弹性力学与有限元分析复习题(含答案)
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分析计算题
1、试写出无体力情况下平面问题的应力分量存在的必要条件,并考虑下列平面问题的应力分量是否可能在弹性体中存在。 (1)By Ax x +=σ,Dy Cx y +=σ,Fy Ex xy +=τ; (2))(22y x A x +=σ,)(22y x B y +=σ,Cxy xy =τ; 其中,A ,B ,C ,D ,E ,F 为常数。
解:应力分量存在的必要条件是必须满足下列条件:(1)在区域内的平衡微分方程⎪⎪⎩⎪
⎪⎨⎧=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂0
0x y
y x xy y yx
x τστσ;(2)在区域内的相容方程()02222=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂y x y x σσ;(3)在边界上的应力边界条件()()
()()
⎪⎩⎪⎨
⎧=+=+s f
l m s f m l y s xy y x
s yx x τστσ;(4)对于多连体的位移单值条件。 (1)此组应力分量满足相容方程。为了满足平衡微分方程,必须A =-F ,D =-E 。此外还应满足应力边界条件。
(2)为了满足相容方程,其系数必须满足A +B =0;为了满足平衡微分方程,其系数必须满足A =B =-C /2。上两式是矛盾的,因此,此组应力分量不可能存在。
2、已知应力分量312x C Qxy x +-=σ,2
223xy
C y -=σ,y x C y C xy 2332--=τ,体力不计,Q 为常数。试利用平衡微分方程求系数C 1,C 2,C 3。 解:将所给应力分量代入平衡微分方程
⎪⎪⎩⎪⎪
⎨
⎧=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂00x y
y x
xy y yx
x τστσ 得
⎩
⎨
⎧=--=--+-0230
33322322212xy C xy C x C y C x C Qy 即
()()()⎩⎨
⎧=+=+--0
230
333222231xy C C y C Q x C C 由x ,y 的任意性,得
⎪⎩⎪
⎨⎧=+=+=-0
23030332
231C C C Q C C 由此解得,61Q C =
,32Q C -=,2
3Q
C = 3、已知应力分量q x -=σ,q y -=σ,0=xy τ,判断该应力分量是否满足平衡微分方程和相容方程。
解:将已知应力分量q x -=σ,q y -=σ,0=xy τ,代入平衡微分方程
⎪⎪
⎭
⎪
⎪⎬⎫=+∂∂+∂∂=+∂∂+∂∂00Y x y X y x xy
y yx
x τστσ
可知,已知应力分量q x -=σ,q y -=σ,0=xy τ一般不满足平衡微分方程,只有体力忽略不计时才满足。
按应力求解平面应力问题的相容方程:
y x x
y xy x y y x ∂∂∂+=-∂∂+-∂∂τννσσνσσ222
2
2)1(2)()( 将已知应力分量q x -=σ,q y -=σ,0=xy τ代入上式,可知满足相容方程。
按应力求解平面应变问题的相容方程:
y x x
y xy
x y y x ∂∂∂-=--∂∂+--∂∂τνσννσσννσ2
222
212)1()1( 将已知应力分量q x -=σ,q y -=σ,0=xy τ代入上式,可知满足相容方程。
4、试写出平面问题的应变分量存在的必要条件,并考虑下列平面问题的应变分量是否
可能存在。 (1)Axy x =ε,3By y =ε,2Dy C xy -=γ; (2)2Ay x =ε,y Bx y 2=ε,Cxy xy =γ; (3)0=x ε,0=y ε,Cxy xy =γ; 其中,A ,B ,C ,D 为常数。
解:应变分量存在的必要条件是满足形变协调条件,即
y x x
y xy
y x ∂∂∂=∂∂+∂∂γεε2
222
2 将以上应变分量代入上面的形变协调方程,可知:
(1)相容。
(2)C By A =+22(1分);这组应力分量若存在,则须满足:B =0,2A =C 。 (3)0=C ;这组应力分量若存在,则须满足:C =0,则0=x ε,0=y ε,0=xy γ(1分)。 5、证明应力函数2by =ϕ能满足相容方程,并考察在如图所示的矩形板和坐标系中能解决什么问题(体力不计,0≠b )。
解:将应力函数2by =ϕ代入相容方程
024422444=∂∂+∂∂∂+∂∂y
y x x ϕ
ϕϕ 可知,所给应力函数2by =ϕ能满足相容方程。
由于不计体力,对应的应力分量为
b y
x 222=∂∂=ϕ
σ,022=∂∂=x y ϕσ,02=∂∂∂-=y x xy ϕτ 对于图示的矩形板和坐标系,当板内发生上述应力时,根据边界条件,上下左右四
个边上的面力分别为:
上边,2h
y -=,0=l ,1-=m ,0)(2=-=-=h y xy x f τ,0)(2=-=-=h y y y f σ;
下边,2h
y =,0=l ,1=m ,0)(2===h y xy x f τ,0)(2
===h y y y f σ;
左边,2l
x -=,1-=l ,0=m ,b f l x x x 2)(2-=-=-=σ,0)(2=-=-=l x xy y f τ;
右边,2l
x =,1=l ,0=m ,b f l x x x 2)(2
===σ,0)(2===l x xy y f τ。