Interested Article - Теория Кирхгофа — Лява

Деформация тонкой пластины с выделенным смещением срединной поверхности (красный) и нормали к срединной поверхности (синий)

Теория Кирхгофа — Лява или теория пластин Кирхгофа — Лява — двумерная математическая модель упругого тела, которая используется для определения напряжений и деформаций в тонких пластинах, подверженных действию сил и моментов при малых изгибах. Эта теория является расширением теории балок Эйлера — Бернулли и была разработана в 1888 году Лявом с использованием постулатов, предложенных Кирхгофом . Теория предполагает, что срединная плоскость может использоваться для представления трёхмерной пластины в двухмерной форме.

В этой теории сделаны следующие кинематические допущения:

  • прямые линии, перпендикулярные срединной поверхности, остаются прямыми после деформации;
  • прямые линии, перпендикулярные средней поверхности, остаются нормальными к срединной поверхности после деформации;
  • и толщина пластины не изменяется при деформации.

Предполагаемые перемещения/смещения

Пусть вектор положения точки недеформированной пластины равен . Тогда его можно разложить

Векторы образуют базис декартовой системы координат с началом взятым на срединной поверхности пластины, а также — декартовы координаты на срединной поверхности недеформированной пластины, а — координата направленная вдоль толщины.

Пусть смещение точки на пластине равно . Тогда

Это смещение можно разложить на векторную сумму смещения срединной поверхности и смещение вне плоскости в направлении . Мы можем записать смещение срединной поверхности в плоскости как

Обратите внимание, что индекс пробегает значения 1 и 2, но не 3.

Тогда из гипотезы Кирхгофа следует, что

Если — углы поворота нормали к срединной поверхности, то в теории Кирхгофа — Лява

Обратите внимание, что выражение для представимо как разложение в ряд Тейлора первого порядка для смещения вокруг срединной поверхности.

Смещение срединной поверхности (слева) и нормали к ней (справа)

Квазистатические пластины Кирхгофа — Лява

Первоначальная теория, разработанная Лавом, применялась для бесконечно малых деформаций и вращений. Фон Карман расширил эту теорию на ситуации, в которых можно было ожидать умеренных вращений.

Соотношения деформация-смещение

Когда деформации в пластине бесконечно малы и повороты нормалей средней поверхности меньше 10° соотношения деформация-смещение (то есть используется разложение до первого порядка малости) принимают вид

где как и .

Используя кинематические предположения, получим

Следовательно, ненулевые деформации возникают только в плоскостях.

Уравнения равновесия

Уравнения равновесия пластины выводятся из принципа виртуальной работы . Для тонкой пластины при квазистатической поперечной нагрузке эти уравнения имеют вид

где толщина пластины . В индексной записи

где механические напряжения .
Изгибающие моменты и нормальные напряжения
Моменты и напряжения сдвига
Bending moments and normal stresses
Torques and shear stresses

Граничные условия

Граничные условия, необходимые для решения уравнений равновесия в теории пластин, можно получить из граничных условий используемых в принципе виртуальной работы. В отсутствие внешних сил на границе граничные условия имеют вид

Обратите внимание, что — это эффективная сила сдвига.

Материальные соотношения

Соотношения между напряжениями и деформациями для линейной упругой среды имеют вид

поскольку , а также не фигурируют в уравнениях равновесия, то неявно предполагается, что эти величины не влияют на баланс импульса и ими можно пренебречь. Остальные соотношения напряжение-деформация в матричной имеют вид

Тогда

и

Жесткости — это величины

Изгибные жесткости (также называемая жесткостью на изгиб ) — это величины

Основные предположения Кирхгофа — Лява приводят к нулевым поперечным силам. Тогда для определения поперечных сил в тонких пластинах Кирхгофа — Лява должны использоваться уравнения равновесия пластины. Для изотропных пластин эти уравнения приводят к выражению

В качестве альтернативы эти поперечные силы можно записать как

где

Малые деформации и умеренные вращения

Если повороты нормалей к срединной поверхности находятся в диапазоне от 10 до 15 , то зависимости деформации от смещения можно аппроксимировать как

Тогда кинематические допущения теории Кирхгофа — Лява приводят к классической теории пластин с деформациями фон Кармана.

Эта теория нелинейна из-за квадратичных членов в соотношениях деформация-перемещение.

Если соотношения деформация-перемещение принимают форму фон Кармана, то уравнения равновесия перепишутся в виде

Изотропные квазистатические пластинки Кирхгофа — Лява

В матричной форме, для изотропной и однородной пластины зависимости напряжения от деформации имеют вид

где коэффициент Пуассона и модуль Юнга . Моменты, соответствующие этим напряжениям примут вид

или в развернутом виде

где для пластин толщиной . Используя соотношения напряжения-деформации для пластин, можно показать, что напряжения и моменты связаны соотношениями

В верхней поверхности пластины, где , напряжения

Чистый изгиб

Для изотропной и однородной пластины при чистом изгибе основные уравнения сводятся к (нет внешних сил)

Здесь мы предположили, что смещения в плоскости не зависят от и . В индексной записи

и в прямой записи

которое известно как бигармоническое уравнение . Изгибающие моменты определяются выражением

Изгиб под действием поперечной нагрузки

Если распределенная поперечная нагрузка применяется к пластине, то определяющее уравнение . Следуя процедуре, из предыдущего раздела, получаем

В прямоугольных декартовых координатах основное уравнение примет вид

а в цилиндрических координатах принимает вид (для круглой пластинки с аксиально-симметричной нагрузкой)

Решения этого уравнения для различных геометрий и граничных условий можно найти в статье об изгибе пластин .

Цилиндрический изгиб

При определённых условиях нагружения плоская пластина может изгибаться, принимая форму поверхности цилиндра. Этот тип изгиба называется цилиндрическим изгибом и представляет собой особую ситуацию, когда . В таком случае

а также

и определяющие уравнения становятся к

Динамика пластин Кирхгофа — Лява

Динамическая теория тонких пластин ставит задачу о распространении упругих волн в пластинах, а также изучает стоячие волны и режимы колебаний.

Основные уравнения

Основные уравнения динамики пластины Кирхгофа — Лява:

где для пластины с плотностью ,

а также

Решения этих уравнений для некоторых частных случаев можно найти в статье о колебаниях пластин. На рисунках ниже показаны некоторые колебательные моды для круглой пластины защемлённой по контуру.

Изотропные пластины

Основные уравнения значительно упрощаются для изотропных и однородных пластин, для которых деформациями в срединной плоскости можно пренебречь. В этом случае остается одно уравнение следующего вида (в прямоугольных декартовых координатах):

где — изгибная жесткость. Для однородной плиты толщиной ,

В прямой записи

Для свободных колебаний основное уравнение принимает вид

Примечания

  1. A. E. H. Love, On the small free vibrations and deformations of elastic shells , Philosophical trans. of the Royal Society (London), 1888, Vol. série A, N° 17 p. 491—549.
  2. Reddy, J. N., 2007, Theory and analysis of elastic plates and shells , CRC Press, Taylor and Francis.
  3. Timoshenko, S. and Woinowsky-Krieger, S., (1959), Theory of plates and shells , McGraw-Hill New York.
Источник —

Same as Теория Кирхгофа — Лява