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

38

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

3.1.2.2 Solution on the Quasi-Transverse Shear Wave

 

Now we put G ¼ GII ¼

q

 

 

G22 þ q 1rkk0

in all Eqs. 3.613.63 and 3.723.75, i.e.

write them on the quasi-transverse wave. As a result we obtain

 

d

 

 

 

 

2GII1ðqG22 þ rkk0 Þ

 

hð0kÞ þ ayxð1kkÞ þ ðK þ sÞ gð0kÞ axxð1kkÞ

 

ds

 

¼GII1 qG21 þ qG22 þ 2r0kk x0ðkÞ sin u

(

 

 

 

)

þ GII1qG22 xð1kyÞ xð0kÞ sin u þ ðK þ sÞgð0kÞ

þ F2ðk 1ÞjG¼GII ; ð3:95Þ

d

 

 

 

 

2GII1ðqG22 þ rkk0 Þ

 

 

gð0kÞ axxð1kkÞ ðK þ sÞ hð0kÞ þ ayxð1kkÞ

ds

 

¼GII1 qG21 þ qG22 þ 2r0kk x0ðkÞ cos u

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ GII1qG22

xð1kxÞ þ xð0kÞ cos u ðK þ sÞhð0kÞ þ F3ðk 1ÞjG¼GII ;

 

ð3:96Þ

 

 

 

 

 

0

( d

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

)

2G 1

 

 

G2

 

 

 

 

IA 1k

 

 

 

Fa

Fa

0

 

F

K

þ sÞ

a

 

 

 

a

0

 

ðq

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yhðkÞ

þ

ygðkÞ þ

 

 

II

2 þ rkkÞ

ds p xðkÞ

 

xgðkÞ þ

 

ð

 

 

 

xhðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ GII1 qG12 þ qG22 þ 2rkk0

 

 

 

 

xð0kÞF ax cos u þ ay sin u þ xð1kxÞIx sin u

 

 

 

þ xð1kyÞIy cos u þ

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

xð0kÞ

ðIx

IyÞsin 2u ðK þ sÞ hð0kÞIx sin u gð0kÞIy cos u

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ GII1qG22F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ayxð1kyÞ axxð1kxÞ xð0kÞ ax cos u þ ay sin u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

þ F7ðk 1ÞjG¼GII ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:97Þ

þ ðK þ sÞ aygð0kÞ þ axhð0kÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

dx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 2

 

 

G2

G2

 

 

 

 

2G 1

 

 

 

G2

 

ðk 1Þ

 

G 1

 

G2

 

2

 

G2

 

2 0

 

qð

 

 

¼

 

q

þ rkk

 

ds

 

q

 

q

þ

 

II

 

2

1ÞxðkÞ

 

II

 

 

1

 

II

 

 

1 þ

 

 

2

rkk

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ax cos u þ ay sin u xð1kk 1Þ gð0k 1Þ cos u þ hð0k 1Þ sin u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ F1ðk 2ÞjG¼GII ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:98Þ

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

GII2qðG22 G12Þ

n

 

 

 

o

xð1kxÞ þ xð0kÞ cos u hð0kÞðK þ sÞ

 

 

 

d n

o

¼ 2GII1

qG12 þ rkk0

 

 

 

xð1kx 1Þ þ xð0k 1Þ cos u hð0k 1ÞðK þ sÞ

ds

þqG21 þ 2qG22 þ 2r0kk GII1x1ðkk 1Þ sin u þ F4ðk 2ÞjG¼GII ;

n

o

GII2qðG22 G12Þ

xð1kyÞ xð0kÞ sin u þ gð0kÞðK þ sÞ

¼2GII1 qG21 þ r0kk dds nx1ðky 1Þ x0ðk 1Þ sin u þ g0ðk 1ÞðK þ sÞo

þqG21 þ 2qG22 þ 2r0kk GII1x1ðkk 1Þ cos u þ F5ðk 2ÞjG¼GII ;

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 2

qð

G2

 

G2

Þ

 

 

 

1x sin

1y cos

u

 

 

 

II

2

1

wðkÞ xðkÞ

 

u þ xðkÞ

 

 

o

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2

sin 2u þ

0

 

0

cos u ðK þ sÞ

 

 

 

 

 

xðkÞ

 

hðnkÞ

sin u þ gðkÞ

 

 

 

 

 

 

2G 1

 

 

G2

0

d

 

1x

 

sin

1y

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

 

