杜哈梅爾相似定理

2021-10-23 21:49:14 字數 3688 閱讀 2468

杜哈梅爾(duhamel)相似定理用於求解不均勻受熱引起的熱應力問題,通過將其轉化為等溫彈性力學問題,進而求解。

根據熱應力基礎概念,正應力方程可整理成以下形式:

\sigma_x=2g\varepsilon_x+\lambda e -\beta t\\[1.5ex] \sigma_y=2g\varepsilon_y+\lambda e -\beta t\\[1.5ex] \sigma_z=2g\varepsilon_y+\lambda e -\beta t \end\tag1

⎩⎪⎪⎪⎨⎪

⎪⎪⎧​

σx​=

2gεx

​+λe

−βtσ

y​=2

gεy​

+λe−

βtσz

​=2g

εy​+

λe−β

t​(1

) 式(1)可以分為以下兩部分:

\sigma_x=\sigma^_x-\beta t\\ \sigma_y=\sigma^_y-\beta t\\ \sigma_z=\sigma^_z-\beta t\\ \end\tag2

⎩⎪⎨⎪⎧​

σx​=

σx′​

−βtσ

y​=σ

y′​−

βtσz

​=σz

′​−β

t​(2

) 其中,σx′

\sigma^_x

σx′​

、σ y′

\sigma^_y

σy′​

、σ z′

\sigma^_z

σz′​

是應變產生的正應力,可整理為:

\sigma^_x=2g\varepsilon_x+\lambda e \\[1.5ex] \sigma^_y=2g\varepsilon_y+\lambda e \\[1.5ex] \sigma^_z=2g\varepsilon_y+\lambda e \end\tag3

⎩⎪⎪⎪⎨⎪

⎪⎪⎧​

σx′​

=2gε

x​+λ

eσy′

​=2g

εy​+

λeσz

′​=2

gεy​

+λe​

(3)

剪應力則保持不變:

\tau_=\tau^_=g\gamma_=\frac e\gamma_\\[1.5ex] \tau_=\tau^_=g\gamma_=\frac e\gamma_\\[1.5ex] \tau_=\tau^_=g\gamma_=\frac e\gamma_ \end\tag4

⎩⎪⎪⎪⎨⎪

⎪⎪⎧​

τxy​

=τxy

′​=g

γxy​

=2(1

+μ)e

​γxy

​τyz

​=τx

y′​=

gγyz

​=2(

1+μ)

e​γy

z​τz

x​=τ

xy′​

=gγz

x​=2

(1+μ

)e​γ

zx​​

(4)

當不計體積力時,即:

∇ p=

[∂σx

∂x+∂

τyx∂

y+∂τ

zx∂z

∂τxy

∂x+σ

τy∂y

+∂τz

y∂z∂

τxz∂

x+∂τ

yz∂y

+∂σz

∂z]=

0(5)

\nabla\mathbf p = \left[\begin \frac}+\frac}+\frac} \\[1.5ex] \frac}+\frac}+\frac} \\[1.5ex] \frac}+\frac}+\frac} \end\right]=\mathbf0 \tag

∇p=⎣⎢⎢

⎢⎡​∂

x∂σx

​​+∂

y∂τy

x​​+

∂z∂τ

zx​​

∂x∂τ

xy​​

+∂yσ

τy​​

+∂z∂

τzy​

​∂x∂

τxz​

​+∂y

∂τyz

​​+∂

z∂σz

​​​⎦

⎥⎥⎥⎤

​=0(

5)將式(3)、式(4)代入式(5) 中,可得:

∇ p=

[∂σx

′∂x+

∂τyx

′∂y+

∂τzx

′∂z−

β∂t∂

x∂τx

y′∂x

+στy

′∂y+

∂τzy

′∂z−

β∂t∂

x∂τx

z′∂x

+∂τy

z′∂y

+∂σz

′∂z−

β∂t∂

x]=0

(6)\nabla\mathbf p = \left[\begin \frac_}+\frac_}+\frac_}-\beta\frac \\[1.5ex] \frac^}+\frac^}+\frac^}-\beta\frac \\[1.5ex] \frac_}+\frac^}+\frac^}-\beta\frac \end\right]=\mathbf0 \tag

∇p=⎣⎢⎢

⎢⎢⎢⎡

​∂x∂

σx′​

​+∂y

∂τyx

′​​+

∂z∂τ

zx′​

​−β∂

x∂t​

∂x∂τ

xy′​

​+∂y

στy′

​​+∂

z∂τz

y′​​

−β∂x

∂t​∂

x∂τx

z′​​

+∂y∂

τyz′

​​+∂

z∂σz

′​​−

β∂x∂

t​​⎦

⎥⎥⎥⎥

⎥⎤​=

0(6)

除了必須滿足微分平衡方程外,也需要滿足邊界條件。當忽略表面力(即表面力為零)時:

\beta t l=\sigma^_l+\tau^_m+\tau^_n \\[1.5ex] \beta t m=\sigma^_m+\tau^_n+\tau^_l \\[1.5ex] \beta t n=\sigma^_n+\tau^_l+\tau^_m \end \tag

⎩⎪⎪⎪⎨⎪

⎪⎪⎧​

βtl=

σx′​

l+τy

x′​m

+τzx

′​nβ

tm=σ

y′​m

+τyx

′​n+

τzx′

​lβt

n=σz

′​n+

τyx′

​l+τ

zx′​

m​(7

) 其中,l、m、n 分別為邊界表面在x、y、z方向的法向余弦。通過上式,我們不難看出:

通過以上步驟即可得出物體不均勻受熱引起的熱應力。

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