Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Несущая способность конструкций в условиях теплосмен

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
4.03 Mб
Скачать

– два кинематических условия и одно силовое условие,

ux = Ux, uy = Uy, σxz = pz;

– одно кинематическое условие и два силовых условия,

ux = Ux, σxy = py, σxz = pz;

– три силовых условия (8.1),

σxx = px, σyx = py, σzx = pz.

Записанные граничные условия дополняются начальными условиями (9.2):

u

 

 

 

 

 

 

= U 0

, dux

 

= v

 

 

 

 

= V 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

t =0

x

 

dt

 

t=0

x

 

 

t=0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uy

 

 

 

 

 

= U y0 ,

duy

 

= vy

 

 

 

= Vy0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t =0

dt

 

 

t =0

 

 

 

 

 

t =0

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

= U 0

, duz

 

= v

 

 

 

 

= V 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

t =0

z

 

dt

 

t =0

z

 

 

t=0

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.6. Краевые условия для двумерной задачи

При решении задач в приближении плоско-деформирован- ного, плоско-напряженного или осесимметричного состояния математическая модель содержит восемь дифференциальных уравнений в частных производных для восьми искомых функций50 σxx, σyy, σxy,

εxx, εyy, εxy, ux, uy:

ρ

d 2u

x

= ρfx +

 

∂σ

xx

+

∂σxy

, ρ

d

2u

y

= ρf

 

+

∂σ

xy

+

∂σ

yy

;

dt2

 

 

x

y

 

 

 

y

 

 

 

 

 

dt2

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

σxx =

 

 

 

E

 

((1

− ν)εxx + νε yy );

 

 

 

 

 

 

 

(1+ ν)(12ν)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50 На примере модели плоско-деформированного состояния.

101

σyy

εxx

= (1+ ν)E(12ν) (νεxx + (1− ν)ε yy );

 

 

 

σxy =

 

E

εxy ;

 

 

 

 

 

 

 

1+ ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

u

,

ε yy =

v

, ε xy =

1

 

u

+

v

x

y

2

 

y

.

 

 

 

 

 

 

 

x

Приведенная система уравнений может быть также преобразована к системе двух уравнений Ламе с двумя искомыми функциями

ux и uy:

ρ d 2ux dt2

ρ d 2uy dt2

=ρfx

=ρfy

+

 

 

E

 

1

 

2u

x

+

2uy

 

 

+

2u

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(1+ ν ) 1

2ν

x2

 

xy

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

E

 

1

 

2u

x

+

2uy

 

 

+

2uy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

yx

 

 

x2

 

 

(1+ ν ) 1

2ν

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2ux ,

y2

+2uy .

y2

В общем случае для каждой точки границы необходимо задавать соответственно два условия, при этом возможны следующие комбинации кинематических и силовых граничных условий:

– два кинематических условия,

ux = Ux, uy = Uy;

– одно кинематическое условие и одно силовое условие,

ux = Ux, σxy = py;

– два силовых условия,

σxx = px, σxy = py.

Записанные граничные условия дополняются начальными условиями

u

 

 

 

= U 0

, dux

 

= v

 

 

 

= V 0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

t =0

x

dt

 

t=0

x

 

t=0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

102

uy

 

 

= U y0 ,

duy

 

 

= Vy0 .

 

 

 

= vy

 

 

 

 

 

 

t =0

dt

 

 

 

 

t =0

 

t =0

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 9.2, а показан вариант задания граничных условий для случая осадки длинной полосы (рассматривается стационарное плос- ко-деформированное состояние) заданным усилием на шероховатых51 плитах.

На верхней границе задано граничное условие σ yy = − p , соот-

ветствующее вертикальному усилию p, направленному против оси y, и нулевое перемещение ux = 0 в направлении оси x. На нижней границе заданы условия отсутствия перемещения в направлении обеих координатных осей – ux = 0 и uy = 0 .

Вертикальные границы деформируемой полосы свободны от усилий, поэтому, согласно соотношениям Коши (8.1), на этих границах задаются условия σxx = 0 и σxy = 0.

На рис. 9.2, б представлен вариант формулировки граничных

условий для случая осадки той же полосы на заданную высоту

на

гладких плитах.

 

На верхней границе задано граничное условие uy = − ,

соот-

ветствующее заданному вертикальному перемещению верхней границы, направленному против оси y, и, согласно формуле Коши (8.1), нулевое значение компоненты тензора напряжения σ yx = 0 , соответ-

ствующее отсутствию в направлении оси x силы трения (сдвиговой нагрузки) между плитой и поверхностью деформируемого тела. На нижней границе, как и в предыдущем случае, заданы условия отсут-

ствия

перемещения в направлении обеих координатных

осей –

ux = 0

и uy = 0 . Вертикальные границы деформируемой

полосы

также свободны от усилий, поэтому на этих границах задаются условия σxx = 0 и σxy = 0.

