弹性力学-第十二章板弯曲(ding)新

Chapter12BendingofThinPlates.ClassicalSolutions第十二章薄板弯曲问题。经典解答。学习指导1.杆件受到纵向（平行于杆轴）荷载的作用——杆件的拉压问题；杆件受到横向（垂直于杆轴）荷载的作用——梁的弯曲问题。与此相似，薄板受到纵向（平行于板面）荷载的作用——平面应力问题；薄板受到横向（垂直于板面）荷载的作用——薄板的弯曲问题。薄板的弯曲，可以认为是梁的弯曲的推广，是双向弯曲问题。但不能将薄板的弯曲看成是纵、横梁弯曲的叠加。Chapter12BendingofThinPlates.ClassicalSolutions第十二章薄板弯曲问题。经典解答。学习指导2.与平面问题和空间问题不同的是，除了前述的弹性力学的五个基本假定之外，在薄板的弯曲问题中，根据内力和变形的特征，又提出了三个计算假定，用以简化空间问题的基本方程，并从而建立了薄板的弯曲理论。NOTES:与材料力学相似。Chapter12BendingofThinPlates.ClassicalSolutions第十二章薄板弯曲问题。经典解答。学习指导3.薄板弯曲问题属于空间问题。薄板弯曲理论，是从空间问题的基本方程和边界条件出发，应用薄板的三个计算假定进行简化，并按位移法导出薄板弯曲问题的基本方程和边界条件。最后归结的基本位置函数（挠度w(x,y)）和相应的方程、边界条件。薄板问题也属于二维问题。4.对于矩形薄板，基本的解法是纳维法和莱维法。5.对于圆板问题，类似于极坐标中的平面问题，可以建立相应的圆板弯曲问题的方程。对于轴对称圆板的弯曲问题，其通解已经解出。Chapter12BendingofThinPlates.ClassicalSolutions第十二章薄板弯曲问题。经典解答。§9.1有关概念和基本假定§9.2弹性曲面的微分方程§9.3薄板横截面上的内力§9.4边界条件扭矩的等效剪力§9.5四边简支矩形薄板的重三角级数解§9.6矩形薄板的单三角级数解§9.7矩形薄板的差分解（*）§9.8圆形薄板的弯曲Chapter12BendingofThinPlates.ClassicalSolutions第十二章薄板弯曲问题。经典解答。基本要求：熟悉薄板问题的有关概念及计算假设，弹性曲面的微分方程和薄板横截面上的内力。熟悉薄板问题的边界条件，四边简支矩形薄板的重三角级数解答，圆形薄板的弯曲和圆形薄板的轴对称弯曲。薄板是一种常见的工程构件形式机械、航空和土建工程中应用广泛特殊形式——小挠度薄板Section9.1IntroductionandAssumption§9.1有关概念与计算假设工程构件中板的形式多样根据几何形状和变形分类：板——中面为平面壳——曲面小挠度的弯曲薄板薄板——宽度与厚度的比值在15以上。§9.1有关概念与计算假设Aplateisabodyboundedbytwocloselyspacedparallelplanesandoneormoreprismaticalsurfacesnormaltotheplanes.板：两个平行面和垂直这两个平面的拄面或棱柱面所围成的物体，称为平板，或简称板。•Platefaces（板面）——twocloselyspacedparallelplanes•板面：这两个平行面称为板面。•Plateedges（板边）——prismaticalsurfacesnormaltotheplatefaces.侧面或板边：这个柱面或棱柱面称为侧面或板边。•Platethickness--thedistancebetweenthetwoplatefaces.Itisdenotedbyδ.•板的厚度：两个板面之间的距离（δ）Platemiddleplane（中面）——Theplaneparalleltothefacesoftheplateandbisectingthethicknessδiscalledthemiddleplaneoftheplate.中面：平分厚度的平面称为板的中间平面，或简称板的中面。•Thinplate（薄板）--δaδbδmin(a,b)/15•Thickplate（厚板）•薄板和厚板：如果板的厚度远远小于中面的最小尺寸，这个板就称为薄板，否则，就称为厚板。•Coordinatesystem（坐标系）--xandyareinthemiddleplaneandzaxisisperpendiculartothemiddleplane.Thesystemisarighthandsystem.xyz薄板的小挠度弯曲理论•小挠度弯曲理论：只讨论这样的薄板，它虽然很薄，但仍然具有相当的弯曲刚度，因而它的挠度远小于它的厚度因此，位移和形变是微小的基本假设仍然符合。•大挠度弯曲理论：如果薄板的弯曲刚度较小，以致挠度于厚度属于同阶大小，则须另行建立所谓大挠度弯曲理论。薄模：如果薄板的弯曲刚度很小，以致挠度远大于厚度，则薄板称为薄模。荷载（Loads）•LongitudinalloadinthemiddleplaneandTransverseload当薄板受一般荷载时，总是可以把每个荷载分解为两个荷载.纵向荷载：平行于中面的荷载；横向荷载：垂直中面的荷载。1.Longitudinalloadinthemiddleplane（纵向荷载）--Alltheexternalforcesareparalleltothefacesoftheplateanddistributeduniformlyoverthethickness.--------planestressproblem.