CHƯƠNG 3 - LÝ THUYẾT TRẠNG THÁI CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG

Chia sẻ: Nguyen Ngoc Tuong Duy | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

666
lượt xem 70
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xét biến dạng của phần tử vật chất lấy tại điểm M(x,y,z). Với các biến dạng là bé, ta có thể quan sát biến dạng của phần tử qua biến dạng các hình chiếu của nó trên các mặt phẳng tọa độ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 3 - LÝ THUYẾT TRẠNG THÁI CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TRẠNG THÁI CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG §3.1. PHƯƠNG TRÌNH QUAN HỆ GIỮA CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG Xét biến dạng của phần tử vật chất lấy tại điểm M(x,y,z). Với các biến dạng là bé, ta có thể quan sát biến dạng của ph ần t ử qua bi ến d ạng các hình chiếu của nó trên các mặt phẳng tọa độ. y P Q M N x z (Hình 3.1) + Xét biến dạng trong mặt phẳng xoy (H.3.2). Phân tố chữ nhật MNQP với các cạnh ban đầu dx, dy sau biến dạng trở thành phân tố M1N1Q1P1. ∂u y u+ dy ∂y P1 ∂v v+ dy ∂y P(x,y+dy) β α N1 dy ∂v M1 v+ dx N2 ∂ V x M(x,y) N(x+dx,y) ∂u U u+ dx ∂x dx O x (Hình 3.2) - Điểm M(x,y) có chuyển vị theo phương x,y là : u; v. - Điểm N(x+dx,y) có các chuyển vị theo phương x,y, khai tri ển Taylor b ỏ qua ∂u ∂v .dx ; v+ .dx các vô cùng bé bậc cao là : u + ∂x ∂x 15
∂u .dy ; v+ - Điểm P(x,y+dy) có các chuyển vị theo phương x,y là : u+ ∂y ∂v .dy ∂y - Biến dạng dài tương đối của các cạnh theo phương x,y là εx , εy. - Biến dạng góc trong mặt phẳng đang xét xoy là γ xy = α+β. Theo giả thiết biến dạng bé, ta có : /εx /
∂v α=  ∂x ∂u ∂u ∂v => γ xy = α+β= + Tương tự β = (c) ∂y ∂y ∂x Các kết quả (b) và (c) cho trong mặt phẳng xoy được sử dụng cho hai m ặt phẳng còn lại yoz và zox. Bằng cách hoá vị vòng các chỏ số theo thứ tự của tam diện thuận x,y,z ta nhận được quan hệ chuyển vị và các biến dạng như sau : x(u) y(v) z(w) ∂u ∂v ∂u  εx = ; γ xy = +  ∂x ∂x ∂y  ∂v ∂w ∂v   εy = ; γ yz = + (3.1) ∂y ∂y ∂z   ∂w ∂u ∂w εz = γ zx = + ;  ∂z ∂z ∂x  Công thức (3.1) thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa các thành ph ần biến dạng và các chuyển vị xét ở thời điểm t, đ ược gọi là phương trình quan hệ hình học CAUCHY Từ (3.1) có thể kết luận các biến dạng là bé khi đạo hàm bậc nh ất các chuyển vị theo phương toạ độ là bé. §3.2 TRẠNG THÁI BIẾN DẠNG - TENXƠ BIẾN DẠNG 3.2.1.Biến dạng dài tương đối theo phương bất kỳ : Hệ (3.1) cho phép ta tính biến dạng dài t ương đối theo các phương x,y,z. Đặt vấn đề làm sao tính biến dạng dài tương đối theo phương bất kỳ ? y K1 dy M1 y K n M x dx x z dz z 17
