Ćwiczenie 5

Rozwiązania tarcz we współrzędnych biegunowych Związki między składowymi stanu naprężeń w układzie prostokątnym i biegunowym 1. Rozwiązania tarcz we współrzędnych biegunowych x

2

dϕ

2

2

 r = x + x 1

2

 x = r ⋅cosϕ



r ⋅ dϕ

1



⇒ 

 x 

x = r ⋅ sin ϕ



2

ϕ

 = arctg 



2

x



 1 

dr

ϕ

x

1

r

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: F ( x , x ⇒ F r,ϕ = F ( r

,ϕ

1

x , 2

x

1

x , 2

x

)

1

2 )

( )

(

)

(

)

Obliczenia pomocnicze:

r

∂

2 x

x

1

1

=

=

= cosϕ

x

∂

2

2

+

r

1

2 x

x

1

2

r

∂

2 x

x

2

2

=

=

= sinϕ

x

∂

2

2

+

r

2

2 x

x

1

2

x 2

−

ϕ

∂

2

x

x

x

sin ϕ

1

2

2

=

= −

= −

= −

x

∂

2

2

2

2





x + x

r

r

1

x

1

2

2

1+ 



x

 1 

ϕ

∂

1

x−

x

x

cosϕ

1

1

1

=

=

=

=

x

∂

2

2

2

2





x + x

r

r

2

x

1

2

2

1+ 



x

 1 

Pochodne funkcji naprężeń:

F

∂

F

∂

r

∂

F

∂

ϕ

∂

∂

∂



ϕ

=

⋅

+

⋅

F

F

sin



=

⋅cosϕ +

⋅ −





x

∂

r

∂

x

∂

ϕ

∂

x

∂

r

∂

ϕ

∂



r



1

1

1

F

∂

F

∂

r

∂

F

∂

ϕ

∂

∂

∂



ϕ

=

⋅

+

⋅

F

F

cos



=

⋅sinϕ +

⋅



x

∂

r

∂

x

∂

ϕ

∂

x

∂

r

∂

ϕ

∂

 r 

2

2

2

Następnie:

2

∂ F

∂  F

∂   ∂

∂

ϕ  ∂

∂

ϕ 

=

sin

F

F sin



 =

cosϕ −

cosϕ −







2

x

∂

x

∂

x

∂

 r

∂

ϕ

∂

r

 r

∂

ϕ

∂

r



1

1 

1 

2

2

2

2

∂ F

∂ F sinϕ

F

∂

1

1 ∂ F

F

∂ 1

∂ F 1

F

∂

1

2

2

2

=

⋅cos ϕ −

⋅

⋅cosϕ +

⋅ ⋅sinϕ ⋅cosϕ − ⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ +

⋅ ⋅sin ϕ +

⋅ sin ϕ −

⋅ ⋅sinϕ ⋅cosϕ

2

2

2

2

2

r

∂

r

∂ ϕ

∂

r

ϕ

∂ r

r

r

∂ ϕ

∂

r

∂ r

ϕ

∂

r

ϕ

∂ r

2

2

2

2

∂ F

2 ∂ F

2

F

∂

F

∂

sin ϕ

1 ∂ F

2

2

=

⋅cos ϕ − ⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ +

⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ +

⋅

+

⋅

⋅sin ϕ

2

2

2

2

r

∂

r

r

∂ ϕ

∂

r

ϕ

∂

r

∂

r

r

ϕ

∂

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

1

Podobnie:

2

∂ F

∂  F

∂   ∂

∂

ϕ  ∂

∂

ϕ 

=

cos

F

F cos



 =

sin ϕ +

sin ϕ +

=





 (...)

2

x

∂

x

∂

x

∂

 r

∂

ϕ

∂

r

 r

∂

ϕ

∂

r



2

2 

2 

2

2

2

2

∂ F

2 ∂ F

2

F

∂

F

∂

cos ϕ

1 ∂ F

2

2

=

⋅sin ϕ + ⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ −

⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ +

⋅

+

⋅

⋅cos ϕ

2

2

2

2

r

∂

r

r

∂ ϕ

∂

r

ϕ

∂

r

∂

r

r

ϕ

∂

Zatem operator Laplace’a we współrzędnych biegunowych: 2

2

2

2

∂ F ∂ F

∂ F 1 F

∂

1 ∂ F

2

∇ F =

+

=

+ ⋅

+

⋅

2

2

2

2

2

x

∂

x

∂

r

∂

r

r

∂

r

ϕ

∂

1

2

Równanie tarczy we współrzędnych biegunowych: F = F ( r,ϕ ) – funkcja naprężeń 4

2

∇ F = ∇ ( 2

∇ F ) = 0

2

 ∂ () 1 ∂()

2

1 ∂ ()

2

 ∂ F ( r,ϕ) 1 F

∂ ( r,ϕ)

2

1 ∂ F ( r,ϕ ) 



+ ⋅

+

⋅



+ ⋅

+

⋅

 = 0

2

2

2

2

2

2

r

∂

r

r

∂

r

ϕ

∂

r

∂

r

r

∂

r

ϕ

∂







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

2

∂ F

∂  F

∂   ∂

∂

ϕ  ∂

∂

ϕ 

=

cos

F

F sin



 =

sin ϕ +

cosϕ −

=





 (...)

