すっごく丁寧に剪断力と曲げmomentの関係式を求める
曲げmomentと剪断力の関係式
https://kakeru.app/3dcdce31c87bf84ce0a3c9368acf296e https://i.kakeru.app/3dcdce31c87bf84ce0a3c9368acf296e.svg
記号の定義
$ Tはy軸に垂直な面
$ Sはx軸に垂直な面
$ Oは回転支点
O点まわりの力のmomentの釣合いと力の釣合いを立てる
$ \begin{dcases}H=\color{red}{\iint_S\sigma_{xx}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z}\\V=\textcolor{orange}{\iint_Tq_o\mathrm{d}z\mathrm{d}x}+\color{skyblue}{\iint_S\sigma_{xy}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z}\\0=\iint_S(a\sigma_{xy}(y,z)-y\sigma_{xx}(y,z))\mathrm{d}y\mathrm{d}z+\color{orange}{\iint_Txq_0\mathrm{d}z\mathrm{d}x}\end{dcases}
$ S上でxは$ x=aという定数のみしかとれないので、予め$ aを代入しておく
色分けは図の色と対応している
軸力$ N:=\color{red}{\iint_S\sigma_{xx}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z}、剪断力$ Q:=\color{skyblue}{\iint_S\sigma_{xy}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z}、曲げmoment$ M:=\iint_Sy\sigma_{xx}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z、を使うと、
$ \iff\begin{dcases}H=N\\V=q_0ab+Q\\0=\iint_Sa\sigma_{xy}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z-M+\frac{1}{2}q_0a^2b\end{dcases}
$ \iff\begin{dcases}H=N\\V=q_0ab+Q\\0=a{\color{skyblue}{\iint_S\sigma_{xy}(y,z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z}}-M+\frac{1}{2}q_0a^2b\end{dcases}
$ \iff\begin{dcases}H=N\\V=q_0ab+Q\\0=aQ-M+\frac{1}{2}q_0a^2b\end{dcases}
ここから$ Mと$ Qの関係だけ取り出す
$ \implies \mathrm{d}M=(Q+bq_0a)\mathrm{d}a
あれ?$ \mathrm{d}M=Q\mathrm{d}aになるはずなんだけど……?takker.icon
数式だけだとこんがらがってくる
図を追加しよう
あと応力tensorの成分の従属変数を明示すべき
$ \sigma_{xy}は何に依存している?
2025-06-26 08:54:30 連続体の力の釣り合い式から出発すればいけそう
$ \bm\sigma\cdot\overleftarrow{\bm\nabla}+\bm b=\bm 0
$ \implies\bm r\bm\sigma\cdot\overleftarrow{\bm\nabla}+\bm r\bm b=\bm 0
$ \implies(\bm r\bm\sigma)\cdot\overleftarrow{\bm\nabla}-\bm r\overleftarrow{\bm\nabla}:\bm\sigma+\bm r\bm b=\bm 0
$ \iff(\bm r\bm\sigma)\cdot\overleftarrow{\bm\nabla}-\bm\sigma+\bm r\bm b=\bm 0
$ \because\bm r\overleftarrow{\bm\nabla}=\bm I
$ \implies\int_{\partial B}\bm r\bm\sigma\cdot\mathrm d\bm a-\int_B\bm\sigma\mathrm dv+\int_B\bm r\bm b\mathrm dv=\bm 0
$ \implies\int_{\partial B}\bm r\times\bm\sigma\cdot\mathrm d\bm a+0+\int_B\bm r\times\bm b\mathrm dv=\bm 0
ここからz方向成分だけ見ると
$ \int_{\partial B}(x\sigma_{yx}\mathrm da_x+x\sigma_{yy}\mathrm da_y+x\sigma_{yz}\mathrm da_z-y\sigma_{xx}\mathrm da_x-y\sigma_{xy}\mathrm da_y-y\sigma_{xz}\mathrm da_z)+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
$ Bを断面$ A_1,A_2と周面$ Sに分ける