(Hình 3.3) Trong hệ trục toạ độ Descartes.Xét vi phân chiều dài MK= ds theo phương n với các cosin chỉ phương là l,m,n. Hình chiếu của ds lên các trục x,y,z là dx, dy, dz. dx  l = cos ( n, x ) = ds   dy  Véc to n có m = cos ( n, y ) = (a) ds   dz n = cos ( n, z ) = ds +Ở trạng thái ban đầu, toạ độ điểm đầu và điểm cuối c ủa vi phân MK là M(x,y,z) và K(x+dx, y+dy, z+dz) +Điểm M(x,y,z) chuyển vị theo ba phương x,y,z là u,v, w. +Điểm K(x+dx, y+dy, z+dz) chuyển vị theo ba phương là : u+du; v+dv; w+dw. Với du, dv, dw là các vi phân toàn phần của thành phần chuyển vị u,v,w. ∂u ∂u ∂u du = .dx + ∂y .dy + ∂z .dz ∂x ∂v ∂v ∂v dv = ∂x .dx + ∂y .dy + ∂z .dz ∂w ∂w ∂w dw = ∂x .dx + ∂y .dy + ∂z .dz + Sau biến dạng MK trở thành M1K1 = ds1 trong đó : M(x,y,z) trở thành M1( x+u, y+v, z+w). K(x+dx, y+dy, z+dz) trở thành K1(x+dx+u+du, y+dy+v+dv, z+dz+w+dw). + Chiều dài vi phân trước biến dạng: ds2 = dx2 + dy2 + dz2 (b) + Chiều dài vi phân ds1 sau biến dạng: ds12 = (dx+du)2 + (dy+dv)2 + (dz+dw)2 (c) Biến dạng dài tương đối theo phương n của ds. Ký hiệu εn là : ds 1 − ds ds 1 εn = = -1 ds ds 2 ds 1  (εn + 1) = 2 2 ds ds 1 − ds 2 2 2 ds 1  1+2εn + εn2 = 2  εn = (d) ds 2ds 2 (Với giả thiết biến dạng bé có thể bỏ qua εn2 so với εn) 18
∂u ∂u ∂u Tính ds12 = [dx + ( .dz)]2 + .dx + .dy + ∂y ∂z ∂x ∂v ∂v ∂v .dz)]2 + + [dy + ( .dx + .dy + ∂y ∂x ∂z ∂w ∂w ∂w .dz)]2. + [dz + ( .dx + .dy + (e) ∂y ∂x ∂z Khai triển (e) và bỏ qua các thành phần vô cùng bé bậc cao ∂u ∂v ∂w ∂u ∂u ∂v ∂v ∂w ∂w .dx+ ∂y .dy+ .dz)2;( .dx+ ∂y .dy+ .dz)2;( .dx+ ∂y .dy+ .dz)2 so với ( ∂z ∂x ∂z ∂x ∂z ∂x ∂u ∂v ∂w ∂u ∂v ∂w ...(vì theo giả thiết biến dạng bé ... ∂x ds 2 ∂y ds ∂z ds ∂w dxdz ∂w dydz ∂w dz 2 + + + . . . . ∂x ds 2 ∂y ds 2 ∂z ds 2 dx dy dz Thay l = ;m = ;n = và biểu thức (3.1) vào εn : ds ds ds ⇒ εn = εx.l2 + εy.m2 + εz.n2 + γ xy.lm + γ yz.mn + γ zx.nl (3.4). 19
γ γyz γzx  xy  εn = εx.l2 + εy.m2 + εz.n2 + 2  2 lm + 2 mn + 2 nl      γxy = γxy γyz = γyz ; γzx = γzx ta có : Đặt ; 2 2 2 + ε .n + 2( γxy .lm + γyz .mn + γzx .nl) εn = εx.l2 + εy.m2 z 2 (3.5) Có thể viết dưới dạng toàn phương : εx γyx γzx  l    n ]  γxy εy γzy  m  εn = [ l m (3.6)    n   γxz γyz εz    + Sau khi nhận được (3.5) ta thấy (3.5) hoàn toàn tương tự với (2.7) : σn = σx.l2 + σy.m2+σz.n2 + 2(Txy.ml + Tyz.mn + Txz.nl) (2.7) Nên có thể kết luận : Trạng thái biến dạng tại 1 điểm được