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目的研究不同孔型的孔口应力集中问题,为蜂窝梁及其他开孔结构的工程设计应用提供参考.方法利用弹性力学的基本理论,运用复变函数的方法,引入保角变换,以无限大开孔板为例,借助Mathematica的符号计算功能,编制相应的程序对常用的蜂窝梁孔型-六边形、四边形、圆形孔口进行分析求解.运用孔口纯弯状态下有限元分析与理论计算结果进行对比和修正.结果计算推导得出了在几种不同应力边界条件下的孔口处的复应力函数,进而得到对应的孔口应力分布特征,借助有限元分析给出了纯弯状态下孔口应力的理论计算公式.结论孔口的应力集中程度随
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2014
年
5
月
第
30
卷第
3
期
沈阳建筑大学学报(自然科学版)
Journal
of
Shenyang
Jianzhu
University
(Natural
Sci
巳
nce)
岛
1ay
2014
Vo
l.
30
, No.3
文章编号
;2095
-1922(2014)03 -0414
-08
doi;
10.
11717/j.
issn
;2095
-
1922.
2014.
03.05
基于
Mathematica
的蜂窝梁孔口应力
集中问题的复分析
贾连光,谢国辉,侯祥林
(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳
110168
)
摘
要:目的研究不同孔型的孔口应力集中问题,为蜂窝梁及其他开孔结构的工程设计应用
提供参考.方法利用弹性力学的基本理论,运用复变函数的方法,引入保角变换,以无限大开
孔板为例,借助
Mathematica
的符号计算功能,编制相应的程序对常用的蜂窝梁孔型一六边
形、四边形、圆形孔口进行分析求解.运用孔口纯弯状态下有
FR
元分析与理论计算结果进行对
比和修正.结果计算推导得出了在几种不同应力边界条件下的孔口处的复应力函数,进而得
到对应的孔口应力分布特征,借助有
FR
元分析给出了纯弯状态下孔口应力的理论计算公式.结
论孔口的应力集中程度随孔角曲率半径减小而加剧,圆形孔口能有效降低应力集中的影响,
是一种理想的开孔形式.
关键词:蜂窝梁;复变函数;保角映射;
Mathematica
;应力集中
中图分类号:
TU392
文献标志码
:A
Complex Analysis of Stress Concentrations in Cellular Beam
with a Hole Based on the Mathematica
JIA Lianguang ,XIE Guohui ,
HOU
Xianglin
(School
of
Civil
Engineering
,
Shenyang
Ji
anzhu
University
,
Shenyang
,
China
,
110168)
Abstract:
To offer references in engineering designs for the cellular beam and other structure with opening ,
this paper studied stress concentrations
of
holes with different shapes in beam. Based on the elastic theory ,
complex function analysis and the conformal mapping technique , with the symbolic computational software
Mathematica
, stress concentrations
of
holes such
as
hexagon ,
squ
缸
e
and circle types that are often used in the
cellular beam were calculated. Theoretical calculation results
of
stresses on the hole under pure bending state
were compared and corrected with the finite element analysis. The complex stress functions under axial load-
ing
,pure shearing and pure bending were calculated and the stress distribution behaviors on the hole were
obtained. The theoretical calculational formulas for stress concentrations on the hole under the pure bending
with the aid
of
finite element analysis were buil
t.
It indicates that stress concentrations on the hole increase
rapidly with decrease
of
curvature radius by the hole angle. The circular hole is a kind
of
ideal form
of
open-
ing
, which can effectively reduce the stress concentrations.
Key
words:
cellular beam; complex function; conformal mapping; Mathematica; stress concentration
收稿日期
;2013
-11
-12
基金项目:国家自然科学基金项目
(51108279)
;辽宁省自然科学基金项目
(201102181
)
作者简介:贾连光(1
961-)
,男,教授,主要从事结构工程研究.
第
3
期
贾连光等:基于
Mathematica
的蜂窝'梁孔口应力集中问题的复分析
415
蜂窝梁是
H
型钢通过切割错位焊接形成的
一种连续开孔的钢结构形式
[IJ
由于孔洞的存
在,在孔口周围会产生应力集中的现象
[2
-3J
应力
集中对蜂窝梁的性能有很大的影响
[4
-7J
蜂窝梁
常用的开孔形式有四边形、正六边形和圆形.研究
不同孔型在荷载作用下孔口的应力分布特征对蜂
窝梁的应用有重要意义.尽管现有的有限元分析
软件已经可以对蜂窝梁的各种复杂状况进行分
析
[8
-IOJ
但其计算成本相对较高,耗时较长
[IIJ
对于蜂窝梁腹板处的孔口问题进行简单实用的理
论计算仍然是十分必要的.
