Плоское напряжённое состояние

Основы теории упругости

Лекция 4

Плоская задача теории упругости

Слайд 2

В теории упругости имеется большой класс задач, важных в смысле практических приложений и вместе с тем допускающих значительные упрощения математической стороны решения. Упрощение заключается в том, что в этих задачах одну из координатных осей тела, например ось z, можно отбросить и все явления рассматривать происходящими в одной координатной плоскости х0у нагруженного тела. В этом случае напряжения, деформации и перемещения будут являться функциями двух координат – х и у.

Задача, рассматриваемая в двух координатах, называется плоской задачи теории упругости.

Под термином «плоская задача теории упругости» объединяют две физически разные задачи, приводящие к весьма сходным математическим зависимостям:

1) задачу о плоском деформированном состоянии (плоская деформация);

2) задачу о плоском напряжённом состоянии.

Для этих задач чаще всего характерно значительное отличие одного геометрического размера от двух других размеров рассматриваемых тел: большая длина в первом случае и малая толщина во втором случае.

Плоская деформация

Деформация называется плоской, если перемещения всех точек тела могут происходить только в двух направлениях в одной плоскости и не зависят от координаты, нормальной к этой плоскости, т. е.

u=u(x,y); v=v(x,y); w=0 (4.1)

Плоская деформация возникает в длинных призматических или цилиндрических телах с осью, параллельной оси z, вдоль которой по боковой поверхности действует нагрузка, перпендикулярная этой оси и не меняющаяся по величине вдоль неё.

Примером плоской деформации может служить напряжённо-деформированное состояние, возникающее в длинной прямой плотине и длинном своде подземного тоннеля (рис. 4.1).

Рисунок – 4.1. Плоская деформация возникает в теле плотины и своде подземного тоннеля

Слайд 3

Подставляя компоненты вектора перемещения (4.1) в формулы Коши (2.14), (2.15), получим:

(4.2)

Отсутствие линейных деформаций в направлении оси z ведёт к появлению нормальных напряжений σ_z. Из формулы закона Гука (3.2) для деформации ε_z следует, что

откуда получается выражение для напряжения σ_z:

(4.3)

Подставляя это соотношение в две первые формулы закона Гука, находим:

(4.4)

Слайд 4

Из анализа формул (4.2) − (4.4) и (3.2) также следует, что

Таким образом, основные уравнения трёхмерной теории упругости в случае плоской деформации значительно упрощаются.

Из трёх дифференциальных уравнений равновесия Навье (2.2) остаются только два уравнения:

(4.5)

а третье обращается в тождество.

Так как на боковой поверхности везде направляющий косинус n=cos(v,z)=cos90⁰=0, Z_v=0, то из трёх условий на поверхности (2.4) остаются только два уравнения:

(4.6)

где l, m – направляющие косинусы внешней нормали v к поверхности контура;

X, Y, X_v, Y_v – компоненты объёмных сил и интенсивности внешних поверхностных нагрузок на оси x и у, соответственно.

Слайд 5

Шесть уравнений Коши (2.14), (2.15) сводятся к трём:

(4.7)

Из шести уравнений неразрывности деформаций Сен-Венана (2.17), (2.18) остаётся одно уравнение:

(4.8)

а остальные обращаются в тождества.

Из шести формул закона Гука (3.2), с учётом (4.2), (4.4), остаются три формулы:

(4.9)

В этих соотношениях для традиционного в теории упругости вида записи введены новые упругие постоянные:

Слайд 6

Плоское напряжённое состояние

Плоское напряжённое состояние возникает в том случае, когда длина того же призматического тела мала, по сравнению с двумя другими, размерами. В этом случае она называется толщиной. Напряжения в теле действуют только в двух направлениях в координатной плоскости хОу и не зависят от координаты z . Примером такого тела может служить тонкая пластина толщиной h , нагруженная по боковой поверхности (ребру) силами, параллельными плоскости пластины и равномерно распределёнными по её толщине (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Тонкая пластинка и приложенные к ней нагрузки

В этом случае также возможны упрощения, аналогичные упрощениям в задаче о плоской деформации. Компоненты тензора напряжений σ_z, τ_xz, τ_yz на обеих плоскостях пластины равны нулю. Так как пластина тонкая, то можно считать, что они равны нулю и внутри пластины. Тогда напряжённое состояние будет определяться только компонентами σ_x, σ_y, τ_xy которые не зависят от координаты z, т. е. не меняются по толщине пластины, а являются функциями только x и y.

Таким образом, в тонкой пластине возникает следующее напряжённое состояние:

Слайд 7

В отношении напряжений плоское напряжённое состояние отличается от плоской деформации условием

σ_z=0 (4.10)

Кроме того, из формулы закона Гука (3.2), с учётом (4.10), для линейной деформации ε_z получаем, что она не равна нулю:

Следовательно, основания пластины будут искривляться, так как появятся перемещения по оси z.

При этих предположениях основные уравнения плоской деформации: дифференциальные уравнения равновесия (4.5), условия на поверхности (4.6), уравнения Коши (4.7) и уравнения неразрывности деформаций (4.8) сохраняют такой же вид в задаче о плоском напряжённом состоянии.

Формулы закона Гука примут следующий вид:

(4.11)

Формулы (4.11) отличаются от формул (4.9) закона Гука для плоской деформации только значениями упругих постоянных: E и E₁ , v и v₁ .

Слайд 8

В обратной форме закон Гука запишется так:

(4.12)

Таким образом, при решении этих двух задач (плоская деформация и плоское напряжённое состояние) можно пользоваться одними и теми же уравнениями и объединять задачи в одну плоскую задачу теории упругости.

В плоской задаче теории упругости восемь неизвестных:

– две компоненты вектора перемещений u и v;

– три компоненты тензора напряжений σ_x, σ_y, τ_xy;

– три компоненты тензора деформаций ε_x, ε_y, γ_xy.

Для решения задачи используют восемь уравнений:

– два дифференциальных уравнения равновесия (4.5);

– три уравнения Коши (4.7);

– три формулы закона Гука (4.9), или (4.11).

Кроме того, полученные деформации должны подчиняться уравнению неразрывности деформаций (4.8), а на поверхности тела должны выполняться условия равновесия (4.6) между внутренними напряжениями и интенсивностями внешней поверхностной нагрузки X_v, Y_v.