•纵向荷载：可以认为他们沿薄板厚度均匀分布，因而他们所引起的应力、形变和位移可以按平面应力问题进行计算，如第二章至第六章所述。2.Transverseload（横向荷载）----Theyareperpendiculartothemiddleplane---platebendingproblem.横向荷载：将使薄板弯曲，他们所引起的应力、形变和位移，可以按薄板弯曲问题进行计算。Loads（荷载）•Deflection（挠度）--thedisplacementofapointonthemiddleplaneinthedirectionofz,w(x,y,0),iscalledthedeflectionofthepoint.挠度：中面内各点在垂直于中面方向上的位移。Smalldeflections（小挠度）--thedeflectionismuchsmallerthanthethickness.W(x,y,0)δ/5Onlysmalldeflectionsareconsideredhere.xMwEI薄板弹性曲面：当薄板弯曲时，中面所弯成的曲面。qwD4xqxxM22ddBasicAssumptions基本假设•AssumptionstatedinSec.1.31.Thebodyiscontinuous,perfectlyelastic,homogeneousandisotropic.连续的、完全弹性的、均匀的和各向同性的。2.Thedisplacementsandstrainsaresmall.位移和形变都是微小的。Thedeflectionoftheplateissmall.薄板的挠度也是微小的。•ThinplatesAssumption1：isneglected,sincetheyaresmall.薄板假设1：垂直中面方向的线应变可以不计。z00zwz),(yxww即：横向位移w(x,y)只是x,y的函数，不随z变化。因此，在中面的任一根法线上各点都具有相同的横向位移，也就等于挠度。z薄板假设2：应力分量远远小于其余三个应力分量，因而是次要的，它们所引起的形变可以不计注意：这3个次要应力分量本身是维持平衡所必须的，不能不计。zyzxz和,0,0yzxz0,0ywzvxwzuxwzuywzv弹性曲面的法线。保持不伸缩，并且称为板弯曲时，可见中面的法线在薄＝和＝＝由于00,0zyzxz思考：梁弯曲时中性轴的概念？薄板假设2：应力分量远远小于其余三个应力分量，因而是次要的，它们所引起的形变可以不计。注意：这3个次要应力分量本身是维持平衡所必须的，不能不计。zyzxz和,xyxyxyyyxxEEE)1(2)(1)(1薄板小挠度问题中的物理方程与薄板平面应力问题的物理方程相同（但两种问题中应力和形变分量沿厚度方向的分布是不同的）。薄板假设3：薄板中面内的各点都没有平行中面的位移，即：0)(,0)(00zzvuyuxvyvxuxyyx,,因为：0)(,0)(,0)(000zxyzyzx也就是说：中面的任意一部分，虽然弯曲成弹性曲面的一部分，但它在xy面上的投影性状却保持不变。在材料力学里分析直梁的弯曲时，也采用了与上相似的计算假设，只是在这里，薄板的中面代替了梁的轴线，薄板的弹性曲面代替了直梁的弹性曲线，薄板的双向弯曲（实际上是连弯带扭）代替了直梁的单向弯曲。9.2DifferentialEquationforBendingofThinPlates9.2弹性曲面的微分方程•Basicunknownfunctionw(x,y)•薄板的小挠度弯曲问题是按位移求解的，只取挠度w(x,y)作为基本未知数。•Fifteenequationsforspatialproblems------oneequationintermofforplatebendingproblem.•根据空间问题的基本方程和边界条件，以及上述的三个计算假设，将其他未知数——纵向位移u和v，主要应变分量，主要应力分量，次要应力分量及更次要应力分量，分别都用挠度w(x,y)来表示，并导出求解挠度的方程。xyyx,,xyyx,,yzxz,z9.2DifferentialEquationforBendingofThinPlates9.2弹性曲面的微分方程基本未知函数:w(x,y)小挠度薄板位移解法zywvzxwu,zyxwxvyuzywyvzxwxuxyyx222222位移与应变：9.2DifferentialEquationforBendingofThinPlates9.2弹性曲面的微分方程薄板应力：yxwEzxwywEzywxwEzxyyx2222222222221)(1)(1yxwDMxwywDMywxwDMxyyx222222222)1()()()1(1223EDyxwywxwxyyx22222广义力广义应变曲率扭率薄板弯曲内力：薄板弯曲刚度Dqywyxwxw44224442q22wD薄板平衡方程：1.Expressuandvintermsofw1.将u和v用挠度w表示xwzuywzv前面已经导出：对z进行积分),(1yxfzywv),(2yxfzxwu0)(0zu由于：0),(2yxf0),(1yxf0)(0zv因此：zxwuzywv，2.Expressstraincomponentsintermsofw2.将主要应变分量用挠度w表示•将u，v用代入几何方程xyyx,,zywvxuxzxwuzxwx22yvyzywy22xvyuxyzxwuzyxwxy22zywv3.Expressstresscomponentsx，y，xyi