51 Плита шероховатая, если она не позволяет смещаться точкам контактной поверхности деформируемого тела. Плита гладкая, если она не препятствует смещению точек контактной поверхности деформируемого тела.

103

а

б

Рис. 9.2. Осадка длинной полосы (плоско-деформированное состояние) заданным усилием на шероховатых плитах (а) и на заданную высоту на гладких плитах (б); пунктиром обозначено деформированное состояние

9.7. Краевые условия для одномерной задачи

Для одномерных задач (растяжение, изгиб, сдвиг, кручение и проч.) система содержит три уравнения для трех искомых функций (например, σxx, εxx, ux – для одноосного растяжения):

ρ d 2ux

= ρf

x

+ ∂σxx ,

 

 

σ xx = Eε xx ,

 

 

εxx =

ux .

dt2

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

Последовательная подстановка формулы σxx = Eεxx

закона Гу-

ка и кинематического соотношения εxx = ∂ux / x

в уравнение дви-

жения приводит к выражению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

d 2u

x

= ρf

 

+ E

∂ε

xx

,

 

 

 

 

 

dt2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

d 2u

x

= ρf

 

+ E

2u

x .

 

(9.3)

 

 

 

dt2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

Выражение (9.3) представляет собой уравнение Ламе для случая одномерной (одноосной) деформации.

104

На границах задаются граничные условия:

– два кинематических условия (рис. 9.3, а),

 

 

 

 

ux

 

 

 

 

x=0 = U0 , ux

 

x=L = UL ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– одно кинематическое

условие

и

 

 

одно силовое условие

(рис. 9.3, б),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ux

 

x=0 = U0 , σxx

 

x=L = p ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– одно силовое условие и одно кинематическое условие,

 

 

 

σxx

 

x=0 = − p, ux

 

x= L = U L ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– два силовых условия,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σxx

 

x=0 = − p, σxx

 

x=L = p.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эти условия дополняются начальными условиями

u

x

 

 

= U 0 ,

dux

 

 

= v

x

 

 

=V 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

t=0

 

 

t=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.3. Деформирование призматического стержня заданным удлинением (а) и растягивающим усилием p (б)

На рис. 9.3, б показано статическое нагружение растягивающим усилием p призматического стержня, закрепленного на левом конце.

105

Для закрепленного неподвижно левого конца граничное условие имеет вид ux x=0 = 0, на правом конце задается силовое гранич-

ное условие σxx x=L = p.

Предполагая, что массовые силы f отсутствуют, деформирование стационарное, уравнение (9.3) можно упростить:

d 2u

= 0 .

(9.4)

x

dx2

 

 

Решение этого уравнения имеет вид ux = C1 + C2 x ,

где C1 и C2 – постоянные интегрирования. Для определения этих постоянных используются записанные граничные условия:

ux x=0 = C1 + C2 0 = 0 ;

σxx

 

 

= E εxx

 

 

= E

ux

 

= EC2 = p ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=L

 

x=L

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=L

 

 

 

 

 

 

 

 

C1 = 0 , C2 = Ep .

Следовательно, перемещение материальных частиц призматического стержня при растяжении усилием является линейной функцией координаты:

ux = Ep x .

Деформация и напряжение в стержне постоянны:

εxx = uxx = Ep ;

σ xx = Eε xx = p .

106

Для схемы нагружения, приведенной на рис. 9.3, б граничное условие для закрепленного неподвижно левого конца имеет вид ux x=0 = 0, на правом конце – ux x= L = . Также с учетом предполо-

жения, что массовые силы f отсутствуют, деформирование стационарное, решение дифференциального уравнения (9.4) имеет уже известный вид

ux = C1 + C2 x .

Для определения постоянных интегрирования C1 и C2 используются граничные условия:

ux x=0 = C1 + C2 0 = 0 ; ux x=L = C1 + C2 L = ;

C1 = 0 , C2 = L .

Следовательно, перемещение материальных частиц призматического стержня при растяжении усилием является линейной функцией координаты:

ux = L x .

Деформация и напряжение в стержне постоянны:

εxx = uxx = L ;

σxx = Eεxx = EL .

107

10. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Моделирование состояния элементов и узлов строительных

идорожных машин, подверженных воздействию жидкостей и газов (ветровая нагрузка, внешнее или внутреннее давление на стенки резервуаров и гидравлических цилиндров, в системах трубопроводов, вентиляционных шахтах, охлаждение и нагрев рабочих жидкостей

иэлементов радиаторных систем, управляющих механизмов, систем гидро-, пневмоавтоматики и проч.) требует корректной математической постановки (формулировки) дифференциальных уравнений механики жидкости и газа, а также соответствующих этим уравнениям краевых (граничных и начальных) условий.