đ ặc trưng bởi 9 thành phần biến dạng trên các mặt cắt vuông góc với h ệ trục toạ đ ộ. Chín thành phần này cũng thành lập 1 tenxơ h ạng 2 đ ối x ứng g ọi là tenx ơ biến dạng bé. Ký hiệu : Tε εx γyx γzx    Tε =  γxy εx γzy  Và được biểu diễn :  γxz γyz εz    II. Tenxơ lệch biến dạng và Tenxơ cầu biến dạng : Tenxơ biến dạng Tε có thể phân tích thành tổng của hai tenxơ h ạng 2 là tenxơ lệch biến dạng Dε và Tenxơ cầu biến dạng T0ε. εx γxy γxz  γyx εy γyz  εx − εtb γxy γxz  εtb 0 0       γyz  0 εtb 0   γzx γzy εz   γyx εy − εtb    =  + 0 0 εtb   γzx γzy εz − εtb   Tε = Dε + T0ε. εεε 1 ( x + y + z) : Biến dạng dài trung bình. Với εtb = 3 Dε: đặc trưng cho biến dạng hình dạng của phần tử T0ε: đặc trưng cho biến dạng thể tích của phần tử 20
§3.3. BIẾN DẠNG CHÍNH VÀ PHƯƠNG BIẾN DẠNG CHÍNH Trạng thái biến dạng tại điểm M(x,y,z) được đặc trưng bởi tenx ơ bi ến dạng bé. Tại điểm M(x,y,z) ấy ta có thể tìm được ba phương vuông góc với nhau và trên các mặt phẳng vuông góc với ba phương đó, các biến dạng góc bằng không. Những phương đó gọi là phương biến dạng chính. - Các biến dạng dài tương đối theo phương biến dạng chính là các bi ến dạng chính, các biến dạng chính là biến dạng dài cực trị tại điểm ấy. Ký hiệu các biến dạng chính là : ε1, ε2 , ε3. => theo quy ước ε1> ε2 > ε3. Tương tự như việc tìm các ứng suất chính, biến dạng chính được xác định từ phương trình sau : (ε x − ε n ) γ yx  γ zx   Det  γ xy (ε y − ε n ) γ zy =0 (3.7)    γ zx γ yz (ε z − ε n ) Khai triển (2.12) ta được phương trình bậc 3 đối với ứng suất chính σ n : ε 3n − J 1ε 2 + J 2 ε n − J 3 = 0 (3.8) n  J1 = ε x + ε y + ε z = θ   Trong đó J 2 = ε x ε y + ε y ε z + ε z ε x − ( γ xy + γ yz + γ zx )  (3.9)  2 2 2 J 3 = ε x ε y ε z + 2γ xy γ yz γ zx − (ε x γ yz + ε y γ zx + ε z γ xy )  Các hệ số J1, J2 , J3 trong phương trình tìm biến dạng chính là những giá trị không đổi khi ta xoay trục. Chúng được gọi l ần l ượt là b ất bi ến th ứ nh ất, bất biến thứ hai và bất biến thứ ba của trạng thái biến dạng tại một điểm. Phương trình (3.8) cho 3 nghiệm biến dạng chính, cả ba nghiệm này đ ều là thực. * Tìm phương biến dạng chính : Sau khi có các biến dạng đường chính ε1, ε2 , ε3, ứng với mỗi εi sử dụng hệ phương trình (3.10) và phương trình (3.11) ta có hệ ba ph ương trình t ương ứng với ba ẩn số là ba cosin chỉ phương của biến dạng chính εi đó. + γ n=0  (ε − ε ) l + γ m yx zx x n  γl + (ε − ε ) m + γ n = 0  (3.10) xy zy y n  γ l +γ m + (ε − ε ) n = 0  xz yz z n Và phương trình: l + m + n = 1 2 2 2 (3.11) Kết quả ta có 3 phương biến dạng chính tương ứng với 3 biến dạng 21
