Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Учебное пособие 1326.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
990.5 Кб
Скачать

Chapter 3

Transient Dynamics of Pre-Stressed

Spatially Curved Thin-Walled Beams

of Open Profile

Abstract The dynamic stability with respect to small pertubations, as well as the local damage of geometrically nonlinear elastic spatially curved open section beams with axial precompression have been analyzed. Transient waves, which are the surfaces of strong discontinuity and wherein the stress and strain fields experience discontinuities, are used as small pertubations, in so doing the discontinuities are considered to be of small values. Such waves are initiated during low-velocity impacts upon thin-walled beams. The theory of discontinuities and the method of ray expansions, which allow one to find the desired fields behind the fronts of the transient waves in terms of discontinuities in time-derivatives of the values to be found, are used as the methods of solution for short-time dynamic processes.

Keywords Pre-stressed spatially curved thin-walled beam of open section Small transient perturbations Surfaces of strong discontinuity Recurrent equations of the ray method Ray expansions

3.1Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations of the Theory of Elasticity

For investigating the dynamic behaviour of thin-walled beams of open section, we shall proceed from three-dimensional (3D) equations of isotropic elasticity written in the Cartesian system of coordinates x1; x2; and x3:

3.1.1 Problem Formulation and Governing Equations

Let us consider a certain unperturbed equilibrium of an elastic body characterized by the displacement vector u0i ; stress tensor r0ij; and the vector of volume forces Xi0

Y. A. Rossikhin and M. V. Shitikova, Dynamic Response of Pre-Stressed Spatially

19

Curved Thin-Walled Beams of Open Profile, SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology, DOI: 10.1007/978-3-642-20969-7_3, Yury A. Rossikhin 2011

20

3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

(surface forces are absent). The characteristics of the unperturbed equilibrium state satisfy the following geometrically nonlinear equations and boundary conditions on the surface [1]:

frjk0 ðdik þ ui0;kÞg; j þ Xi0 ¼ 0;

ð3:1Þ

rjk0 ðdik þ ui0;kÞmj ¼ 0;

ð3:2Þ

where dik is the Kronecker’s symbol, mj are the components of the unit vector normal to the boundary surface, Latin indices take on the magnitudes 1, 2, 3, a Latin index after comma denotes the partial derivative with respect to the corresponding spatial coordinate x1; x2; x3; and the summation is understood over the repeated indices.

Let us perturb the body with some small deviations from the unperturbed equilibrium: ui; rij; Xi ¼ qui; where q is the material density, and an overdot

denotes the time-derivative. The

characteristic

components of

the perturbed

e

 

 

 

 

motion eui; reij; and Xi take the form

 

 

 

0

0

þ rij;

e

ð3:3Þ

eui ¼ ui þ ui;

reij ¼ rij

Xi ¼ qvi;

where vi is the displacement velocity.

The components of the perturbed state satisfy the following equations and

boundary conditions:

 

 

 

 

 

 

 

¼ 0;

 

reikðdik þ eui;kÞ

 

e

ð3:4Þ

 

; j þ Xi

 

 

 

 

ð3:5Þ

rejk dik þ eui;k mj ¼ 0:

Substituting (3.3) in (3.4) and (3.5), carrying out the linearization of the

resulting equations, and taking (3.1) and (3.2) into account, we find

 

n

 

 

o

 

rjk dik þ ui0;k

 

þ rjk0 ui;k ; j¼ qui;

ð3:6Þ

n

 

 

o

 

 

rjk dik þ ui0;k

þ rjk0 ui;k mj ¼ 0:

ð3:7Þ

Suppose that the unperturbed state deviates a little from the initial undeformed state. In the majority of engineering problems the given assumption is found to be valid. In this case, the terms u0i;k can be neglected, and Eqs. 3.2, 3.6 and 3.7 at r0ij ¼ cij; where cij ði; j ¼ 1; 2; 3Þ are certain constant values (moreover, some of them could be vanished according to the conditions of the problem under consideration), take the following form:

rij; j þ rjl0 ui;lj ¼ qvi;

ð3:8Þ

rijmj ¼ 0;

ð3:9Þ

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

21

Fig. 3.1 Scheme of a spatially curved linear elastic beam of arbitrary open cross-section

rij0 mj ¼ 0:

 

ð3:10Þ

Equations 3.83.10 should be considered together with the relationship

 

 

 

ð3:11Þ

rij ¼ kvl;ldij þ l vi; j þ vj;i ;

where k and l are Lame constants.

Suppose that the wave surface of strong discontinuity exists in a spatially curved thin-walled beam of open section. Then let us differentiate (3.8), (3.11) and (3.9) k times with respect to time, write them on the both sides of the wave surface, and take their difference. As a result we obtain

 

 

 

 

 

 

 

ð3:12Þ

rijkþ1Þ ¼ k vl;lðkÞ dij þ l vi; jðkÞ þ vj;iðkÞ

;

 

 

 

 

 

 

 

ð3:13Þ

rij;jðkÞ þ rjl0 eil; jðk 1Þ ¼ q vikþ1Þ ;

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:14Þ

 

rijkÞ mj ¼ 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where eij ¼ vi;j; and ZkÞ

¼ okZ=otk

 

þ

okZ=otk

:

 

 

Equation 3.13 lacks the discontinuities in the external forces, since they are continuous on the wave surface of strong discontinuity.

