一角点支撑另一对边固支正交各向异性矩形薄板弯曲的辛叠加解
Symplectic Superposition Solution for the Bending of a Corner Point-Supported and the Other Opposite Edge Clamped Orthotropic Rectangular Thin Plate
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收稿日期: 2020-05-14
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Received: 2020-05-14
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作者简介 About authors
寇天娇,E-mail:
阿拉坦仓,E-mail:
The bending problem of a uniformly loaded orthotropic rectangular thin plate with a corner point-supported and the other opposite edge clamped is studied. First, we divide the bending problem into two sub-problems with two opposite edges slidingly clamped and another sub-problem with one edge slidingly clamped and its opposite edge simply supported. Then we obtain the eigenvalues and eigenfunctions of the Hamiltonian operator corresponding to the three sub-problems, respectively. Then the solutions of the above three sub-problems are solved by the method of symplectic eigenfunction expansion respectively. Finally, we obtain the symplectic superposition solution of the original bending problem by superposition of the solutions of the three sub-problems. In addition, we calculate the deflection and bending moment values at some points of the bending problems of isotropic rectangular plate and orthotropic rectangular plate by using the symplectic superposition solution obtained in this paper.
Keywords:
本文引用格式
寇天娇, 阿拉坦仓.
Kou Tianjiao, Eburilitu , Alatancang .
1 引言
辛叠加方法已解决了大量不同边界条件下各向同性板和一些正交各向异性矩形薄板的弯曲[10-11]与振动[12-13]问题的解析求解, 同时也解决了若干壳体的问题[14-16]等. 但是到目前为止我们未见到应用辛叠加法研究角点支撑的正交各向异性矩形薄板弯曲问题的相关结论, 因此本文应用辛叠加法研究了均匀荷载下一角点支撑另一对边固支正交各向异性矩形薄板弯曲问题. 首先, 根据边界条件将原问题分解为三个子问题, 其中两个子问题为对边滑支问题, 另外一个子问题为一边滑支对边简支子问题. 然后应用辛本征函数展开法分别得到上述三个子问题所对应的Hamilton正则方程的通解, 进而得到这三个子问题挠度形式的解, 再将以上三个子问题挠度形式的解进行叠加, 求出均匀荷载下一角点支撑另一对边固支正交各向异性矩形薄板弯曲问题的辛叠加解. 最后我们应用所得辛叠加解分别计算了各向同性和正交各向异性矩形薄板一些点处的挠度值与弯矩值, 特别将各向同性方形板的计算数值与已有文献[10] 的数值结果进行比较, 验证了本文所得辛叠加解的正确性.
2 Hamilton正则方程
考虑正交各向异性矩形薄板的基本方程
定义区域为
板内弯矩
令
其中
直接计算可以验证算子矩阵
3 本征值和本征函数
为了求解方程(2.5), 我们首先求解对应的齐次方程
利用分离变量法求解方程(3.1), 令
将(3.2)式代入方程(3.1)可得
由上式可得
其中
其中
令
其中
本文研究的均匀荷载下一角点支撑另一对边固支正交各向异性矩形薄板弯曲问题通过边界条件的分析可分解为三个子问题, 其中两个子问题为对边滑支问题, 另外一个子问题为一边滑支对边简支子问题, 以下分别研究这两类子问题对应的本征值和本征函数.
3.1 对边滑支矩形薄板所对应本征值和本征函数
对边滑支的边界条件为
将(3.7)式代入(3.9)式中得到
其中
其中
3.1.1 零本征值的情形
当
根据
3.1.2 非零本征值为重根的情形
当
由(3.4)式可得
根据
通过计算, 我们还可得到
和
3.1.3 非零本征值为单根的情形
当
对应的本征函数系为
其中
3.2 一边滑支对边简支矩形薄板所对应本征值和本征函数
一边滑支对边简支的边界条件为
仿照对边滑支情形的计算过程, 由(3.15)式计算可得
其中
其中
3.2.1 非零本征值为重根的情形
当
由(3.4)式可得
和
通过计算, 我们还可得到
和
3.2.2 非零本征值为单根的情形
当
对应的本征函数系为
其中
3.3 辛正交性与完备性
设空间
4 子问题的解析解
图 1
为了研究均匀荷载作用下一角点支撑另一对边固支的正交各向异性矩形薄板弯曲问题, 我们考虑如下三个子问题[10]:
(ⅰ) 一边简支三边滑支正交各向异性矩形薄板分别受到均匀荷载以及在点
(ⅱ) 在
(ⅲ) 在
将上述三个子问题的解进行叠加后可得到均匀荷载作用下一角点支撑另一对边固支的正交各向异性矩形薄板弯曲问题的辛叠加解.
4.1 非零本征值为重根情形下的辛叠加解
当
根据本征函数系的辛正交性, 可得系数
根据本征函数系的完备性, 我们假设在边界条件(3.9)和(3.15)下Hamilton正则方程(2.5)的解为
取
其中
将(4.7)式代入边界条件(4.1)中, 得到子问题(ⅰ)的解
类似可得到子问题(ⅱ)的通解
还可得子问题(ⅲ)的通解
其中
在边
以及
在边
以及
在边
在边
在点
通过求解方程组(4.11)–(4.17), 可得到对应的系数
4.2 非零本征值为单根情形下的辛叠加解
非零本征值为单根时的求解过程类似于非零本征值为重根时的计算过程, 可得子问题(ⅰ), (ⅱ)和(ⅲ)的解分别为:
类似于本征值为重根的求解过程, 我们得到在不同边界条件下的七个无穷方程, 通过计算这七个无穷方程解出对应的系数, 再将这些系数分别代入解(4.19)–(4.21)中得到本征值为单根情形下一角点支撑另一对边固支的正交各向异性矩形薄板弯曲问题的辛叠加解
5 算例
这里我们分别计算了均匀荷载下一角点支撑另一对边固支各向同性矩形薄板和正交各向异性矩形薄板一些点处的挠度值与弯矩值.