chính. Ba phương này trực giao với nhau ký hiệu các trục là 1,2,3. Tenxơ biến dạng chính được viết là : ε 1 0 0  Tε = 0 ε 2 0    0 0 ε 3    Các bất biến của trạng thái biến dạng chính : J 1 = ε1 + ε 2 + ε 3   J 2 = ε1 ε 2 + ε 2 ε 3 + ε 3 ε 1   J 3 = ε1 ε 2 ε 3  §3.4. PHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG THÍCH BIẾN DẠNG Ở mục trên ta đã lập được 6 phương trình vi phân của bi ến dạng theo 3 chuyển vị u, v, w. (Biểu thức 3.1). ∂v ∂u ∂u + εx = γ xy = ∂x ∂y ∂x ∂w ∂v ∂v + εy = γ yz = (3.1) ∂y ∂y ∂z ∂w ∂w ∂u εz = γ zx = + ∂z ∂x ∂z - Các phương trình này cho phép tính được các biến dạng bằng cách l ấy đạo hàm của các chuyển vị u, v, w. Những hàm chuyển vị này, theo tính liên tục của vật thể sẽ là những hàm đơn trị và liên tục của các biến số. Dó đó, các biến dạng cũng sẽ là những hàm đơn trị và liên tục. - Để giải bài toán ngược tìm 3 hàm chuyển vị u, v, w khi biết các biến dạng, ta có 6 phương trình đạo hàm riêng đối với 3 ẩn số. Số phương trình nhiều hơn ẩn số, nên để xác định được 3 ẩn số là các hàm liên t ục và đ ơn tr ị thì 6 phương trình này phải có quan hệ với nhau. Các quan hệ này được gọi là các điều kiện tương thích hay điều kiện liên tục của biến dạng cũng được gọi là các điều kiện Sainti - Venant. Để nhận được các phương trình này, ta khử các chuy ển vị u, v, w trong các phương trình biến dạng Cauchy - Navier. 22
I. Nhóm phương trình cho các biến dạng trong cùng 1 mặt phẳng : ∂ 2 ∂v ∂ 2 ∂u ∂ 2 ∂v ∂ 2ε x ∂ ε y γ 2 ∂ 2  ∂u ∂v  ∂2 ∂2 ∂u . xy = + = + = + = + ∂x∂y  ∂y ∂x  ∂x∂y ∂x∂y ∂y ∂x∂y ∂x ∂y 2 ∂x ∂x 2 ∂y ∂y 2 ∂x 2  ∂ 2ε x ∂ ε y ∂ 2γ xy 2 + = ∂y 2 ∂x 2 ∂x∂y ∂ εy ∂ 2ε z ∂ γ yz 2 2 Tương tự ta có : + 2= (3.12) ∂z 2 ∂y ∂y∂z ∂ 2ε z ∂ 2ε x ∂ 2γ zx + 2= ∂x 2 ∂z ∂x∂z II. Nhóm phương trình cho các biến dạng trong các m ặt ph ẳng khác nhau: γ γ ∂ 2 xy ∂ 2 zx ∂ 2  ∂u ∂v  ∂ 2  ∂w ∂u  + + + + = + ∂x∂z  ∂y ∂x  ∂x∂y  ∂x ∂z  ∂x∂z ∂x∂y     2  ∂v ∂w  2 2 ∂ ∂  ∂u  ∂  ∂u  . + = .  + + .   ∂z ∂y  ∂y∂z  ∂x  ∂y∂z  ∂x  ∂x 2 2∂ 2ε x ∂ γ yz 2 + = ∂y∂z ∂x 2 γ γ γ 2∂ 2ε x ∂  ∂ yz ∂ zx ∂ xy  = − + + ∂y∂z ∂x  ∂x ∂z  ∂y   γ γ γ 2∂ ε y ∂  ∂ yz ∂ zx ∂ xy  2 = + − + ⇔ (3.13) ∂z  ∂z∂x ∂y  ∂x ∂y  γ γ γ 2∂ 2ε z ∂  ∂ yz ∂ zx ∂ xy  = + + − ∂x∂y ∂z  ∂x ∂z  ∂y   Ý nghĩa : Hệ phương trình (3.12) và (3.13) thể hiện mối quan hệ giữa các biến dạng là điều kiện để tìm u, v, w từ phương trình biến quan h ệ hình h ọc Cauchy-Navier gọi là phương trình liên tục biến dạng. 23