handout 03

6
7/26/2019 Handout 03 http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 1/6 σ yy  y dy v+  y + σ yy v v dy  +  y v dy  x yy σ dx dy dz  z  y yz σ σ yz yz ε dy dx dz

Upload: sandra-baltic

Post on 01-Mar-2018

224 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Handout 03

7/26/2019 Handout 03

http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 1/6

H a n d o u t 3  

I m p e r i a l C o l l e g e o f S c i e n c e , T e c h n o l o g y & M e d i c i n e

D e p a r t m e n t o f A e r o n a u t i c s

T h i r d Y e a r  

E n e r g y M e t h o d s

2 . 4 P r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k  

I n t h i s s e c t i o n w e w i l l d e r i v e t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k f o r a 3 D c a s e . W e w i l l p r o v e

t h a t f o r t h e c o m p a t i b i l i t y e q u a t i o n ( 2 . 1 1 ) t h e r e s u l t i n g g o v e r n i n g e q u a t i o n s a r e e q u i v a l e n t

t o t h e d i e r e n t i a l e q u a t i o n ( 2 . 5 ) a n d t h e f o r c e b o u n d a r y c o n d i t i o n ( 2 . 6 ) .

2 . 4 . 1 V i r t u a l w o r k o f t h e i n t e r n a l f o r c e s

L e t u s r s t a n a l y s e t h e c a s e s o f u n i a x i a l s t r a i n i n g a n d p u r e s h e a r o f a d i e r e n t i a l v o l u m e .

σyy

 ydy

v+ y

+σyy

vv dy +

 yv

dy x

yyσ

dx

dy

dz  z

 y

yzσ

σyz

yzε

dy

dx

dz

F o r t h e c a s e o f u n i a x i a l s t r a i n i n g , t h e w o r k o f t h e i n t e r n a l f o r c e

 

 

y y

@  

y y

@ y

d y 

d x d z  

a c t i n g o n t h e d i e r e n t i a l v o l u m e o v e r t h e c o r r e s p o n d i n g v i r t u a l d i s p l a c e m e n t

@  v

@ y

d y  i s

d V 

i

 

 

y y

@  

y y

@ y 

d y 

 

d x d z  

@   v 

@ y 

d y  =   

y y

@   v 

@ y 

d x d z d y   =   

y y

 

y y

d V

w h e r e  

y y

@  v

@ y

f o l l o w s f r o m t h e c o m p a t i b i l i t y e q u a t i o n ( 2 . 1 1 ) a p p l i e d t o v i r t u a l d i s p l a c e -

m e n t s a n d v i r t u a l s t r a i n s . F o r t h e c a s e o f p u r e s h e a r , a s i m i l a r r e s u l t e n d s u p i n  

{ 2 1 {  

Page 2: Handout 03

7/26/2019 Handout 03

http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 2/6

d V 

i

=   

y z

d x d y    

y z

d z  =   

y z

 

y z

d V

s o t h a t f o r a g e n e r a l s t r e s s - s t r a i n s t a t e w e m a y d e d u c e t h e f o l l o w i n g i n t e r n a l v i r t u a l w o r k  

i

(  

x x 

 

x x 

+   

y y

 

y y

+   

z z

 

z z

+   

x y

 

x y

+   

y z

 

y z

+   

z x 

 

z x 

) d V  = 

 

 

t

  d V ( 2  2 3 )

2 . 4 . 2 V i r t u a l w o r k o f t h e a p p l i e d l o a d s

A s s u m i n g a v i r t u a l d i s p l a c e m e n t v e c t o r e l d  

 

u  w e m a y d e d u c e t h e v i r t u a l w o r k d o n e b y  

t h e d i s t r i b u t e d v o l u m e a n d s u r f a c e l o a d s f r o m t h e f o l l o w i n g g u r e .