For the ease of further treatment, let us introduce two sets of coordinates:

k; s; n with the unit vectors kfkig; sfsig; and nfnig; and k; x, y with the unit vectors k; kfkig; and sfsig: The axes k; s; n are the natural axes for the curved axis

of the beam, in so doing the k-axis is the tangent to the beam’s axis, the s-axis is its binormal, the n-axis is its main normal, s is the arc length calculated from a certain point with the coordinate s0 along the beam axis (Fig. 3.1), while the x- and y-axes are the main central axes of the beam’s normal section. The angle uðsÞ is the angle between the x- and s-axes and the y- and n-axes.

22

3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

 

Following [2], it can be shown that (for details see Appendix 1)

 

 

 

 

 

dsi

¼ kiðK þ sÞ ki cos uðsÞ;

ð3:15Þ

 

 

 

 

ds

 

 

 

dki

¼ siðK þ sÞ þ ki sin uðsÞ;

ð3:16Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

dki

 

 

 

 

 

¼ ki sin uðsÞ þ si cos uðsÞ;

ð3:17Þ

 

 

ds

where K ¼ du=ds; while ðsÞ and sðsÞ are the curvature and the torsion of the beam’s axis, respectively. Note that it is precisely these three values, K(s), ðsÞ and sðsÞ; that are of prime engineering interest in studying the spatially curved thin-walled beams of open profile. Moreover, as it will be shown in the further analysis, these values produce new features in the dynamic response of such beams as compared with straight thin-walled beams of open cross-section.

Considering the conditions of compatibility (see Sect. 6.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d½rijkÞ&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o rijkÞ

k

 

 

rijkÞ&

s

 

;

 

 

 

 

3:18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

ð

Þ

rij; jðkÞ ¼

 

 

 

rijkþ1Þ kj þ

 

 

ds

 

 

kj þ

 

 

ox

 

 

 

 

j

 

 

 

oy

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d½eilkÞ&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o eilkÞ

 

 

 

 

o eilkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

il; jðkÞ

¼

G 1 e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kj þ

 

k

 

 

s

;

 

 

 

ð

3:19

Þ

 

 

 

 

 

 

ilkþ1Þ kj þ

 

 

ds

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

j þ

 

 

oy

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d vikÞ

 

 

 

 

 

o vikÞ

 

 

 

o vikÞ

 

 

 

 

 

e

 

 

¼

v

i;lðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

G 1 v

ikþ1Þ kl þ

 

 

 

 

 

 

k

l þ

s ;

 

 

ilkÞ

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

kl þ

 

 

ox

 

 

 

 

 

 

 

 

oy

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:20Þ

as well as formulas (3.15)–(3.17), Eqs. 3.12 and 3.13 can be rewritten as

 

 

 

 

 

 

r

ijkþ1Þ

¼

G 1

 

 

 

v

lkþ1Þ

l

d

ij

 

G 1

l

 

v

 

 

 

 

kj

 

 

v

jkþ1Þ&

ki

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k½

 

&k

 

 

 

 

 

 

½

 

 

ikþ1Þ&

þ ½

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ k

 

d½vlkÞ&

kl

þ

vlkÞ&

k

 

 

 

 

vlkÞ&s

 

 

 

dij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

l þ

 

 

oy

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d½vikÞ&

kj þ

d½vjkÞ&

 

 

 

 

 

vikÞ&k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ l

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

ki þ

 

 

ox

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vjkÞ&

k

 

 

 

vikÞ&

s

 

 

 

 

vjkÞ&s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

21

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

þ

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

:

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

i

þ

oy

 

 

 

j

 

 

 

oy

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

G 1

½rijkþ1Þ&kj þ

d½rijkÞ&

 

 

 

 

rijkÞ&k

 

rijkÞ&

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q½

ikþ1Þ& ¼

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

kj þ

 

 

ox

 

 

j þ oy

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

G 2

v

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

2G 1d½vikÞ&

 

0

 

2G 1

vik 1Þ

&

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

½

 

 

ikþ1Þ&rkk

 

 

 

 

d2

 

 

 

 

ds

 

rkk

 

 

 

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

 

 

rkx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

vik 1Þ&

0

 

 

 

 

 

½vik 1Þ

&

 

0

 

 

 

 

2

o

 

d½vik 1Þ

&

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rkk

þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oy

rky þ

 

 

 

 

ds2

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

rkx

 

 

 

 

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

 

 

 

 

 

 

 

 

23

 

2 o

d½vik 1Þ&

 

0

vik 1Þ&

n

 

 

K

 

0

 

0

 

sin

o

 

 

 

þ

rky þ

ð

þ sÞrky þ rkk

u

 

 

 

oy

 

 

ds

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vik 1Þ&

 

K

 

 

0

 

0

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

þ sÞrkx

rkk

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oy

 

 

ð

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 1

 

v

 

 

 

 

d½vik 1Þ&

 

 

0 sin

 

 

0

cos

 

;

 

 

 

 

 

3:22

 

þ

 

½

ikÞ&

 

u

rky

u

 

 

 

 

ð

Þ

 

 

 

 

 

ds

 

 

rkx

 

 

 

 

 

 

 

 

where rkk0

¼ rij0 kikj; rk0x

¼ rij0 kikj; and rk0y

¼ rij0 kisj:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Analysis of the influence of the preliminary shear stresses r0

and r0

and the

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kx

 

ky

 

 

 

axial compression or tension stresses r0kk and their different combinations on the dynamic response of thin-walled rods of open profile is a very complicated problem which is of great importance in civil engineering and bridge construction.