例1 计算在均匀荷载下一角点支撑另一对边固支各向同性矩形薄板的挠度与弯矩值, 此时原矩形薄板方程(2.1)中的对应参数取为
其中泊松比
表 1 均匀荷载下一角点支撑另一对边固支各向同性矩形薄板的挠度和弯矩
present | 0.02943 | 0.02436 | 0.01842 | 0.01115 | 0.002789 | ||
Ref.[10] | 0.02949 | 0.02442 | 0.01847 | 0.01118 | 0.002783 | ||
present | -0.01137 | -0.008667 | 0.002233 | 0.01683 | 0.03146 | ||
Ref.[10] | -0.01161 | -0.008872 | 0.002031 | 0.01663 | 0.03130 | ||
present | 0.05251 | 0.04247 | 0.03168 | 0.01956 | 0.006469 | ||
present | 0.01263 | 0.013099 | 0.022244 | 0.03556 | 0.05058 | ||
present | 0.08433 | 0.06754 | 0.05032 | 0.03202 | 0.013093 | ||
present | 0.04384 | 0.041989 | 0.048879 | 0.06048 | 0.07534 | ||
present | 0.12619 | 0.10093 | 0.07574 | 0.04992 | 0.023990 | ||
present | 0.08095 | 0.076966 | 0.081643 | 0.09153 | 0.10597 | ||
present | 0.17962 | 0.14421 | 0.10954 | 0.07485 | 0.040737 | ||
present | 0.12328 | 0.117456 | 0.120189 | 0.12860 | 0.14255 |
例2 计算了一角点支撑另一对边固支的正交各向异性矩形薄板的挠度与弯矩值, 取原矩形薄板方程(2.1)中的对应参数分别为
应用辛叠加解(4.22)的前30项计算了一些点处的挠度与弯矩值, 具体结果列于表 2.
表 2 均匀荷载下一角点支撑另一对边固支正交各向异性矩形薄板的挠度和弯矩
present | 4.50209 | 4.33322 | 3.83644 | 2.59816 | 0.53881 | ||
present | -0.269027 | -0.247932 | -0.206159 | -0.101362 | 0.121649 | ||
present | 9.67375 | 8.79869 | 7.35414 | 4.77077 | 1.11120 | ||
present | -0.382724 | -0.341621 | -0.264498 | -0.106729 | 0.173482 | ||
present | 18.21916 | 15.81380 | 12.62913 | 7.97018 | 2.02218 | ||
present | -0.499650 | -0.437193 | -0.320878 | -0.104608 | 0.231455 | ||
present | 31.03660 | 26.01927 | 20.08335 | 12.44326 | 3.35009 | ||
present | -0.612517 | -0.528390 | -0.372671 | -0.096795 | 0.293216 | ||
present | 48.96215 | 40.04606 | 30.15277 | 18.44113 | 5.16290 | ||
present | -0.716491 | -0.609928 | -0.416522 | -0.084249 | 0.356611 |
6 结论
本文利用辛叠加方法推导出了均匀荷载下一角点支撑另一对边固支的正交各向异性矩形薄板弯曲问题的解析解. 由于在求解辛叠加解的过程中, 子问题(ⅱ)和(ⅲ)的通解中均含有四组无穷多个待定常数, 而这些待定常数分别由对应另外两边的边界条件所确定. 因此应用辛叠加方法还可以研究正交各向异性矩形薄板更为复杂边界条件下的弯曲以及振动问题, 同时该方法也可以研究任意荷载下正交各向异性矩形薄板的弯曲以及振动问题.
参考文献
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基于谱方法的矩形薄板自由振动分析
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Buckling analysis of rectangular functionally graded plates under various edge conditions using Fourier series expansion
各向异性板半无限裂纹平面问题的保角变换解法
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分离变量法与哈密尔顿体系
Method of separation of variables and Hamiltonian system
Symplectic system based analytical solution for bending of rectangular orthotropic plates on Winkler elastic foundation
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Accurate bending analysis of rectangular plates with two adjacent edges free and the others clamped or simply supported based on new symplectic approach
DOI:10.1016/j.apm.2009.07.003 [本文引用: 1]
New analytic bending solutions of rectangular thin plates with a corner point-supported and its adjacent corner free
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四边固支正交各向异性矩形薄板弯曲问题的辛叠加方法
Analytical bending solutions of clamped orthotropic rectangular thin plates with the symplectic superposition method
On new analytic free vibration solutions of rectangular thin cantilever plates in the symplectic space
DOI:10.1016/j.apm.2017.09.011 [本文引用: 1]
New analytic free vibration solutions of orthotropic rectangular plates by a novel symplectic approach
DOI:10.1007/s00707-019-02448-1 [本文引用: 1]
On new analytic free vibration solutions of doubly curved shallow shells by the symplectic superposition method within the Hamiltonian-system framework
Hamiltonian system-based new analytic free vibration solutions of cylindrical shell panels
Symplectic superposition method-based new analytic bending solutions of cylindrical shell panels
DOI:10.1016/j.ijmecsci.2019.01.012 [本文引用: 1]
Winkler地基上四边自由正交各向异性矩形薄板弯曲问题的辛叠加解
Symplectic superposition solution for the bending problem of a free orthotropic rectangular thin plate on Winkler foundation
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