如圖所示,方板彈性模量為E1,圓環彈性模量為E2,泊松比均為u

受到均布載荷q,如箭頭所示

如何用理論方法求解圓環上的應力?

如需要其餘參數如摩擦係數等均可自行假設,比如可假設摩擦係數為f

補充一下問題,

本問題就是彈性力學中帶孔方板的圓孔處加了一個彈性模量不同的圓環。需用理論方法求解,彈性力學方法,理論力學方法或者其他方法都可以。如果覺得考慮摩擦力過於複雜也可以忽略摩擦力的影響。不用有限元方法

路過到的大哥留下一點思路也行,感謝


這個問題在研究納米力學表面效應的文獻中已經涉及到並有解析解了(包括三維情況)。表面效應可以認為在界面上加了一個彈性層,和這個問題是等效的。你可以參考一下王剛峯老師的一些文章,比如Deformation around a nanosized elliptical hole with surface effect.
我先說個思路,你考慮一下是否可行。

徐老院士彈性力學的極坐標那一張有講接觸問題,這應該是屬於完全接觸,光滑接觸或者帶摩阻的約束。

保留單純的帶孔方板的外側的邊界條件,另外,紅色圓環內測應力為零,中間的接觸處滿足接觸條件,你可以自己視情況而定屬於哪一類接觸。這樣你就得到了一個PDE的邊值問題。我記得彈性力學的解答分為,按照應力求解,按照位移求解,和常體力下按照應力函數求解。一般情況下我們都採用應力函數的方法來解,具體的求解嘛,你可以試試,可能需要一定技巧,因為單純的帶孔板單拉也是吉爾斯用疊加原理求得的,建議仔細回顧一下彈性力學極坐標一章。


1)拆解對稱與非對稱載荷,前者一個未知量,後者兩個未知量,共計三個位移邊界條件方程;

2)位移邊界條件方程中的位移函數u,左右並不一致,除材料參數之外,圓環的內外半徑與實體的內外半徑並不一致,且由此導致的通解的係數也會有差別;

3)僅適合於線彈性小的小孔變形情況,若非線彈性或大變形,則從第一步可疊加的假設開始全部錯誤;若孔徑較大或孔位於邊緣,則從第二步極坐標應力轉換的假設開始全部錯誤;

4)接觸問題一般用有限元討論,尤其此處非對稱不容易判斷不同點處的滑動閾值與脫離間隙,暫時不清楚是否有非有限元或非數值方法的理論解

5)非對稱的通解太過複雜,這裡僅給出一個參數的解,其餘三個。。。


1,將問題分解為a,x和y方向載荷相同;b,x和有方向載荷相反;a+b就是該問題

2.找到上述a和b的解析解,a的解析解容易扎到,b的解析解大概不容易

3.列出內環和外面開孔方板的位移表達式,應當有待定參數,用內環的外表面位移和外面開孔方板的內表面位移相同,作為協調條件,可以求解得到該待定參數

4用得到的該待定參數,帶入其他的解析解中的參數,即可

如果方板是四面都是相同的載荷,那麼就容易多了!


我剛看到這個問題的時候,思路和前面幾位略有不同。這個問題照目前題主的問法,可以分成兩種情況來討論,:一種情況是小孔尺寸遠遠小於板的尺寸,也就是含孔的無限大板的應力分析的情況;另一種是孔的尺寸與板的尺寸相近,也就是所謂含孔的有限大板的應力分析的情況。這兩種情況的解法是截然不同的。

對於第一種情況,前面的 @ljjttt 、 @QuYln 和@劉先生的回答已經說得很明白了。那就是利用疊加原理,分別對「雙向壓縮」和「拉壓組合」的情況進行疊加即可,在計算每一種情況時,分別對圓孔和圓環利用基爾斯的解答,重新由邊界條件(包括接觸條件)確定待定參數即可。過程比較繁雜,但思路是簡單的。

對於第二種情況,前面的解答好像都沒有涉及,那我就來說說吧。如果孔的尺寸和板的尺寸可以比較了,那麼孔的尺寸和孔的位置就要影響最終的結果了。這裡多了一個板的邊界,造成兩個邊界相互作用的情況,因此,場方程的解答往往很難在所有邊界上都滿足邊界條件。其實這很容易看出來,一般來講,不管是用逆解法還是半逆解法,也不論是應力解法、位移解法還是應力函數解法,所假定的解的形式或者應力函數的形式往往是初等函數的組合(包括級數形式的解答),比如上面的基爾斯的解答就是,這必定不可能適合任意的邊界條件。即便用到特殊函數也很難預先湊出一個滿足所有邊界條件的解來。這時候,一個經典的做法是採用所謂「邊界配置法」。具體來講就是,採用復勢來寫出應力分量和位移分量的表達(板和圓環的),然後在邊界上選定一系列配置點,讓應力分量和位移分量在這些點上精確地滿足邊界條件,從而確定待定常數。這個方法是一個半經驗的方法,在斷裂力學裡是很常用的(比如可以參考洪起超老師的《工程斷裂力學》),也可以搜一下文獻瞭解具體細節,這方面文獻是很多的。對於複雜邊界的問題,一般可以用這個方法得到滿足工程要求的解答,但有時候需要注意解的收斂性問題。

原本是想寫下推導過程的,但最近事多閑少,只能寫寫思路扯扯閑淡了~~


圓環和板之間的邊界條件要定義清楚。如果想要理論解,你需要一個優雅的表達式表示邊界處的位移。力的表達式就是位移的二次導數乘上彈性模量。我數學不太好,你要求理論解的話還是找學數學的吧。工程上肯定直接上有限元求近似解了,這種簡單的模型算起來應該挺快的。


如果覺得考慮摩擦力過於複雜也可以忽略摩擦力的影響


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