However, reference to Eq. 3.22 shows that the value r0kk is multiplied by the k ? 1-order jump and by the s-derivative of the k-order, i.e. it has a strong impact both on the velocities of the surfaces of strong discontinuity and on the discontinuities, in contrast to the values r0kx and r0ky which are multiplied only by the k- and k - 1-order jumps, i.e. they exert weak effect only on the jumps. That is why, below in Sect. 3.1.2 , we shall neglect r0kx and r0ky with respect to the value r0kk:

3.1.2Dynamic Response of Axially Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams of Open Profile

Thus, assuming further that r0kx ¼ r0ky ¼ 0 and r0kk 0; from (3.22) we have

q½

v

G 1

½rijkþ1Þ&kj þ

d½rijkÞ&

kj þ

rijkÞ&

k

rijkÞ&

s

 

 

 

ikþ1Þ& ¼

 

 

ds

 

ox

 

j þ

 

oy

j

 

 

 

þ

G 2

½

v

ikþ1Þ&

2G 1

d½vikÞ&

d2

½vik 1Þ

&

 

vik 1Þ&

sin

u

 

þ

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

ds2

þ

 

 

ox

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vik 1Þ&

cos

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

rkk:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:23Þ

To satisfy Eq. 3.14, it is sufficient to put

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:24Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

rijkÞ kikj ¼ 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:25Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

rijkÞ sisj ¼ 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:26Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

rijkÞ sikj ¼ 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

24

3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

Fig. 3.2 Scheme of the cross section of a thin-walled beam with a generic open crosssection

Then the boundary surface will be free from the normal and tangential stresses. Now we expand the value ½vikÞ& entering into (3.21) and (3.23)–(3.26) in terms

of three mutually orthogonal vectors k; k, s. As a result we obtain

vikÞ ¼ xðkÞki þ hðkÞki þ gðkÞsi;

ð3:27Þ

where xðkÞ ¼ ½vikÞ&ki; hðkÞ ¼ ½vikÞ&ki; and gðkÞ ¼ ½vikÞ&si:

Suppose that for a thin-walled beam of open section the following velocity fields (involving seven independent functions at each fixed k) are fulfilled [3]:

0

e1x

e1y

e

Þ;

ð3:28Þ

xðkÞ ¼ xðkÞðs; s1Þ ¼ xðkÞ

ðsÞþ xðkÞ

ðsÞyðs1Þþ xðkÞ

ðsÞxðs1Þþ wðkÞxAðs1

hðkÞ ¼ hðkÞðs; s1Þ ¼ hð0kÞðsÞ xð1kkÞðsÞðyðs1Þ ayÞ;

 

ð3:29Þ

gðkÞ ¼ gðkÞðs; s1Þ ¼ gð0kÞðsÞ þ xð1kkÞðsÞðxðs1Þ axÞ;

 

ð3:30Þ

where s1 is the arc length measured along the cross-section profile from the point M0; which corresponds to the arc length of s01; to the point M½xðs1Þ; yðs1Þ&; which corresponds to the arc length of s1 (Fig. 3.2).

Gol’denveizer [3] proposed that the angles of in-plane rotation do not coincide with the first derivatives of the lateral displacement components and, analogously, warping does not coincide with the first derivative of the torsional rotation. Thus Gol’denveizer [3] pioneered in combining Timoshenko’s beam theory [4] and Vlasov thin-walled beam theory [5] and suggested to characterize the displacements of the thin-walled beam’s cross-section by seven generalized displacements.

In order to refine the structure of formula (3.28) in the case of a spatially curved thin-walled beam, let us differentiate (3.27), which involves only the terms x0ðkÞ; h0ðkÞ; and g0ðkÞ; with respect to s with due account for (3.15)–(3.17). As a result we obtain

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

25

 

 

0

 

dx0

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d v

iðkÞ

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

 

ds

 

¼

 

ds

þ hðkÞ

sin u gðkÞ

cos u ki

 

 

 

 

 

 

 

 

dhð0kÞ

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

ðK þ sÞ

ki

 

 

 

 

þ

 

 

xðkÞ

sin u þ gðkÞ

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

dg0

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

ð3:31Þ

 

 

 

þ

 

 

þ xðkÞ

cos u hðkÞðK þ sÞ

si:

 

 

 

 

ds

Moreover, we shall use the relationship for the discontinuity in the k-order derivative with respect to time t of the angular velocity

 

1k

e1x

e1y

 

 

ð3:32Þ

 

XiðkÞ ¼ xðkÞki þ xðkÞki þ xðkÞsi:

Differentiating (3.32) with respect to s and considering (3.15)–(3.17) yields

 

 

dxð1kkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

d½XiðkÞ&

¼

 

e1x

 

sin

e1y

 

cos

u ki

 

 

ds

 

ds

þ xðkÞ

 

 

u xðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

e1x

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

1k

 

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

dxðkÞ

 

 

ðK þ sÞ

ki

 

 

þ

 

ds

xðkÞ

sin u þ xðkÞ

 

 

 

 

 

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

1k

 

e1x

 

 

 

 

 

 

 

 

dxðkÞ

 

 

 

 

 

ð3:33Þ

 

þ

 

ds

þ xðkÞ

cos u xðkÞðK þ sÞ

si:

If we suppose that transverse shear strains are absent, then we are led to the following relationships, which are in compliance with the Vlasov theory:

 

 

 

 

 

 

 

dg0

 

 

 

 

!

