边界条件表示在边界上位移与约束或应力与面力之间的关系。按照边界条件的不同,分为位移边界条件、应力边界条件、混合边界条件。
位移边界条件
弹性体在所有边界上的位移分量均为已知,在边界上存在
$$ u_s =\overline{u}, \quad v_s = \overline{v}, \quad w_s=\overline{w} $$
其中,$u_s$、$v_s$、$w_s$ 表示边界上的位移分量,而 $\overline{u}$、$\overline{v}$、$\overline{w}$ 则表示在边界上是坐标的已知函数。;
应力边界条件
弹性体在全部边界上所受的面力都是已知的。面力已知的条件可以转换成应力方面的条件,表示为
$$ \overline{X}=l\sigma_x+m\tau_{yx}+n\tau_{zx} $$
$$ \overline{Y}=l\tau_{xy}+m\sigma_y+n\tau_{zy} $$
$$ \overline{Z}=l\tau_{xz}+m\tau_{yz}+n\sigma_z $$
式中,$l=\cos(N,x)$,$m=\cos(N,y)$,$n=\cos(N,z)$ 表示边界外法线 $N$ 的方向余弦。
上式同样是一个函数方程,表示边界上每一点应力与面力之间的关系,即应力分量的边界值就等于对应的面力分量。但应注意,应力分量与面力分别作用于不同面上,且各有不同的正负号规定。当边界的外法线 $N$ 沿坐标轴正向时,应力与面力符号相同;当边界的外法线N沿坐标轴负向时,二者符号相反。
混合边界条件
弹性体在一部分位移边界 $S_u$ 上的位移分量为已知,满足位移边界条件式;而在另一部分应力边界 $S_{\tau}$ 上的应力分量为已知,满足应力边界条件式。混合边界条件是实际工程问题中常见的边界形式。
弹性力学的基本方程共计15个,即平衡方程3个、几何方程6个、物理方程6个;基本未知量为应力分量6个、应变分量6个、位移分量3个,共计也是15个。基本未知量的数目恰好等于基本方程的数目,在适当的边界条件下,才有可能从基本方程求解这些未知量。
说明一点,应用有限元法分析工程问题时,位移边界条件、混合边界条件均可获得很好的结果;而对完全应力边界条件将无法求解,因为应力边界条件只满足力平衡关系,而对刚体位移没有限制。
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