 

q

þ rkk ds wðk 1Þ xðk 1Þ

u þ xðk 1Þ

u

 

 

 

 

II

 

 

1

 

 

o

x0ðk 1Þ 2 sin 2u þ h0ðk 1Þ sin u þ g0ðk 1Þ cos u ðK þ sÞ

þ F6ðk 2ÞjG¼GII :

39

ð3:99Þ

ð3:100Þ

ð3:101Þ

From (3.95)–(3.101) it is seen that on the quasi-transverse wave, in contradistinction to the quasi-longitudinal wave, the discontinuities h0ðkÞ; g0ðkÞ; and x1ðkkÞ are determined by the differential Eqs. 3.953.97 within the accuracy of arbitrary constants, while the discontinuities x0ðkÞ; x1ðkxÞ; x1ðkyÞ; and wðkÞ are defined from the the algebraic Eqs. 3.983.101, in so doing the discontinuities x0ðkÞ and wðkÞ according to (3.98) and (3.101), respectively, have the higher order than the discontinuities h0ðkÞ; g0ðkÞ; and x1ðkkÞ; while the discontinuities x1ðkxÞ and x1ðkyÞ; as it follows from (3.99)

and (3.100), have the same order as the primarily components on this wave.

For arbitrary magnitudes of k, the set of Eqs. 3.953.97, 3.99 and 3.100 can be rewritten as

 

xð1kxÞ ¼ hð0kÞðK þ sÞ þ B1ðk 1Þ;

 

ð3:102Þ

 

xð1kyÞ ¼ gð0kÞðK þ sÞ þ B2ðk 1Þ;

 

ð3:103Þ

dhð0kÞ

0

1k

 

dxð1kkÞ

 

 

 

þ ðK þ sÞgðkÞ

¼ ðK þ sÞaxxðkÞ

ay

 

 

þ B3ðkÞ;

ð3:104Þ

ds

ds

dg0

0

1k

 

dx1k

 

 

ðkÞ

 

ðkÞ

 

 

 

ds

ðK þ sÞhðkÞ

¼ ðK þ sÞayxðkÞ

þ ax

ds

þ B4ðkÞ;

ð3:105Þ

40 3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

C

dx1k

 

 

 

 

ðkÞ

¼ B5ðkÞ þ F axB4ðkÞ ayB3ðkÞ

 

 

Ip

ds

;

ð3:106Þ

where IpC ¼ Ix þ Iy; and functions

BjðkÞðsÞ ði ¼ 1; 2; 3; 4; 5Þ are

presented in

Appendix 3.

 

 

 

 

 

The general solution of (3.104)–(3.106) has the form

 

 

hð0kÞ

 

Zs

B3ðkÞ sin v

¼ gð0kÞ sin v þ hð0kÞ cos v ayxð1kkÞ þ sin v

 

 

s0

 

 

 

Zs

 

 

þ B4ðkÞ cos v ds þ cos v

B3ðkÞ cos v B4ðkÞ sin v ds;

 

 

s0

 

gð0kÞ

 

Zs

¼ gð0kÞ cos v hð0kÞ sin v þ axxð1kkÞ þ cos v

B3ðkÞ sin v

 

 

s0

 

 

 

Zs

 

 

þ B4ðkÞ cos v ds sin v

B3ðkÞ cos v B4ðkÞ sin v ds;

 

 

s0

 

Zs

x1ðkkÞ ¼ ðIpCÞ 1 B5ðkÞ þ F axB4ðkÞ ayB3ðkÞ ds þ kð0kÞ; s0

where h0ðkÞ; g0ðkÞ; and kð0kÞ are arbitrary constants, and

Zs

v ¼ ðK þ sÞds:

s0

ð3:107Þ

ð3:108Þ

ð3:109Þ

Reference to Eqs. 3.1073.109 shows that the main values on the quasi-transverse wave, which define the type of this wave, i.e. h0ðkÞ; g0ðkÞ; and x1ðkkÞ; are interconnected with each other, since they are expressed in terms of x1ðkkÞ via the shear center coordinates which, in the general case of the beam’s cross-section, are different from those of the center of gravity. The values x1ðkxÞ and x1ðkyÞ; according to (3.102) and (3.103), ultimately depend on the value x1ðkkÞ as well, and this coupling is supported by the torsion s; the value K ¼ du=ds; and by the angle v: In other words, in the case of a spatially twisted thin-walled beam of open section, on the twisting-shear wave there occur flexural motions of the same order as the discontinuities in the velocities of the transverse translatory motions and in the angular velocity of rotation of the cross-section.