 

e1x

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

xðkÞ

¼

 

 

ds

þ xðkÞ cos u hðkÞðK

þ sÞ

;

ð3:34Þ

 

 

 

 

 

 

 

dhð0kÞ

 

 

 

!

 

e1y

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

xðkÞ

¼

 

 

 

 

xðkÞ sin u þ gðkÞðK

þ sÞ

;

ð3:35Þ

 

ds

 

 

 

dx1k

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

e1x

e1y

 

 

 

e

 

ðkÞ

 

 

 

 

wðkÞ ¼

 

ds

 

 

þ xðkÞ sin u xðkÞ cos u

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

dg0

 

dh0

 

 

 

 

¼

 

 

ðkÞ

 

þ

 

ðkÞ

sin u

ðkÞ

cos u

 

 

 

 

ds

 

ds

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:36Þ

þ xð0kÞ 2 sin u hð0kÞ sin u þ gð0kÞ cos u ðK þ sÞ:

If we now substitute (3.34)–(3.36) in (3.28), then we obtain a formula for defining the k-order time-derivative in the discontinuity in the velocity of translation along the k-axis without account for transverse shear deformations.

26 3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

Following Gol’denveizer [3], in order to take the transverse shear deformations

into account, it is essential to substitute the derivatives dx1k

=ds; dg0

=ds; and

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

ðkÞ

 

dh0

=ds by the independent functions w

ðkÞ

; x1x ; and x1y ; respectively, i.e. to

ðkÞ

 

 

 

 

ðkÞ

ðkÞ

 

 

rewrite Eqs. 3.343.36 as

 

 

 

 

 

 

 

 

xeð1kxÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ xð1kxÞ þ xð0kÞ cos u hð0kÞðK þ sÞ ;

ð3:37Þ

 

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1y

0

 

 

0

þ sÞ ;

ð3:38Þ

 

xðkÞ

¼ xðkÞ

xðkÞ sin u

þ gðkÞðK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

e1x

 

e1y

cos u

 

 

 

 

wðkÞ ¼ wðkÞ þ xðkÞ

sin u xðkÞ

 

 

 

 

¼ wðkÞ þ xð1kxÞ sin u xð1kyÞ cos u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:39Þ

 

þ xð0kÞ 2 sin u hð0kÞ sin u þ gð0kÞ cos u ðK þ sÞ:

As a result, instead of formula (3.28), we obtain

 

 

 

xðkÞðs; s1Þ ¼ xð0kÞðsÞ

h

 

 

 

 

i

 

 

xð1kxÞðsÞ þ xð0kÞ cos u hð0kÞðK þ sÞ yðs1Þ

 

 

h

 

 

 

 

i

 

 

 

 

xð1kyÞðsÞ xð0kÞ sin u þ gð0kÞðK þ sÞ xðs1Þ

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ wðkÞðsÞ þ xð1kxÞðsÞ sin u xð1kyÞðsÞ cos u þ xð0kÞ 2 sin 2u

 

 

 

 

 

 

i

 

 

ð3:40Þ

 

hð0kÞ sin u þ gð0kÞ cos u ðK þ sÞ xAðs1Þ:

 

Formulas (3.29) and (3.30) remain unchanged.

If we put K ¼ ¼ s ¼ 0 in (3.40), then we are led to the case of a straight thin-

walled rod of open profile.

 

 

 

 

In further treatment we will use formulas (3.28)–(3.30),

but

in

the

final

e

e

1x

; and

e1y

relationships we will carry out the substitution of the values wðkÞ; x k

x k

 

 

ð Þ

 

ð Þ

by their magnitudes defined by formulas (3.37)–(3.39).

At k ¼ 0; the values entering in (3.29), (3.30) and (3.40) have the following physical meaning: x0ð0ÞðsÞ; h0ð0ÞðsÞ and g0ð0ÞðsÞ are the discontinuities in the velocities of translatory motion of the section as a rigid body together with the point C (the center of gravity of the cross-section) along the k-, x- and y-axes, respectively, x1ð0xÞðsÞ; x1ð0yÞðsÞ and x1ð0kÞðsÞ are the discontinuities in the angular velocities of the cross-section’s rotation as a rigid whole around the x-, y- and k-axes, respectively, wð0ÞðsÞ is the discontinuity in the velocity of warping of the cross section, xAðs1Þ is twice the area of the sector AM0M; the point A is the center of bending (Fig. 3.2) with the coordinates [5]

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

27

 

1

Z

 