x

∂ x

∂

x

∂

x

∂

 r

∂

ϕ

∂

r

 r

∂

ϕ

∂

r



1

2

1 

2 

2

2

2

∂ F

1 ∂ F

1

F

∂

1

F

∂

1 ∂ F

=

⋅sinϕ ⋅cosϕ + ⋅

⋅cos 2ϕ −

⋅

⋅cos 2ϕ − ⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ −

⋅

⋅sinϕ ⋅cosϕ

2

2

2

2

r

∂

r

r

∂ ϕ

∂

r

ϕ

∂

r

r

∂

r

ϕ

∂

PSN w układzie biegunowym:

dϕ

x

σ

σ

ϕϕ σ

2

ϕ r

rr

→ naprężenia:

σ

σ – naprężenia promieniowe (radialne)

rϕ

rr

σ

– naprężenia obwodowe (pierścieniowe) ϕϕ

dr

ϕ

σ = σ – naprężenia styczne

rϕ

ϕ r

r

x 1

2. Związki między składowymi stanu naprężeń w układzie prostokątnym i biegunowym Elementarne wyprowadzenie (z równań równowagi): Dane: σ , σ

, σ

= σ

11

22

12

21

Szukane: σ , σ

, σ

= σ

rr

ϕϕ

rϕ

ϕ r

x

2

– powierzchnie ścianek:

ds = g ⋅ dx oraz: ds = g ⋅ dx 1

1

2

2

r

σ

rϕ

σ

rr

ds –

powierzchnia ścianki ukośnej, σ ϕ

ϕ

11

ds

ds

2

stąd: cosϕ =

1

sin ϕ =

ds

2

ds

ds

σ

ds

Rzut na oś

w kierunku r : 12

σ ds = σ ds cosϕ +σ ds sinϕ +σ ds cosϕ +σ ds sinϕ

rr

11

2

22

1

21

1

12

2

2

2

σ ds σ

x

→

1

σ = σ cos ϕ +σ sin ϕ +σ sin 2ϕ

21

rr

11

22

21

1

22

Rzut na oś prostopadłą do kierunku r :

→ σ = σ

−

sin ϕ ⋅ cosϕ + σ sin ϕ ⋅ cosϕ + σ cos 2ϕ

rϕ

11

22

21

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

2

Analogiczne wyprowadzenie (z równań równowagi): x

2

Dane: σ , σ

, σ

= σ

11

22

12

21

σ

ϕ

r

ϕϕ

Szukane: σ , σ

, σ

= σ

σ

rr

ϕϕ

rϕ

ϕ r

12

ds

2

– powierzchnie ścianek:

σϕ r

ds

ϕ

ds = g ⋅ dx oraz: ds = g ⋅ dx σ

1

1

2

2

11

σ

ds –

powierzchnia ścianki ukośnej, 21

ds

ds

2

stąd: cosϕ =

1

sin ϕ =

σ

ds

ds

22

ds

x

1

1

Rzut na oś prostopadłą do kierunku r : 2

2

→ σ = σ sin ϕ +σ cos ϕ −σ sin 2ϕ

ϕϕ

11

22

21

Niezmiennik: σ + σ

= σ +σ !

rr

ϕϕ

11

22

Rozwiązując poniższy układ trzech równań równowagi: 2

2

σ = σ cos ϕ +σ sin ϕ +σ sin 2ϕ

rr

11

22

21



1

 σ =

σ −σ

ϕ +σ

ϕ

rϕ

(

sin 2

cos 2

22

11 )

21

2



2

2

σ



= σ sin ϕ +σ cos ϕ −σ sin 2ϕ

ϕϕ

11

22

21



otrzymamy tzw. związki odwrotne: 2

2

σ = σ cos ϕ +σ sin ϕ −σ sin 2ϕ

11

rr

ϕϕ

rϕ



1

 σ =

σ −σ

sin 2ϕ + σ

cos 2ϕ

12

( rr ϕϕ )

ϕ

2

r



2

2

σ



= σ sin ϕ +σ cos ϕ +σ sin 2ϕ

22

rr

ϕϕ

rϕ



Naprężenia w tarczy (w układzie biegunowym) wyznaczymy z funkcji naprężeń (jako odpowiednie pochodne funkcji naprężeń), przyjmując element różniczkowy leżący na osi x , tzn. dla ϕ = 0 !

1

x

σ

2

ϕϕ

σ

ϕ rσ

dϕ

rϕ σ

rr

x

1

r

dr

2

2

σ

∂

∂

∂

= σ

F

=

1

F

1

F

= ⋅

+

⋅

rr

11 ϕ =0

2

x

∂

2

2

r

r

∂

r

ϕ

∂

2

ϕ =0

Gdy: dϕ → 0

2

2

σ

∂

∂

= σ

F

=

F

=

σ = σ

ϕϕ

to:

itd.

22 ϕ =0

2

ϕϕ

x

∂

2

r

∂

22

1

ϕ =0

2

2

σ

∂

∂

∂

∂ 

∂ 

= σ

F

= −

1

F

1

F

1

F

= − ⋅

+

⋅

= −

⋅

rϕ

12 ϕ =





0

x

∂ x

∂

2

r

r

∂ ϕ

∂

r

ϕ

∂

r

∂  r ϕ

∂ 

1

2 ϕ =0

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

3

Document Outline

  • Ćwiczenie 5
  • Rozwiązania tarcz we współrzędnych biegunowych
  • Związki między składowymi stanu naprężeń w układzie prostokątnym i biegunowym
  • 1. Rozwiązania tarcz we współrzędnych biegunowych
  • 2. Związki między składowymi stanu naprężeń w układzie prostokątnym i biegunowym