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10TorsionofPrismaticalBars10.1Stressesanddisplacements10.2Membraneanalogy10.3Ellipticbarsintorsion10.4Rectangularbarsintorsion例:圖示為等截面直桿(不計(jì)體力),兩端平面內(nèi)受方向相反的兩個(gè)力偶作用,取如圖所示的坐標(biāo)系,求應(yīng)力分量。xyzMMo如何計(jì)算?Semi-inversemethod10.1StressesanddisplacementsConsiderastraightprismaticalbartwistedbytwooppositecouples,eachwithmomentM,ontheendplanesofthebar.分析如下:由材料力學(xué)可知,桿件橫截面上有剪應(yīng)力zx、zy,其他應(yīng)力分量為零,即x=y=z=xy=0,體力X=Y=Z=0Weshallsolvetheproblemintermsofstressesandapplythesemi-inversemethod.Beinghintedbythestressdistributiongiveninmechanicsofmaterialsforacircularshaft,weassumethatonlythetorsionalstressesaredifferentfromzero,whichotherstresscomponentsvanish.將上述應(yīng)力分量代入平衡微分方程:Substitutingtheseintodifferentialequations(1)(2)(3)由(3)得:由(1)、(2)可知,zx、zy是x、y的函數(shù)ThefirsttwoofEqs.showthatthetorsionalstresszx、zyarefunctionofxandyonly.或?qū)懗桑簩⑸鲜霰磉_(dá)式代入相容方程:Rewrittenas由微分理論可知,一定存在一個(gè)函數(shù)(x,y)使得:Hence,thereexistsacertainfunctionsothat前四式自然滿足,最后兩式為:將代入上式這說明:Hence,mustbeconstant1、桿件側(cè)面:邊界條件xyzMMon=0,X=Y=Z=0代入邊界前兩式恒滿足,第三式為:ConsidertheboundaryconditionsOnthelateralsurfaceThefirsttwoEqs.AreidenticallysatisfiedwhilethethirdequationreducestoSo:所以,以上邊界條件可寫為:Since:ontheboundaryofacross-section,wehaveShowsthatmustbeconstantalongtheboundaryofacross-section常數(shù)如何???Since所以在應(yīng)力函數(shù)上增加或減少一個(gè)常數(shù),對(duì)應(yīng)力分量無(wú)影響,可取s=0(在單連域?qū)嵭闹那闆r下)thestresscomponentsarenotaffectedbyadditionofaconstantto.Hence,inthecaseofsimplyconnectedcross-section,forsimplicity,wemaytaketheboundaryvalueofaszero.在多連域情況下,每個(gè)邊界上的為常數(shù),但每個(gè)常數(shù)并不相同,只能取其中一個(gè)邊界的為零.Inthecaseofmultiplyconnectedcross-section,theconstantvaluesofondifferentboundarycurvesmaydifferfromeachother.Hence,thevalueofcanbetakenaszeroalongonlyoneoftheboundarycurves,whilethevaluesofonallotherboundarycurvesmustbedeterminedbytheconditionofsingle-valueddisplacement.2、桿桿件端端面((上端端)::邊界條件xyzMMol=m=0n=-1代入邊邊界條條件得得:且兩端端的面面力必必須合合成為為力偶偶:Oneitherendplane(seetheupperone)SincethesurfaceforcecomponentsmustcomposedacouplewithmomentM,itisrequiredthat驗(yàn)證如下邊界條件:xyMoABA、B為邊界上A、B點(diǎn)的值,取零,所以同理,可證明:WhereA、BarethevaluesofattwopointsAandBontheboundary,whichmustbezero.其中的的一項(xiàng)項(xiàng)用分分部積積分::xyMoABA、B為邊界上A、B點(diǎn)的值,取零,所以WhereA、BarethevaluesofattwopointsAandBontheboundary,whichmustbezero.同理所以:Thus歸納Tosumup::

等截面直桿的扭轉(zhuǎn)問題最終歸結(jié)為求應(yīng)力函數(shù)(x,y),使它滿足且s=0,然后由由下列列公式式求應(yīng)應(yīng)力分分量::Tosumup,inatorsionproblem,ifwecanfindafunctionwhichsatisfies,s=0,,then,thetorsionalstressescanbefound.求位移移分量量:(將應(yīng)應(yīng)力分分量代代入物物理方方程))Nowderivetheformulasfordisplacementcomponents.Substitutionofstresscomponentsintophysicalequations.將幾何方程代入上述表達(dá)式,得:Substitutionofgeometricalequations.u0,v0,x,y,z是積分分常數(shù)數(shù),代代表剛剛體位位移,,k也是積積分常常數(shù),,若不不計(jì)積積分常常數(shù),,則如果用用柱坐坐標(biāo)表表示,,則u0,v0,x,y,zarearbitraryconstantsrepresentingtherigid-bodymovementsofthebar.Assumingthattheupper-endofthebarisconstrainedtopreventtheserigid-bodymovements,wehavethesimpleexpressions.Inpolarcoordinates,thedisplacementcomponentswillbeThusitisseenthateverycross-sectionofthebarrotatesanangle=kzaboutthezaxisandrepresentsthetwistperunitlength,thatis,therelativeangulardisplacementoftwocross-sectionsatunitdistanceapart.由此可可得結(jié)結(jié)論,,每個(gè)個(gè)橫截截面在在xy面上的的投影影不改改變形形狀,,只是是轉(zhuǎn)過過一個(gè)

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