薄肉閉断面部材のSaint-Venantのねじり
記号は変更してある
https://kakeru.app/cec15119684d6023ab032f489e53a157 https://i.kakeru.app/cec15119684d6023ab032f489e53a157.svg
図のように直交座標系$ x,y,zと円筒座標計$ x,r,\thetaを用意する
仮定
軸方向変形なし
$ u_x=\rm const.
$ \pmb\varepsilon-\pmb\varepsilon\cdot\pmb e_x\pmb e_x-\pmb e_x\pmb e_x\cdot\pmb\varepsilon+\pmb e_x\pmb e_x\cdot\pmb\varepsilon\cdot\pmb e_x\pmb e_x=\pmb 0
妙に式が長くなっているが、ようは$ xを含まない成分が全て0になることを表しているだけ
$ (\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)\cdot\pmb\varepsilon\cdot(\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)=\pmb0とも書ける
$ \because\pmb\varepsilon-\pmb\varepsilon\cdot\pmb e_x\pmb e_x-\pmb e_x\pmb e_x\cdot\pmb\varepsilon+\pmb e_x\pmb e_x\cdot\pmb\varepsilon\cdot\pmb e_x\pmb e_x=\pmb\varepsilon\cdot(\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)-\pmb e_x\pmb e_x\cdot\pmb\varepsilon\cdot(\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)
$ =(\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)\cdot\pmb\varepsilon\cdot(\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)
$ \begin{pmatrix}\varepsilon_{xx}&\varepsilon_{xr}&\varepsilon_{x\theta}\\\varepsilon_{rx}&\varepsilon_{rr}&\varepsilon_{r\theta}\\\varepsilon_{\theta x}&\varepsilon_{\theta r}&\varepsilon_{\theta\theta}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac{\partial u_x}{\partial x}&\frac12\left(\frac{\partial u_r}{\partial x}+\frac{\partial u_x}{\partial r}\right)&\frac12\left(\frac{\partial u_\theta}{\partial x}+\frac1r\frac{\partial u_x}{\partial\theta}\right)\\\varepsilon_{rx}&\frac{\partial u_r}{\partial r}&\frac12\left(\frac{\partial u_\theta}{\partial r}-\frac{u_\theta}{r}+\frac1r\frac{\partial u_r}{\partial\theta}\right)\\\varepsilon_{\theta x}&\varepsilon_{\theta r}&\frac{u_r}{r}+\frac1r\frac{\partial u_\theta}{\partial\theta}\end{pmatrix}
これに$ u_x=\rm const.を入れる
$ \begin{pmatrix}\varepsilon_{xx}&\varepsilon_{xr}&\varepsilon_{x\theta}\\\varepsilon_{rx}&\varepsilon_{rr}&\varepsilon_{r\theta}\\\varepsilon_{\theta x}&\varepsilon_{\theta r}&\varepsilon_{\theta\theta}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&\frac12\left(\frac{\partial u_r}{\partial x}+0\right)&\frac12\left(\frac{\partial u_\theta}{\partial x}+0\right)\\\varepsilon_{rx}&\frac{\partial u_r}{\partial r}&\frac12\left(\frac{\partial u_\theta}{\partial r}-\frac{u_\theta}{r}+\frac1r\frac{\partial u_r}{\partial\theta}\right)\\\varepsilon_{\theta x}&\varepsilon_{\theta r}&\frac{u_r}{r}+\frac1r\frac{\partial u_\theta}{\partial\theta}\end{pmatrix}
$ =\begin{pmatrix}0&\frac12\frac{\partial u_r}{\partial x}&\frac12\frac{\partial u_\theta}{\partial x}\\\frac12\frac{\partial u_r}{\partial x}&\frac{\partial u_r}{\partial r}&\frac12\left(\frac{\partial u_\theta}{\partial r}-\frac{u_\theta}{r}+\frac1r\frac{\partial u_r}{\partial\theta}\right)\\\frac12\frac{\partial u_\theta}{\partial x}&\varepsilon_{\theta r}&\frac{u_r}{r}+\frac1r\frac{\partial u_\theta}{\partial\theta}\end{pmatrix}
$ (\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)\cdot\pmb\varepsilon\cdot(\pmb I-\pmb e_x\pmb e_x)=\pmb0を入れる
$ \varepsilon_{xr}=\frac12\frac{\partial u_r}{\partial x}
$ \varepsilon_{x\theta}=\frac12\frac{\partial u_\theta}{\partial x}
$ \varepsilon_{rr}=\frac{\partial u_r}{\partial r}=0
$ \varepsilon_{r\theta}=\frac12\left(\frac{\partial u_\theta}{\partial r}-\frac{u_\theta}{r}+\frac1r\frac{\partial u_r}{\partial\theta}\right)=0
$ \varepsilon_{\theta\theta}=\frac{u_r}{r}+\frac1r\frac{\partial u_\theta}{\partial\theta}=0
$ u_r=-\frac{\partial u_\theta}{\partial\theta}=f(x,\theta)
$ u_\theta=\frac{\partial u_\theta}{\partial r}r+\frac{\partial u_r}{\partial\theta}
$ u_\theta=\frac{\partial u_\theta}{\partial r}r-\frac{\partial^2 u_\theta}{{\partial\theta}^2}
$ \frac{\partial u_\theta}{\partial r}=\frac{\partial u_\theta}{\partial r}+\frac{\partial^2 u_\theta}{{\partial r}^2}+0
$ \therefore \frac{\partial u_\theta}{\partial r}=g(x,\theta)
うーん、うまく行かない
正規直交基底での表示$ \exist f,u_{0y},u_{0x};\begin{dcases}u_y=u_{0y}(x)+f(x)z\\u_z=u_{0z}(x)-f(x)y\end{dcases}から座標変換すれば求まるか?
