Уравнения в цилиндрических координатах

ГЛАВА 2

ПРОСТЕЙШИЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ ЗАДАЧИ

Уравнения в цилиндрических координатах

Представим тело вращения, к которому приложены силы, расположенные симметрично относительно оси этого тела (рис.18). Примерами могут быть круглый цилиндр, усеченный конус, деформирующийся под действием равномерного вну­треннего или наружного давления или сил, равномерно приложенных по торцевым сечениям.

За ось вращения примем ось z, ось же перпендикулярную к ней, обозначим через r. Двух координат z и r вполне достаточно, так как все точки с одинаковыми такими коор­динатами находятся в одинаковых условиях. Так как каждая меридиональная плоскость z0r представляет плос­кость симметрии как в отношении формы, так и в отношении нагрузки тела, то в меридиональных плоско­стях касатель-ных напряжений быть не может. Поэтому для каждой точ­ки тела, расположенной на меридиоональной плоскости, площадка, содержащая эту точку, является главной площадкой рассматриваемого напряженного состо-яния. Глав­ное напряжение, действу-ющее по этой площадке, обозначим через sq.

Рис. 18

Кроме меридионального сечения через точку с коорди­натами z, r проведем еще второе сечение, перпендикулярное к оси z, и третье сечение, перпендикулярное к двум первым. Следы этих двух секущих плоскостей на меридиональ­ной плоскости будут параллельны соответственно осям r и z.

Вследствие симметрии в обеих секущих плоскостях, в точке z, r могут действо­вать лишь такие касательные напряжения, которые парал­лельны меридиональной плос­кости (рис. 19). Нормаль­ные напряжения, действующие в секущих плоскостях, обоз­начим через s_z и s_r, касатель­ные — через t_rz и t_zr. Эти на­пряжения надо считать функциями от z и r.

Указанные выше условия задачи характеризуют случай, когда основные уравнения упругого равновесия можно представить в такой же про­стой форме, как и в случае плоской задачи, и потому мо­жем ограничиться рассмотре­нием соотношений, имеющих место для точек одной и той же плоскости.

	r
dq z
	Рис. 19

Проектируя все усилия, принадлежащие элементарному объему на оси z и r, имеем уравнения равновесия в виде:

После сокращения на общий множитель drdzdq статические уравнения запишутся:

(2.1)

Обозначая упругие перемещения точки в направлении оси z через w, в направлении радиуса через и (в тангенциальном направлении перемещение отсутствует), геометрические уравнения для данного случая можем представить в виде

. (2.2)

Наконец, физические уравнения, согласно (1.24)

. (2.3)

При решении задачи в перемещениях объемное расширение

может быть переписано в виде

, (2.4)

где под надо понимать обозначение следующей операции:

.

Подставляя (2.4) в физические уравнения (2.3), и, далее, в уравнения равновесия (2.1), придаем последним вид

(2.5)

. (2.6)

Таким образом, задача определения напряжений в теле вращения, загруженном симметрично относительно оси, сво­дится к нахождению двух функций w и и, которые должны удовлетворять в каждой точке уравнениям (2.5) и (2.6) и одновременно граничным условиям на поверхности тела.

Если, кроме того, ввести оператор , положив

,

то из уравнений (2.5) и (2.6), исключая из них w, диф­ференцируя (2.5) по z и r и подставляя из (2.6), по­лучим:

. (2.7)

Аналогично можно составить дифференциальное уравнение, которому должно удовлетворять пере­мещение w, если к уравнению (2.6) сначала применить операцию , а затем вставить из уравнения (2.5):

. (2.8)

Установленные уравнения теории упругости в напряжениях (уравнения неразрыв­ности деформаций, выраженные через напряжения), написан­ные в декартовых координатах, можно преобразовать к ци­линдрическим координатам,

Для этой цели надлежит выразить напряжения s_r и s_q через s_x и s_y по известным формулам перехода

s_x = s_r cos²q + s_q sin²q; s_y = s_r sin²q + s_q cos²q,

заменив запись суммы другой:

s_x + s_y + s_z = s_r + s_q +s_z = s,

но учесть, что s_r и s_q не зависят от угла q, тогда как s_x и s_y являются функциями q.

Запишем окончательные резуль­таты для уравнений совместности, которых ввиду осесимметричного характера деформаций останется четыре:

, (2.9)

где введен символ

. (2.10)

Заметим, что одновременно с уравнениями неразрывности должны быть удовлетворены уравнения равновесия (2.1) и условия на контуре.

Подобно тому, как в плоской задаче теории упругости удалось все компоненты напряжений выразить через одну функцию напряжений, так и в разбираемом осесимметричном пространственном случае имеется такая же возможность.

В самом деле, если задаться

, (2.11)

где j - произвольная функция, и подставить (2.11) в первое уравнение равновесия (2.1), то оно обратится в тождество. Второе уравнение равновесия и все уравнения неразрывности будут удовлетворены, если принять j согласно уравнению

. (2.12)

Можно подобрать много решений уравнения (2.12). Вот некоторые из них:

(2.13)

. (2.14)

Так как эти выражения j удовлетворяют уравнению (2.12) при любых значениях коэффициентов С, следовательно, любой член их также удовлетворяет уравнению (2.12). Например, может быть

. (2.15)

Если в числе прочих причиной, вызывающих напряженное и дефор­мированное состояния тела, является возникновение темпера­турного поля, в общем случае неравномерного вдоль коор­динаты z и вдоль радиуса r, т. е.

T = T (z,r),

то надлежит внести дополнения в физи­ческие уравнения (2.3), а именно, они должны быть запи­саны [(по аналогии с (1.47), но в цилиндрических координа­тах] следующим образом:

(2.16)

(2.17)

(2.18)

где, введе­но обозначение:

.

В качестве примера рассмотрим длинную толстостенную трубу (рис. 20) с радиальным перепадом температур, т. е. считается заданным закон Т = Т (r). Пренебрегая влиянием торцов, можно считать, что все сечения трубы, перпендикулярные к ее оси, остаются плоскими и все работают в одинаковых условиях. Таким образом, радиальное перемещение u зависит только от r, перемещение v в направлении q отсутствует, относительное удлинение по направлению оси z следует считать постоянным, т. е. (2.19) Для относительных удлинений в радиальном

Рис. 20

и тангенциальном направлениях возможно использовать соотношения (1.35, а), (1.35, б) т. е.

. (2.20)

Очевидно в рассматриваемой задаче сохраняется уравнение равновесия из (1.32, б) т.е.

. (2.21)

Использование (2.19) (2.20) в (2.16) и (2.18) с последующей подстановкой в (2.21) приводит к разрешающему уравнению следующего вида:

. (2.22)

Решением (2.22) является выражение

. (2.23)

где r - переменная интегрирования.

Далее, очевидно, подлежит подставить (2.23) в (2.17), (2.18), а для определения постоянных А, В и использовать граничные уравнения. Так, если внутренняя и наружная поверхности трубы свободны, то, следовательно:

Если труба не имеет осевой нагрузки, то

Приведем окончательные выражения для напряжений на внутренней и наружной поверх­ности трубы для случая, когда на этих поверхностях поддер­живаются постоянные температуры Т_а и Т_b и, следовательно, для такого установившегося потока распределение температур по толщине стенки выражается формулой:

. (2.24)

Тогда на внутренней и наружной поверхностях:

(2.25)

. (2.26)