 x

s PdS 

S u y

u

u   S p

 z

v P

dV 

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e v i r t u a l d i s p l a c e m e n t s m u s t b e k i n e m a t i c a l l y a d m i s s i b l e  , t h e r e -

f o r e n o v i r t u a l d i s p l a c e m e n t s m a y e x i s t o n t h e p a r t o f t h e s u r f a c e w i t h p r e s c r i b e d d i s -

p l a c e m e n t s S 

. B y d e n i t i o n , a w o r k d i e r e n t i a l i s a s c a l a r p r o d u c t b e t w e e n a f o r c e a n d  

a d i s p l a c e m e n t d i e r e n t i a l , t h e r e f o r e t h e w o r k d o n e b y t h e d i s t r i b u t e d v o l u m e l o a d i n g   P 

v

o n t h e v i r t u a l ( i . e . d i e r e n t i a l ) d i s p l a c e m e n t ( o v e r d V  ) m a y b e s t a t e d a s d V 

e

 

u  P 

v

d V  = 

 

t

v

d V  a n d t h e w o r k d o n e b y t h e d i s t r i b u t e d s u r f a c e l o a d i n g   P 

s

o v e r t h e v i r t u a l d i s -

p l a c e m e n t o f t h e d i e r e n t i a l a r e a o f s u r f a c e d S  i s d V 

e

 

t

s

d S  . T h e t o t a l e x t e r n a l

v i r t u a l w o r k i s t h e n  

e

 

t

v

d V  + 

p

 

t

s

d S ( 2  2 4 )

{ 2 2 {  

Page 3: Handout 03

7/26/2019 Handout 03

http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 3/6

2 . 4 . 3 P r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k a n d d i e r e n t i a l e q u i l i b r i u m e q u a t i o n s

T h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k   V 

i

;  V 

e

= 0 f o l l o w s f r o m ( 2 . 2 3 ) a n d ( 2 . 2 4 ) a s

i

;  V 

e

 

 

 

t

  d V  ; 

 

t

v

d V  ; 

p

 

t

s

d S  = 0  ( 2  2 5 )

I n S e c t i o n 1 . 3 w e c l a i m e d t h a t t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k i s e q u i v a l e n t t o t h e e q u i l i b r i u m  

e q u a t i o n s o f t h e p r o b l e m f o r t h e k n o w n c o m p a t i b i l i t y a n d c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n s . W e w i l l

n o w n o t o n l y p r o v e t h i s c l a i m f o r t h e c u r r e n t g e n e r a l 3 D d e f o r m a t i o n s t a t e , b u t a l s o s h o w  

t h a t i n o r d e r t o d o s o w e i n f a c t n e e d   o n l y   t h e c o m p a t i b i l i t y e q u a t i o n s ( t h e c o n s t i t u t i v e

e q u a t i o n s , h o w e v e r , a r e s t i l l n e e d e d t o f u l l y d e n e t h e p r o b l e m ) . W e w i l l n e e d t h e f o l l o w i n g  

t w o i m p o r t a n t t r a n s f o r m a t i o n s i n t h e p r o c e s s :

1 ) S u b s t i t u t i n g ( 2 . 1 1 ) i n t o t h e i n t e g r a n d o f t h e i n t e r n a l v i r t u a l w o r k w e o b t a i n  

 

 

t

  = 

;

t

 

t

  = 

;

 

t

  ( 2  2 6 )

w h e r e t h e t e r m w i t h i n t h e p a r e n t h e s e s i s ( n o t e t h a t D  i s g i v e n i n ( 2 . 4 ) )

h  u   v   w  i

6

@ x 

0 0 

@ y

@ z

@ y

@ x 

@ z

0 0 

@ z

@ y

@ x 

3

7

5

=  h

@   u 

@ x 

@   v 

@ y 

@   w 

@ z 

@   u 

@ y 

@   v 

@ x 

@   v 

@ z 

@   w 

@ y 

@   u 

@ z 

@   w 

@ x 

i

N o t i n g    

t

=  h  

x x 

 

y y

 

z z

 

x y

 

y z

 

z x 

i , t h e i n t e g r a n d ( 2 . 2 6 ) c a n n o w b e w r i t t e n a s

 

 

t

  = 

@   u 

@ x 

 

x x 

@   v 

@ y 

 

y y

@   w 

@ z 

 

z z

 

@   u 

@ y 

@   v 

@ x 

 

 

x y

 

@   w 

@ y 

@   v 

@ z 

 

 

y z

 

@   w 

@ x 

@   u 

@ z 

 