1

Z

 

ax ¼

 

xCðs1Þyðs1ÞdF;

ay ¼

 

xCðs1Þxðs1ÞdF:

ð3:41Þ

Ix

Iy

 

 

F

 

 

 

F

 

Since the section is referred to the main central axes, then

 

Z

 

 

Z

 

 

Z

 

Ixy ¼ xðs1Þyðs1ÞdF ¼ 0;

Sy ¼ xðs1ÞdF ¼ 0; Sx ¼ yðs1ÞdF ¼ 0:

F

 

 

F

 

 

F

ð3:42Þ

 

 

 

 

 

 

 

Moreover, the choice of the point A with the coordinates defined by formulas (3.41) results in the fulfillment of the following relationships:

Z

Z

 

Ixx ¼ xðs1ÞxAðs1ÞdF ¼ 0;

Ixy ¼ yðs1ÞxAðs1ÞdF ¼ 0:

ð3:43Þ

F

F

 

Note that the sectorial area, generally speaking, depends on two coordinates, namely: the initial point s01 and the terminal point s11; i.e. xAðs01; s11Þ: Let us choose

s1

in such a way that the relationship

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1 Z

 

 

xAðs10; s11Þ ¼

 

xAðs10; s1ÞdF

ð3:44Þ

 

F

F

will be valid. Then, as it is shown in [5], taking the point with the coordinate s11 as

the origin of the arc length measuring, we obtain

Z

Sx ¼ xAðs11; s1ÞdF ¼ 0:

ð3:45Þ

F

 

Let us name this point as the null sectorial point [5]. Since there may exist several such points, the null sectorial point nearest to the point A can be named as the main null sectorial point, and we shall take it as the initial point of reading.

Thus, using the above mentioned choice of the coordinates and the initial points of measuring, the functions 1, xðs1Þ; yðs1Þ; and xAðs11; s1Þ; as formulas (3.42)– (3.45) show, occur to be orthogonal.

If we substitute (3.21) in (3.24) and (3.25) and consider (3.27), then we are led

to the relationships

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

dxðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

½exkÞ& ¼ ½eykÞ& ¼

 

 

G 1

xðkÞ

þ

 

gðk 1Þ

cos

u

 

sin

u

;

2ðk þ lÞ

ds

 

 

 

 

hðk 1Þ

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:46Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

½exkÞ& ¼

o ½vik 1Þ&ki

 

;

½eykÞ& ¼

o ½vik 1Þ&si

 

:

 

 

 

 

 

 

ox

 

 

oy

 

 

 

 

 

 

Equation 3.26, after the substitution of (3.21), (3.27), (3.29), and (3.30) in it, is fulfilled unconditionally.

28 3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

 

Multiplying (3.21) by kikj and considering (3.15)–(3.17) and (3.46) yields

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 1E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rijkþ1Þ kikj ¼

xðkþ1Þ þ

 

 

gðkÞ

 

cos

u hðkÞ

sin

u

:

 

ð

3:47

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Multiplying (3.21) successively by kikj and kisj and considering (3.15)–(3.17),

we obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

G 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dhðkÞ

 

 

oxðkÞ

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ lð

þ sÞgðkÞ

 

 

 

 

 

sin

u

;

 

 

rijkþ1Þ ki j

 

 

 

lhðkþ1Þ þ l ds

 

 

þ l ox

 

 

 

 

l xðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:48Þ

 

s

 

 

 

G 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dgðkÞ

 

 

oxðkÞ

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lð

þ sÞhðkÞ

þ l

xðkÞ

u

 

rijkþ1Þ ki j

¼

 

 

lgðkþ1Þ þ l ds

 

 

þ l oy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:49Þ

 

Multiplying (3.23) successively by ki; ki; and si and considering (3.15)–(3.17),

we find

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qxðkþ1Þ ¼

G 1

½rijkþ1Þ&kikj

þ

dð½rijkÞ&kikjÞ

þ

oð½rijkÞ&kikjÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oð½rijkÞ&kisjÞ

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

þ

 

 

 

½rijkÞ&ki

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oy

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

u ½rijkÞ&ki j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 1 G 1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

þ

xðkþ1Þ

 

hðkÞ

 

u

gðkÞ

u

 

 

 

 

rkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ fiðk 1Þkirkk0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:50Þ

 

G 1

½rijkþ1Þ&ki

k

j þ

dð½rijkÞ&kikjÞ

þ ð

K

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qhðkþ1Þ ¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

þ sÞ½rijkÞ&ki

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dhðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

þ G

 

 

 

G

 

hðkþ1Þ

2

 

 

 

 

 

 

 

2

gðkÞðK

þ sÞ xðkÞ sin u

 

rkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

½rijkÞ&kikj sin u þ fiðk 1Þkirkk0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:51Þ

 

G 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

dð½rijkÞ&kisjÞ

 

ð

K

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qgðkþ1Þ ¼

 

 

½rijkþ1Þ&ki j þ

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

þ sÞ½rijkÞ&ki j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dgðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

þ G

 

 

 

G

 

gðkþ1Þ

2

 

 

þ 2 hðkÞðK þ sÞ xðkÞ cos u

 

 

 

rkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

þ ½rijkÞ&kikj cos u þ fiðk 1Þsirkk0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:52Þ

where functions fiðk 1Þ are presented in Appendix 2.