$ A_1,A_2で$ \mathrm da_y=\mathrm da_z=0
$ Sで$ \mathrm da_x=0
$ \int_{A_1\cup A_2}(x\sigma_{yx}\mathrm da_x-y\sigma_{xx}\mathrm da_x)+\int_{S}(x\sigma_{yy}\mathrm da_y+x\sigma_{yz}\mathrm da_z-y\sigma_{xy}\mathrm da_y-y\sigma_{xz}\mathrm da_z)+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
周面$ Sでは剪断応力0とする
$ \int_{A_1\cup A_2}(x\sigma_{yx}\mathrm da_x-y\sigma_{xx}\mathrm da_x)+\int_{S}x\sigma_{yy}\mathrm da_y+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
断面形状不変の仮定より
$ \int_{A_1\cup A_2}(x\sigma_{yx}\mathrm da_x-y\sigma_{xx}\mathrm da_x)+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
$ A_1の位置を$ x_0、$ A_2の位置を$ x、$ x_0\le xとする
$ \int_{A_1\cup A_2}x\sigma_{yx}\mathrm da_x-M(x)+M(x_0)+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
$ \iff x_0\int_{A_1}\sigma_{yx}\mathrm da_x+x\int_{A_2}\sigma_{yx}\mathrm da_x-M(x)+M(x_0)+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
$ \mathrm da_x=\mathrm dy\mathrm dzは$ xと無関係
$ A_1にて$ x=x_0、$ A_2にて$ x=x
$ \iff (xQ(x)-x_0Q(x_0))-M(x)+M(x_0)+\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
$ \implies Q(x)+xQ'(x)-M'(x)+\frac{\partial}{\partial x}\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=0
$ \iff M'(x)=Q(x)+xQ'(x)+\frac{\partial}{\partial x}\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv
$ xQ'(x)+\frac{\partial}{\partial x}\int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dvが消えてくれるといいのだがtakker.icon
$ \int_{\partial B}\bm\sigma\cdot\mathrm d\bm a+\int_B\bm b\mathrm dv=\bm 0
$ \implies\int_{A_1\cup A_1}\sigma_{yx}\mathrm da_x+\int_{S}(\sigma_{yy}\mathrm da_y+\sigma_{yz}\mathrm da_z)+\int_Bb_y\mathrm dv=0
$ \iff\int_{A_1\cup A_1}\sigma_{yx}\mathrm da_x+\int_Bb_y\mathrm dv=0
$ \implies Q'(x)+\frac{\partial}{\partial x}\int_Bb_y\mathrm dv=0
$ \iff Q'(x)+p_y(x)=0
同様に$ N'(x)+\frac{\partial}{\partial x}\int_Bb_x\mathrm dv=0
$ \iff N'(x)+p_x(x)=0
$ \int_B(xb_y-yb_x)\mathrm dv=\int_{x_0}^x\int_{A(x)}(xb_y-yb_x)\mathrm da_x\mathrm dx
$ =\int_{x_0}^x\int_{A(x)}(xb_y-yb_x)\mathrm da_x\mathrm dx
$ =\int_{x_0}^xx\int_{A(x)}b_y\mathrm da_x\mathrm dx-\int_{x_0}^x\int_{A(x)}yb_x\mathrm da_x\mathrm dx
$ =\int_{x_0}^xsp_y(s)\mathrm ds-\int_{x_0}^x\int_{A(x)}yb_x\mathrm da_x\mathrm dx
$ \therefore M'(x)=Q(x)+xQ'(x)+xp_y(x)-\int_{A(x)}yb_x\mathrm da_x
$ = Q(x)-\int_{A(x)}yb_x\mathrm da_x
$ -\int_{A(x)}yb_x\mathrm da_xが消せないのか?takker.icon
#2025-06-26 08:54:21
#2023-04-14 14:06:02
#2022-01-21 10:02:23
#2021-04-27 14:19:02