 

z x 

@ x 

(  u  

x x 

+  v  

x y

+  w  

z x 

) + 

@ y 

(  u  

x y

+  v  

y y

+  w  

y z

) + 

@ z 

(  u  

z x 

+  v  

y z

+  w  

z z

)

{ 2 3 {  

Page 4: Handout 03

7/26/2019 Handout 03

http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 4/6

;   u 

 

@  

x x 

@ x 

@  

x y

@ y 

@  

z x 

@ z 

 

;   v 

 

@  

x y

@ x 

@  

y y

@ y 

@  

y z

@ z 

 

;   w 

 

@  

z x 

@ x 

@  

y z

@ y 

@  

z z

@ z 

 

=  h

@ x 

@ y 

@ z 

i

B

B

B

B

B

 u  0 0  v  0  w 

0  v  0  u   w  0 

0 0  w  0  v   u 

3

5

 

x x 

 

y y

 

z z

 

x y

 

y z

 

z x 

 

; h  u   v   w  i

B

B

B

B

B

6

@ x 

0 0 

@ y

@ z

@ y

@ x 

@ z

0 0 

@ z

@ y

@ x 

3

7

5

 

x x 

 

y y

 

z z

 

x y

 

y z

 

z x 

 

I n t r o d u c i n g n o t a t i o n   D 

 u  0 0  v  0  w 

0  v  0  u   w  0 

0 0  w  0  v   u 

3

5

, ( 2 . 2 6 ) t h u s t u r n s o u t t o b e

 

 

t

  = d i v ( D 

  ) ; 

 

t

( D   ) ( 2  2 7 )

a n d t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k ( 2 . 2 5 ) b e c o m e s

i

;  V 

e

 

d i v ( D 

  ) d V  ; 

 

t

( D   +  P 

v

) d V  ; 

p

 

t

s

d S  = 0  ( 2  2 8 )

2 ) F o r a n y c o n t i n u o u s v e c t o r e l d   a  w i t h c o n t i n u o u s p a r t i a l d e r i v a t i v e s d e n e d o n a  

3 D d o m a i n   V  w i t h i n a c l o s e d s u r f a c e S  w i t h o u t w a r d n o r m a l n  , t h e f o l l o w i n g G a u s s ' s

d i v e r g e n c e t h e o r e m   i s v a l i d :

d i v  a  d V  = 

n  a  d S ( 2  2 9 )

T h e r s t t e r m i n ( 2 . 2 8 ) c a n b e t r a n s f o r m e d u s i n g t h e d i v e r g e n c e t h e o r e m a s

d i v ( D 

  ) d V  = 

p

  S 

u

n  ( D 

  ) d S  = 

p

t

  d S  + 

u

t

  d S 

| { z }  

= 0

( 2  3 0 )

{ 2 4 {  

Page 5: Handout 03

7/26/2019 Handout 03

http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 5/6

w h e r e

u

t

  d S  v a n i s h e s i d e n t i c a l l y   d u e t o t h e k i n e m a t i c a l a d m i s s i b i l i t y o f v i r t u a l

d i s p l a c e m e n t s : o n   S 

t h e d i s p l a c e m e n t s a r e p r e s c r i b e d   , h e n c e t h e v i r t u a l d i s p l a c e m e n t s

w i t h i n   D 

o n  S 

a r e a l l z e r o . S u b s t i t u t i n g   n 

t

 

t

i n t o e q u a t i o n ( 2 . 3 0 ) t h e n y i e l d s

d i v ( D 

  ) d V  = 

p

 

t

  d S  a n d t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k ( 2 . 2 8 ) n a l l y b e c o m e s

i

;  V 

e

 

t

( D   +  P 

v

) d V  + 

p

 

t

( D 

  ;  P 

s

) d S  = 0  ( 2  3 1 )

S i n c e t h i s r e s u l t m u s t b e v a l i d f o r a r b i t r a r y   v i r t u a l d i s p l a c e m e n t s

 

u  , t h e f o l l o w i n g d i e r -

e n t i a l e q u i l i b r i u m e q u a t i o n a n d t h e s u r f a c e - l o a d b o u n d a r y c o n d i t i o n a r e o b t a i n e d  

D   +  P 

v

=  0  o n  V  ( 2  3 2 )

  ;  P 

s

=  0  o n  S 

p

( 2  3 3 )

t h u s p r o v i n g t h a t f o r t h e c o m p a t i b i l i t y e q u a t i o n s ( 2 . 1 1 ) t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k y i e l d s

t h e d i e r e n t i a l e q u a t i o n o f e q u i l i b r i u m ( 2 . 5 ) a n d t h e f o r c e b o u n d a r y c o n d i t i o n ( 2 . 6 ) .