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

Considering (3.48), (3.49) and (3.28)–(3.30), we have

oð½rijkÞ&kikjÞ

 

 

K

1k

e1y

 

 

ox

¼ lð

 

þ sÞxðk 1Þ

l xðk 1Þ sin u;

oð½rijkÞ&kisjÞ

¼ lð

K

1k

e1x

cos

u:

oy

 

 

þ sÞxðk 1Þ

þ l xðk 1Þ

 

29

ð3:53Þ

ð3:54Þ

Substituting (3.28)–(3.30) in (3.47)–(3.49) and integrating the final equations over the cross-sectional area of the beam, we obtain

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

Nkðkþ1Þ ¼ ½rijkþ1Þ&kikjdF ¼ G

EFxðkþ1Þ

þ EF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EF gð0kÞ cos u hð0kÞ sin u

þ EF ax cos u þ ay sin u xð1kkÞ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:55Þ

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dhð0kÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qkxðkþ1Þ ¼ ½rijkþ1Þ&kikjdF ¼ G

 

lFhðkþ1Þ

þ lF

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ lFxeð1kyÞ þ lFðK þ sÞgð0kÞ lF xð0kÞ sin u

 

 

 

 

 

 

G 1

 

F 1k

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1k a

 

 

3:56

 

 

 

l

a

y þ l

F

 

ðkÞa

y l

F

ð

K

 

 

 

 

;

ð

Þ

 

 

xðkþ1Þ

 

 

ds

 

 

 

 

þ sÞxðkÞ x

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dg0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

Qkyðkþ1Þ ¼ ½rijkþ1Þ&kisjdF ¼ G

 

lFgðkþ1Þ

þ lF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e1x

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ lFxðkÞ lFðK þ sÞhðkÞ

 

þ lF xðkÞ cos u

 

 

 

 

 

 

1

 

1k

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:57Þ

 

þ G

lFxðkþ1Þax lF

ds

ax lFðK þ sÞxðkÞay

:

Substituting (3.28)–(3.30) in (3.50)–(3.52) and then integrating over the crosssectional area, we find

 

F

0

 

G 1N

 

 

dNkðkÞ

 

 

2 Q

 

sin

 

 

2 Q

 

cos

 

 

 

 

q

xðkþ1Þ

¼

 

 

þ

kxðkÞ

u

kyðkÞ

u

 

 

 

 

 

kðkþ1Þ þ

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(

 

0

 

 

 

dx0

 

 

 

0

 

 

0

 

)

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ G

F G

xðkþ1Þ

2

 

 

 

2 hðkÞ

sin u gðkÞ cos u

rkk

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1k

 

 

 

 

 

 

þ lF xðk 1Þ cos u xðk 1Þ sin u

 

þ 2lFðK þ sÞxðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

Ff 0

 

0 ;

 

 

3:58

 

 

 

 

 

2G 1F a sin

u

þ

cos

 

1k

0

þ

 

 

ð

Þ

 

 

 

 

y

 

 

x

 

u xðkÞrkk

iðk 1Þkirkk

 

 

30 3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

 

F

0

 

 

G 1Q

 

 

 

 

 

 

 

 

dQkxðkÞ

 

 

K

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

N

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

q

hðkþ1Þ

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kyðkÞ

kðkÞ

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kxðkþ1Þ þ

ds

þð þsÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

(

 

 

 

 

1

0

 

 

 

dhð0kÞ

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

)

0

 

 

 

 

 

þG

 

F

 

 

G

hðkþ1Þ 2

 

 

2

gðkÞðK þsÞ xðkÞ

sinu

rkk

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

1k

 

 

a

 

 

G 2F

 

1k

 

a

 

0

 

 

2G 1F

 

 

ðkÞ

a

0

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

y þ

 

 

yrkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xðkþ1Þ

 

 

 

 

 

xðkþ1Þ

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

yrkk

 

 

 

 

 

 

 

þ

2G 1Fa

xð

K

 

 

 

1k 0

þ

Ff

0

 

 

k

 

0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

3:59

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þsÞxðkÞrkk

 

iðk 1Þ

 

irkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dQkyðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qFgðkþ1Þ

¼ G

 

Qkyðkþ1Þ þ

 

 

 

ðK þ sÞQkxðkÞ þ NkðkÞ cos u

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

(

 

 

1

0

 

 

 

 

 

dg0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ G

 

F

 

 

G

gðkþ1Þ 2

 

þ

2

 

hðkÞðK

þ sÞ xðkÞ

cos u rkk

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

1k

 

 

a

 

 

G 2F

 

 

1k

 

 

a

 

 

0

 

 

2G 1F

 

 

 

ðkÞ

a

 

0

 

 

 

 

 

 

þ q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xrkk

þ

 

 

 

xrkk

 

 

 

 

 

 

 

 

xðkþ1Þ

x

 

 

 

xðkþ1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

2G 1Fa

 

K

 

 

 

1k 0

þ

Ff 0

 

 

s

0

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

3:60

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yð þ sÞxðkÞrkk

 

 

iðk 1Þ

 

irkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substituting (3.55)–(3.57) in (3.58)–(3.60) with due account for (3.37)–(3.39) yields