$ y=r\cos\theta,z=r\sin\theta
$ u_y\pmb e_y+u_z\pmb e_z=u_r\pmb e_r+u_\theta\pmb e_\theta
$ u_\theta=(u_y\pmb e_y+u_z\pmb e_z)\cdot\pmb e_\theta
$ =-u_y\sin\theta+u_z\cos\theta
$ = -u_{0y}(x)\sin\theta-f(x)r\sin\theta\sin\theta+u_{0z}(x)\cos\theta-f(x)r\cos\theta\cos\theta
$ = -u_{0y}(x)\sin\theta+u_{0z}(x)\cos\theta-f(x)r
$ u_r=(u_y\pmb e_y+u_z\pmb e_z)\cdot\pmb e_r
$ = u_y\cos\theta+u_z\sin\theta
$ =u_{0y}(x)\cos\theta+u_{0z}(x)\sin\theta+f(x)r(\sin\theta\cos\theta-\cos\theta\sin\theta)
$ = u_{0y}(x)\cos\theta+u_{0z}(x)\sin\theta
ようやく求まった
第1,2項が断面の平行移動を表し、第3項が回転を表す
$ u_rは回転に無関係なので、2項しかない
この結果から、さっきうまく解けなかった偏微分方程式は、単に$ \thetaの線型2階微分方程式として解けばいいとわかった
難しく考えすぎた。基本は常微分方程式と同じなのだ。
てことは、仮定には断面形状不変の仮定のほかに断面が平行移動しないこと($ \left.\pmb u\right|_{r=0}=\pmb 0)が必要だったということか テキストだと断面形状不変の仮定にひっくるめてしまっている
仕切り直し
軸方向変位なし、断面形状不変の仮定、$ \left.\pmb u\right|_{r=0}=\pmb 0より変位成分は $ u_x=0
$ u_r=0
$ u_\theta=\omega_{yz}r
$ \omega_{yz}も円筒座標表示したいtakker.icon
となる
発生する応力は対称成分を除くと$ \sigma_{x\theta}のみとなる
$ \sigma_{x\theta}=2G\varepsilon_{x\theta}=G\frac{\partial u_\theta}{\partial x}=Gr\frac{\partial\omega_{yz}}{\partial x}=:Gr\gamma
$ \gamma:=\frac{\partial\omega_{yz}}{\partial x}をねじり率と定義する $ T=\int_S r\sigma_{x\theta}\mathrm dS
$ = \int_0^{2\pi}\int_0^{r_0}rGr\gamma r\mathrm dr\mathrm d\theta
丸棒の半径を$ r_0とした
$ = G\gamma\frac12\pi{r_0}^4
$ T=GJ\frac{\partial\omega_{yz}}{\partial x}
応力は丸棒の場合と同じ
$ Jが変化する
板厚を$ t、板厚中心径を$ r_cとし、$ r_c\gg tで近似する $ J=2\pi\int_{r_c-\frac12t}^{r_c+\frac12t}r^3\mathrm dr
$ = \frac12\pi\left(\left(r_c+\frac12t\right)^2+\left(r_c-\frac12t\right)^2\right)\cdot2r_c\cdot t
$ =\pi\left(2{r_c}^2+\frac12t^2\right)r_ct
$ =2\pi{r_c}^3t\left(1+\left(\frac{t}{2r_c}\right)^2\right)
$ \simeq2\pi{r_c}^3t
$ J\simeq2\pi{r_c}^3t
$ = 2A_cr_ct
$ \because A_c=\pi{r_c}^2
$ = \frac{4{A_c}^2}{\frac1t2\pi r_c}
$ = \frac{4{A_c}^2}{\int_{\partial S_c}\frac1t\mathrm dl}
$ S_cは板厚中心線で囲まれた領域、$ \mathrm dlは微小線素の長さ
この形式だと任意の薄肉閉断面部材に適用できるようになる
剪断流の連続の式$ q:=\sigma_{x\theta}t=\rm const.は既知とする 導出をまだ理解できていない
ねじりモーメント$ Tを求める
テキストの方法とは違い、極座標で求めている
$ T=\int_Sr\sigma_{x\theta}\mathrm dS
$ = \int_0^{2\pi}\int_{r_c-\frac12t}^{r_c+\frac12t}r\sigma_{x\theta}r\mathrm dr\mathrm d\theta
$ = q\int_0^{2\pi}\int_{r_c-\frac12t}^{r_c+\frac12t}\frac{r^2}{t}\mathrm dr\mathrm d\theta
$ = q\int_0^{2\pi}\frac13\frac1t\left(\left(r_c+\frac12t\right)^3-\left(r_c-\frac12t\right)^3\right)\mathrm d\theta
$ = q\int_0^{2\pi}\frac13\frac1t\cdot t\left(\left(r_c+\frac12t+r_c-\frac12t\right)^2-{r_c}^2+\frac14t^2\right)\mathrm d\theta
$ =q\int_0^{2\pi}\frac13\frac1t\cdot t\left(3{r_c}^2+\frac14t^2\right)\mathrm d\theta
$ \simeq q\int_0^{2\pi}{r_c}^2\mathrm d\theta
$ = 2q\int_0^{2\pi}\int_0^{r_c}r\mathrm dr\mathrm d\theta
$ =2qA_c
$ \therefore\sigma_{x\theta}=\frac{T}{2A_ct}
ねじり率との関係を求める
$ u_x=0の仮定を使っているので、$ \sigma_{x\theta}=Gr\gammaをそのまま使える
$ \therefore T=2A_ctGr\gamma
$ = G\cdot2A_ctr\cdot\gamma
$ =:GJ\gamma
$ J=2A_ctr
$ = \frac{4{A_c}^2}{\frac{2A_c}{tr}}