复变函数法(复势法)是求解各种平面孔洞
或裂纹问题的一种重要的手段[
12J
复变函数法的
关键是构造相应的保角映射函数,将无限大平面
上的孔口或裂纹的外部区域映射到单位圆的内
部,进而利用
Cauchy
积分理论,求出相应的复应
力函数,从而获得孔口处应力分布的精确分析结
果
[13
J
但这个计算过程中运算量一般较大,特别
是当映射函数较为复杂时,计算变得十分繁琐.由
于计算条件的限制,已有的部分解析计算结果精
度一般较低,或使用数值方法进行计算
[14
J
.
Math-
ematica
是由美国
Wolfram
公司研究开发的数学
软件,它能够完成符号运算、数学图形绘制、甚至
动画制作等多种操作,是一种强大的数学计算、处
理和分析的工具,主要用于解决和计算工程领域
中的问题,也可以处理一些基本的数学计算.
Mathematica
直接支持符号运算,可直接在计算机
上进行数学公式、符号、单元刚度矩阵的推导运
算[臼笔者基于
Mathematica
强大的符号运算能
力,讨论不同孔型在不同应力边界条件下的孔边
应力特征,获得了更加精确的理论计算结果,对比
理论计算与有限元分析结果,拟合了纯弯状态下
孔口应力分布的理论计算公式,可以方便地计算
孔口处任意测点的应力值.
1
复势法的基本原理
设含孔口的无限大面处于平面应力或平面应
变状态,在体力为常数时,根据《孔附近应力集
中》控制方程为双调和方程
v
2
V
2
U=Û
其中
U(x
,
y)
可以用两个复应力函数或复势表示:
U=Re[
功
1
(z)
+
f
ψI(Z)].
(1)
式中
:z
= x +
iy
为复变数,
Re
表示复变函数的实
部,马
=x
-ly
为
z
的复共辄,
φ1
(z)
,
ψ1 (z)
为
z
的
两个解析函数.根据弹性力学的基本关系,应力和
位移的复数表示为
(σ
xx+
σ
yy
卅
1
(z)
叫
1
(z)
]叫
'1
(z)
,
σ
yy
σ
.u;
+2iσλ
:y
=2[
坤
"1
(z)
+
ψ
'1
(z)
].
(2)
2u(u
x
+iu
v
)
=K
φ1
(z)
- z
φ
'1
(z)
-
ψI(Z).
(3)
式中
:K
=
(3
-
v)/
(1
十
v)
为平面应力
;K=4-v
为平面应变
;
v
为
Poisson
比
;φl
与
ψ1
分别为
φl
(z)
与
ψ1
(z)
的复共辄.这种问题在
x
,
y
平面内直
接求解往往非常困难,如果引人保角变换函数
ω
(0
,
将物理平面
z
映射到
5
平面单位圆的内
部,则应力和位移可以表示为
σ-σ~
酣
+2i
(J叮
σ0θ-
豆二--[石{币
7
万
7φ
旷
'(ωCρ)
+
(4)
(Uσ
丁
γ??:γ
………
σ~
俨川……一
ω
川川
88=2[Ø(
红阳阳[呻倒
φ
叭(
V
山
p
ιω
'(0
ω
'(0
ψ(0]
.
一主二
(u
p
+
iu
8
)
=
正旦工正上[立二
ιφ(0
-
(1
+μ)ρ|ω'(OIL
(1
+μ)
ω(ρ
一一一一一一
兰
L
生王子
φ
'(0
-
ψ
(0
],
(5)
ω
'(0
式中:
ι)φ[ω(0
]
φ(0
=φ'1
(z)
=
φ
'](01
ω
'(0
,
ψ(0
=轧
(z)
=
ψ]
[ω(0
]
1Jf
(0
=
ψ']
(z)
=
ψ
'(01
ω
'(0.
复应力函数
φ(0
、
ψ(0
可根据下列方程确定:
ψ
(Ç)
=
亏
(Px
-
iFy)
问+
(B'+iC')
ω(0
+ψ
。
(0.
根据应力边界条件得:
(
旦、二一
φ
。
(σ)
+
UJ\'--'/
φ
,
(σ)
+ψ(σ)
=元,
ω'(σ)
一一-
ω(σ)
ψ
。
(σ)
+一一
-V(σ)
+ψ(σ)
=10.
,
(σ)
(6)
(7)
式中
:σ=Çlρ=ρe
i8
=
e
i8
表示
5
在单位圆周
F
上的
f_
F.
+i
F.
1
-1-"一
值;儿=
il
(fx
+ifv)ds
一」
7
」
lw
一气坦问-
L/
lT
0
1T
一
ω(σ)
'y)
τ
二二~
-2B
ω(σ)
一
(B'
+iC')ω(σ)
;元
,
/y;
ω'(σ)
FnFy
分别为面力和体力分量
;B
、
B'
+iC'
可以根
据边界条件确定.图
1
给出了几种常见的孔口应
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