Для описания механических процессов в жидкостях и газах используют:

уравнение неразрывности (8.2)

dρ

 

v

 

vy

 

v

 

= 0 ;

 

+ ρ

 

x +

 

+

 

z

dt

 

y

 

 

x

 

z

 

уравнения движения (8.4):

ρdvx = ρf + ∂σxx + ∂σxy + ∂σxz , dt x x y z

ρ

dvy

= ρfy +

∂σyx

+

 

∂σyy

+

 

∂σyz

,

dt

 

y

 

 

 

x

 

 

z

ρ

dv

z

= ρfz +

∂σ

zx +

 

∂σzy

+

∂σ

zz ;

 

 

 

y

 

 

 

dt

 

x

 

 

z

физические уравнения связи компонент тензора напряжения

скомпонентами тензора скорости деформации (7.5):

σxx = − p + λ (ξxx + ξyy + ξzz )+ 2μξxx ,

108

σyy = − p + λ (ξxx + ξ yy + ξzz )+ 2μξ yy ,

σzz = − p + λ (ξxx + ξ yy + ξzz )+ 2μξzz ,

σxy = 2μξxy , σyz = 2μξyz , σ xz = 2μξxz ;

– кинематические соотношения между компонентами вектора скорости и тензора скорости деформации (7.4):

 

 

 

 

 

ξxx =

v

x

,

ξyy

=

vy

 

, ξzz =

v

z

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ xy =

1

 

vx

+

vy

, ξ yz =

1

 

 

vy

+

vz

 

,

ξxz

=

1

vx

+

vz

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

y

x

2

 

z

y

2

z

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– уравнение состояния, например закон Менделеева – Клайперона (8.6)

p = β1 ρRT ;

– уравнение теплопроводности (8.5) (для теплопроводных жидкостей и газов)

cρ

dT

=

η

T

+

 

η

T

+

η

T

+ q + Φ .

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x

 

y

 

y

 

z

 

z

 

Записанная система содержит семнадцать дифференциальных уравнений и одно нелинейное алгебраическое уравнение для восемнадцати искомых функций: шесть независимых компонент σxx, σyy, σzz, σxy, σyz, и σxz тензора напряжения, шесть независимых компонент ξxx, ξyy, ξzz, ξxy, ξyz, и ξxz тензора скорости деформации, три независимые компоненты vx, vy и vz вектора скорости, неизвестное давление p, неизвестную плотность ρ и неизвестную температуру T. Следовательно, количество уравнений системы соответствует количеству искомых неизвестных.

109

10.1. Уравнения движения жидкости и газа

Записанную систему дифференциальных уравнений целесообразно преобразовать к стандартному виду. Последовательная подстановка компонент тензора напряжения, выраженных через компоненты тензора скорости деформации (7.5), в уравнения движения (8.4) и затем кинематических соотношений между компонентами тензора скорости деформации и вектора скорости (7.4) после ряда математических преобразований приводит к уравнениям Навье52 – Стокса53:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vx

+ v

 

 

 

 

 

vx

 

 

+ v

 

 

 

vx

 

 

+ v

 

vx

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

x x

y y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f

 

 

 

 

1 p

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

2v

 

 

 

 

 

 

2vy

 

 

 

 

 

2v

z

 

 

 

 

2v

 

 

 

2v

 

 

 

2v

 

 

 

x

 

 

 

 

+

 

 

+ ν

 

 

 

 

 

 

 

 

x +

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+ ν

 

 

 

 

 

 

 

x

+

 

 

 

 

x

+

 

 

 

 

 

x

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ ∂x

 

 

ρ

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

xy xz

 

 

 

x

2

 

 

z

2

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vy

+ v

 

 

 

 

 

vy

 

 

+ v

 

 

 

vy

+ v

 

vy

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

x x

 

y y

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f

 

1 p

+

λ

+ ν

 

2v

x

 

+

 

2vy

 

 

+

 

2v

z

 

+ ν

 

2vy

 

+

 

2vy

+

2vy

 

 

, (10.1)

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

ρ ∂y

 

ρ

 

 

 

yx y

 

 

 

 

yz

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vz

+ v

 

 

 

 

 

vz

 

 

+ v

 

 

 

vz

 

 

+ v

 

vz

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

x x

 

 

 

 

 

y y

 

 

 

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f

 

1 p

+

λ + μ

 

2v

x

 

 

 

+

2vy

 

+

2v

z

 

+

μ ∂2v

z

+

2v

z

+

2v

z

 

.

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ ∂z

 

 

 

ρ

 

zx zy

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

x

2

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В итоге получены три дифференциальных уравнения жидкой

(газовой) среды относительно трех компонент vx, vy и vz вектора скорости, давления p и плотности ρ рассматриваемой жидкости или газа.

52Навье Клод Луи Мари Анри (10.02.1785–21.08.1836) – французский механик и инженер, автор работ по строительной механике, сопротивлению материалов, теории упругости, гидравлике и гидромеханике.

53Стокс Джордж Габриель (13.08.1819–01.02.1903) – английский математик, механик, внес значительный вклад в гидро- и газодинамику, оптику и математическую физику. Президент Лондонского королевского общества.

110

Соседние файлы в папке книги