2 . 5 P r i n c i p l e o f s t a t i o n a r y t o t a l p o t e n t i a l e n e r g y  

T h e s a m e r e s u l t c a n a l s o b e o b t a i n e d f r o m t h e p r i n c i p l e o f s t a t i o n a r y t o t a l p o t e n t i a l

e n e r g y . T h e t o t a l p o t e n t i a l e n e r g y f o r t h e p r o b l e m i s

=    ;  U  =    ; 

t

v

d V  ; 

p

t

s

d S

w h e r e f o r a l i n e a r e l a s t i c m a t e r i a l   =    , w i t h     g i v e n i n ( 2 . 2 2 ) , a n d     = 

1

2

 

t

  d V  = 

1

2

 

t

  d V  , t h u s g i v i n g  

{ 2 5 {  

Page 6: Handout 03

7/26/2019 Handout 03

http://slidepdf.com/reader/full/handout-03 6/6

 

 

t

  ;  u 

t

v

 

d V  ; 

p

t

s

d S ( 2  3 4 )

V a r y i n g t h e t o t a l p o t e n t i a l e n e r g y ( 2 . 3 4 ) a n d e m p l o y i n g t h e c o n d i t i o n o f s t a t i o n a r i t y y i e l d s

     

;

   

t

  ;    u 

t

v

d V  ; 

p

  u 

t

s

d S  = 0  ( 2  3 5 )

T h i s e q u a t i o n m a y b e d e a l t w i t h i n t h e s a m e w a y a s ( 2 . 2 5 ) , p r o v i d e d v i r t u a l d i s p l a c e m e n t s

 

u  a n d v i r t u a l s t r a i n s

 

  i n ( 2 . 2 5 ) a n d ( 2 . 2 7 ) a r e s u b s t i t u t e d w i t h t h e v a r i a t i o n s o f t h e

d i s p l a c e m e n t s a n d s t r a i n s   u  a n d      . I n t h i s w a y ( 2 . 3 5 ) t r a n s f o r m s i n t o  

     

d i v ( D 

  ) d V  ; 

  u 

t

( D   +  P 

v

) d V  ; 

p

  u 

t

s

d S  = 0 ( 2  3 6 )

w i t h   D 

u  0 0  v  0  w 

0  v  0  u w   0 

0 0  w  0  v u  

3

5

. A p p l y i n g t h e d i v e r g e n c e t h e o r e m ( 2 . 2 9 ) t o  

( 2 . 3 6 ) , a n d b e a r i n g i n m i n d t h a t t h e d i s p l a c e m e n t s c a n n o t b e v a r i e d o n t h e p a r t S 

o f t h e

s u r f a c e w i t h p r e s c r i b e d d i s p l a c e m e n t s , n a l l y p r o d u c e s

    ; 

  u 

t

( D   +  P 

v

) d V  + 

p

  u 

t

( D 

  ;  P 

s

) d S  = 0  ( 2  3 7 )

w h i c h i s e q u i v a l e n t t o ( 2 . 3 1 ) o b t a i n e d u s i n g t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k . E q u a t i o n ( 2 . 3 7 )

m u s t b e s a t i s e d f o r a r b i t r a r y   v a r i a t i o n s   u  o f t h e d i s p l a c e m e n t s , r e s u l t i n g i n  

D   +  P 

v

=  0  o n  V  a n d  D 

  ;  P 

s

=  0  o n  S 

p

( 2  3 8 )

a n d t h u s r e s t o r i n g t h e d i e r e n t i a l e q u a t i o n ( 2 . 5 ) a n d t h e n a t u r a l b o u n d a r y c o n d i t i o n ( 2 . 6 )

i n t h e s a m e w a y a s i n ( 2 . 3 1 ) - ( 2 . 3 3 ) u s i n g t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l w o r k .

{ 2 6 {