2

2

2

0

0

 

 

1

 

2

0

dx0

 

 

 

 

 

 

 

ðkÞ

 

 

 

G

ðqG

qG1

rkk

Þxðkþ1Þ

¼ 2G

 

 

qG1

þrkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

G 1

 

 

 

 

 

þ2rkk0

 

h

 

 

 

 

 

 

qG12 þ2qG22

 

ax cosuþay sinu xð1kkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

ð3:61Þ

 

 

 

 

 

gð0kÞ cosuþhð0kÞ sinu þF1ðk 1Þ;

G 2ðqG2 qG22 r0kkÞðh0ðkþ1Þ þ ayx1ðkkþ1ÞÞ

¼2G 1ðqG22 þ r0kkÞ

dds h0ðkÞ þ ayx1ðkkÞ þ ðK þ sÞ g0ðkÞ axx1ðkkÞ

þ G 1 qG12 þ qG22 þ 2rkk0 xð0kÞ sin u

 

 

n

o

ð3:62Þ

þ G 1qG22 xð1kyÞ xð0kÞ sin / þ gð0kÞðK þ sÞ

þ F2ðk 1Þ;

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

 

31

G 2ðqG2 qG22 rkk0 Þðgð0kþ1Þ axxð1kkþ1ÞÞ

 

 

 

 

d

 

 

 

 

¼ 2G 1

qG22 þ rkk0

 

 

 

gð0kÞ axxð1kkÞ ðK þ sÞ hð0kÞ þ ayxð1kkÞ

 

 

ds

 

 

G 1 qG21 þ qG22 þ 2r0kk x0ðkÞ cos u

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

þ

G 1

q

G2

 

1x

0

cos

0

ð

K

þ sÞ þ

F

3ðk 1Þ

;

ð

3:63

Þ

 

2

xðkÞ

þ xðkÞ

 

/ hðkÞ

 

 

 

 

where G12 ¼ Eq 1;

G22 ¼ lq 1; and functions Fjðk 1Þ ðj ¼ 1; 2; 3Þ are presented in

Appendix 2.

Let us substitute formulas (3.28)–(3.30) in (3.47)–(3.49), then multiply (3.47) successively by x, y, and xA; and (3.48) by ðy ayÞ and (3.49) by ðx axÞ; and integrate the obtained equations over the cross-sectional area of the beam. As a

result we obtain

Z

 

 

M

xðkþ1Þ

¼ ½rijkþ1Þ&kikj

ydF

¼

G 1

q

G2I

e1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x xðkþ1Þ

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

e1x

 

 

 

 

 

2 1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:64Þ

 

 

 

 

þ qG1Ix

 

 

 

IxqG1xðkÞ

sin u;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

yðkþ1Þ

¼ ½rijkþ1Þ&kikj

xdF

¼

G 1

q

G2I

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

y xðkþ1Þ

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

e1y

 

 

 

 

2

 

1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:65Þ

 

 

 

 

þ qG1Iy

 

 

 

qG1IyxðkÞ

cos u;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

B

 

 

 

 

dF

 

 

G 1

 

 

G2I

e

 

 

 

G2I

 

dwðkÞ

;

 

3:66

 

ðkþ1Þ

¼ ½rijkþ1Þ&kikjxA

¼

q

x wðkþ1Þ þ q

 

ð

Þ

 

 

 

 

 

 

1

1

x ds

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MAðkþ1Þ ¼

½rijkþ1Þ&kisjðx axÞdF ½rijkþ1Þ&kikjðy ayÞdF

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

½rijkþ1Þ&kisjxdF

 

 

½rijkþ1Þ&kikjydF ax

 

½rijkþ1Þ&kisjdF

 

 

 

 

 

F

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ ay

½rijkþ1Þ&kikjdF ¼ MCðkþ1Þ axQkyðkþ1Þ þ ayQkxðkþ1Þ

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2 A 1k

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A

 

ðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ G

qG2Ip xðkþ1Þ þ qG2Ip

 

 

 

qG2F xðkÞ

ax cos u þ ay sin u

 

 

 

ds

 

 

where Mxðkþ1Þ

32

 

 

 

3

Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

dg0

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

F

 

G2

G 1

0

 

 

ðkÞ

 

 

K

 

0

 

þ

q

gðkþ1Þ

 

þ ð

þ sÞhðkÞ

 

x

 

2

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

dhð0kÞ

 

 

 

)

 

 

a F

 

G2

 

G 1

0

 

 

 

 

K

0

 

 

q

 

hðkþ1Þ

 

 

 

 

þ sÞgðkÞ

 

þ

 

þ ds

þ ð

 

y

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ qG22 xeð1kyÞIy cos u þ xeð1kxÞIx sin u

þ qG22F ay xeð1kyÞ ax xeð1kxÞ

; ð3:67Þ

and Myðkþ1Þ are the discontinuities in the derivatives of the bending moments with respect to the x- and y-axes, Bðkþ1Þ are the discontinuities in the derivatives of the bimoment, MAðkþ1Þ are the discontinuities in the derivatives of the bending-torsional moment, and IpA ¼ Ix þ Iy þ ða2x þ a2y ÞF:

