...

F

F

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ



=

+

=





 

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

sin

cos

cos 2

cos 2

sin

cos

sin

cos

F

F

F

F

F

r

r

r

r

r

r

r

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

=

+ ⋅

− ⋅

∂ ∂

 

 

 
 

PSN w układzie biegunowym: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2. 

Związki między składowymi stanu naprężeń w układzie prostokątnym i biegunowym 

 
 
 

Elementarne wyprowadzenie (z równań równowagi): 
 

 
 
 
 

Rzut na oś w kierunku 

r

11

2

22

1

21

1

12

2

cos

sin

cos

sin

rr

ds

ds

ds

ds

ds

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

=

+

+

+

 

2

2

11

22

21

cos

sin

sin 2

rr

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

=

+

+

 

Rzut na oś prostopadłą do kierunku 

r

11

22

21

sin

cos

sin

cos

cos 2

r

ϕ

σ

σ

ϕ

ϕ σ

ϕ

ϕ σ

ϕ

= −

+

+

 

2

cos

ds

ds

ϕ

=

 

1

sin

ds

ds

ϕ

=

 

Dane:

 

11

22

12

21

,

,

σ σ

σ

σ

  

  

=

 

Szukane:

 

,

,

rr

r

r

ϕϕ

ϕ

ϕ

σ

σ

σ

σ

  

  

=

 

ds

 – 

powierzchnia ścianki ukośnej, 

 

 

stąd: 

 

 – 

powierzchnie ścianek: 

    

1

1

ds

g dx

= ⋅

 

oraz: 

2

2

ds

g dx

= ⋅

 

 

1

x

 

2

x

 

dr

 

r

 

ϕ

 

d

ϕ

 

rr

σ

 

r

ϕ

σ

 

ϕϕ

σ

 

r

ϕ

σ

 

→ naprężenia: 

rr

σ

 

– 

naprężenia promieniowe (radialne) 

ϕϕ

σ

 

– 

naprężenia obwodowe (pierścieniowe) 

r

ϕ

σ = 

r

ϕ

σ  – naprężenia styczne 

 

rr

σ

 

12

σ

 

11

σ

 

21

σ

 

1

ds

 

ϕ  

22

σ

 

1

x

 

2

ds

 

2

x

 

r

ϕ

σ

 

ds

 

ϕ  

r

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 5  •  KMBiM WILiŚ PG 

 

 
 

Analogiczne wyprowadzenie (z równań równowagi): 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rzut na oś prostopadłą do kierunku  

2

2

11

22

21

sin

cos

sin 2

ϕϕ

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

=

+

 

 
Niezmiennik:

11

22

rr

ϕϕ

σ

σ

σ

σ

+

=

+

 

 ! 

 

Rozwiązując poniższy układ trzech równań równowagi: 

(

)

2

2

11

22

21

22

11

21

2

2

11

22

21

cos

sin

sin 2

1

sin 2

cos 2

2

sin

cos

sin 2

rr

r

ϕ

ϕϕ

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

σ

σ

σ

ϕ σ

ϕ

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

=

+

+

=

+

=

+



 

otrzymamy tzw. 

związki odwrotne

(

)

2

2

11

12

2

2

22

cos

sin

sin 2

1

sin 2

cos 2

2

sin

cos

sin 2

rr

r

rr

r

rr

r

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕ

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

σ

σ

σ

ϕ σ

ϕ

σ

σ

ϕ σ

ϕ σ

ϕ

=

+

=

+

=

+

+



 

 
 

Naprężenia  w  tarczy  (w  układzie  biegunowym)  wyznaczymy  z  funkcji  naprężeń  (jako  odpowiednie  pochodne 

funkcji naprężeń), przyjmując element różniczkowy leżący na osi 

1

, tzn. dla 

0

ϕ

=

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

11

0

rr

ϕ

σ

σ

=

=

2

2

2

0

F

x

ϕ =

=

2

2

2

1

1

F

F

r

r

r

ϕ

= ⋅

+

 

22

0

ϕϕ

ϕ

σ

σ

=

=

2

2

1

0

F

x

ϕ =

=

2

2

F

r

=

 

12

0

r

ϕ

ϕ

σ

σ

=

=

2

1

2

0

F

x x

ϕ =

= −

∂ ∂

2

2

1

1

1

F

F

F

r

r

r

r r

ϕ

ϕ

ϕ

= − ⋅

+

= −

∂ ∂

 

Gdy: 

0

d

ϕ

 

to: 

22

ϕϕ

σ

σ

=

 

itd. 

22

σ

 

12

σ

 

11

σ

 

21

σ

 

ϕ  

r

 

1

x

 

2

ds

 

2

x

 

1

ds

 

ds

 

ϕ  

ϕϕ

σ

 

r

ϕ

σ

 

2

cos

ds

ds

ϕ =

 

1

sin

ds

ds

ϕ

=

 

Dane:

 

11

22

12

21

,

,

σ σ

σ

σ

  

  

=

 

Szukane:

 

,

,

rr

r

r

ϕϕ

ϕ

ϕ

σ

σ

σ

σ

  

  

=

 

ds

 – 

powierzchnia ścianki ukośnej, 

 

 

stąd: 

 

 – 

powierzchnie ścianek: 

    

1

1

ds

g dx

= ⋅

 

oraz: 

2

2

ds

g dx

= ⋅

 

 

1

x

 

2

x

 

dr

 

r

 

d

ϕ  

rr

σ

 

r

ϕ

σ

 

ϕϕ

σ

 

r

ϕ

σ

 


Document Outline