Now we substitute formulas (3.28)–(3.30) in (3.50)–(3.52), then multiply (3.50) by x, y, and xA; while (3.51) and (3.52) by ðy ayÞ and ðx axÞ; respectively, and integrate the obtained equations over the cross section of the beam. As a result, we obtain

e1y

¼

G 1I 1M

 

 

 

 

 

I 1

dMyðkÞ

þ

2 sin

ulð

K

1k

 

 

 

qxðkþ1Þ

 

 

y

 

yðkþ1Þ þ

y

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

þ sÞxðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx1k

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

2 cos

ul

 

G 1

1k

 

 

 

 

ðk 1Þ

 

 

2 2

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

lxðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

0

 

2 e

1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 dxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ rkk

G

xðkþ1Þ

 

2G

 

 

 

 

 

 

þ

2G

cos uxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ Iy 1rkk0

F

fiðk 1ÞkixdF;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:68Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e1x

¼

G 1I 1M

 

 

 

 

 

I 1

dMxðkÞ

 

 

2 cos

ulð

K

1k

 

 

 

qxðkþ1Þ

 

 

x

 

xðkþ1Þ þ

x

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

þ sÞxðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx1k

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

2 sin

ul

 

G 1

 

1k

 

 

 

ðk 1Þ

 

 

2 2

 

e1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xðkÞ

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

lxðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

G 2 e

1x

 

 

 

2G 1

dxðkÞ

 

 

2G 1

sin

1k

 

 

 

 

 

þ rkk

 

 

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

xðkþ1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uxðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ Ix 1rkk0

F

fiðk 1ÞkiydF;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:69Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

G 1I

1B

ðkþ1Þ

þ

I 1

dBðkÞ

 

2 2 e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qwðkþ1Þ ¼

 

x

x

 

 

ds

 

 

 

lwðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

G 2 e

 

 

 

2G 1

dwðkÞ

 

 

 

I 1

 

 

0

 

 

 

f

 

 

 

dF;

 

3:70

 

þ rkk

 

 

 

 

þ

rkk

 

 

 

iðk 1ÞkixA

ð

Þ

 

 

wðkþ1Þ

 

 

 

 

 

ds

x

 

 

 

 

 

 

 

F

3.1 Theory of Thin-Walled Beams Based on 3D Equations

 

 

 

33

qxð1kkþ1ÞIpA qgð0kþ1ÞaxF þqhð0kþ1ÞayF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

G 1M

 

 

 

 

 

dMAðkÞ

 

þ

cos

u

M

yðkÞ þ

sin

u

M

 

 

 

 

 

 

 

Aðkþ1Þ þ

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 1F axhð0kÞ þaygð0kÞ

 

 

ax cosuþay sinu NkðkÞ ðK þsÞl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dhð0k 1Þ

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

e1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

1x

 

 

dgð0k 1Þ

 

 

 

 

axF xðk 1Þ

þ

 

 

 

 

 

ayF xðk 1Þ þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þðK þsÞ axFgð0k 1Þ þayFhð0k 1Þ þIpAxð1kk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

þ sinu axFxð0k 1Þ Iy xeð1ky 1Þ

 

þ cosu ayFxð0k 1Þ þIx xeð1kx 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þrkk0 G 2 axFgð0kþ1Þ þayFhð0kþ1Þ þIpAxð1kkþ1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

dg0

 

 

 

 

 

 

dh0

 

 

 

 

 

dx1k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0 G 1

 

a

 

F

ðkÞ

 

 

a

F

 

 

ðkÞ

 

 

IA

 

 

ðkÞ

 

 

 

K

 

F a 0

a

0

 

 

 

þ

 

 

 

 

 

 

þð

þsÞ

ygðkÞ

 

 

rkk

 

 

x

 

 

ds

y

 

 

 

 

ds

þ p

 

 

ds

 

xhðkÞ

þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

þ cosu axFxð0kÞ þIy xeð1kyÞ þ sinu ayFxð0kÞ þIx xeð1kxÞ

 

 

 

 

 

Z

 

fiðk 1Þsiðx axÞ fiðk 1Þkiðy ayÞ dF:

 

 

 

 

 

 

ð3:71Þ

þrkk0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substituting (3.64)–(3.67) and (3.37)–(3.39) in (3.68)–(3.71) yields

G 2ðqG2 qG12 rkk0

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

Þ xð1kxþ1Þ þ xð0kþ1Þ cos u hð0kþ1ÞðK þ sÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

¼ 2G 1

 

 

qG12 þ rkk0

 

 

 

 

xð1kxÞ þ xð0kÞ cos u hð0kÞðK þ sÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ 2rkk0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:72Þ

 

 

 

 

 

þ qG12 þ 2qG22

 

G 1xð1kkÞ sin u þ F4ðk 1Þ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

G 2ðqG2 qG12 rkk0 Þ xð1kyþ1Þ xð0kþ1Þ sin u þ gð0kþ1ÞðK þ sÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

¼ 2G 1

 

 

qG12 þ rkk0

 

 

 

xð1kyÞ xð0kÞ sin u þ gð0kÞðK þ sÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:73Þ

 

 

 

 

 

þ qG12 þ 2qG22

 

þ 2rkk0 G 1xð1kkÞ cos u þ F5ðk 1Þ;