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

41

At k = 0, for example, the values x0ð0Þ and wð0Þ vanish to zero, while the values

h0

; g0

 

 

;

x1k

;

x1x

; and x1y take the form

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð0Þ

ð0Þ

 

ð0Þ

ð0Þ

 

 

ð0Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xð10kÞ ¼ const;

 

 

 

 

 

 

 

ð3:110Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hð00Þ

¼ gð00Þ sin v þ hð00Þ cos v ayxð10kÞ;

 

 

 

ð3:111Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gð00Þ

¼ gð00Þ cos v hð00Þ sin v þ axxð10kÞ;

 

 

 

ð3:112Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xð10xÞ ¼ hð00ÞðK þ sÞ;

 

 

 

 

 

 

ð3:113Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xð10yÞ ¼ gð00ÞðK þ sÞ;

 

 

 

 

 

 

ð3:114Þ

where g0

and h0

are arbitrary constants.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð0Þ

 

 

ð0Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let

 

us

introduce

into

consideration

two

mutually

orthogonal

vectors:

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

1k

a

1k

 

 

 

a

 

and construct the vector d

 

 

 

b

 

 

 

and a a

 

V

 

b

nð0Þ

 

yxð0Þ;

 

xxð0Þ

 

 

o x; y

;

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

oð0Þ ¼

ð0Þ

ð0Þ

hð00Þ þ ayxð10kÞ; gð00Þ axxð10kÞ

; where the vector Vð0Þ hð00Þ; gð00Þ

is the vector of the

transverse wave polarization. The vector dð0Þ has the constant modulus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gð00Þ

2

 

 

2

¼ const;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dð0Þ ¼

 

 

þ hð00Þ

 

 

 

 

 

and its angle of inclination to the x-axis is defined by the formula

 

 

 

 

 

 

 

 

tgað0Þ

 

gð00Þ axxð10kÞ

 

gð00Þ cos v hð00Þ sin v

¼ tg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

¼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uð0Þ v ;

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1k

g0

 

sin

v

þ

h0

cos

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hð0Þ

þ ayxð0Þ

 

ð0Þ

 

 

ð0Þ

 

 

 

 

 

 

 

that is

að0Þ ¼ Uð0Þ v;

and

að0Þ ¼ v ¼ ðK þ sÞs ¼ ðK þ sÞGII ;

1

where tgUð0Þ ¼ gð00Þ hð00Þ

:

42

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

Fig. 3.3 Scheme of the location of the polarization vector of the quasi-transverse wave

In other words, on the wave surface, the vector dð0Þ remaining constant in magnitude on the wave front rotates around the point Bð0Þ with the angular velocity ðK þ sÞGII ; in so doing the polarization vector during its rotation around the point C changes both in magnitude and in the direction (Fig. 3.3). We shall name the point Bð0Þ as the center of rotation.

Note that for curvilinear beams of solid section the center of rotation coincides with the center of gravity of the beam’s cross section.

If the cross section of the open section beam possesses two axes of symmetry, then ax ¼ ay ¼ 0; and the center of rotation coincides with the center of gravity.

From the comparison of Eqs. 2.14 and 3.1103.114 it follows that three values h0ðkÞ; g0ðkÞ and x1ðkkÞ are related to each other both in the technical theory of thinwalled beams of open section [6] and in the theory developed here. However, in contrast to the technical theory, where these values are interrelated on three transverse waves which propagate with the velocities depending on the geometrical characteristics of the thin-walled beams of open section, in the present theory

this coupling takes place only on one wave propagating with the natural velocity q

GII ¼ qG22 þ q 1r0kk independent of the thin-walled beam geometry.

3.1.3Particular Case of a Straight Thin-Walled Beam of Open Section

In the case of a straight thin-walled beam of open section, the governing equations are considerably simplified since ¼ K ¼ s ¼ 0 and s = z. Thus, for the quasilongitudinal wave from (3.76)–(3.82) we have

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx0

 

 

 

d2x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

 

ðkÞ

¼

 

 

 

 

ðk 1Þ

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

3:115

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

dz2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx1x

 

 

 

d2x1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

 

ðkÞ

¼

 

 

 

 

ðk 1Þ

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

3:116

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

dz2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx1y

 

 

 

d2x1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

 

ðkÞ

¼

 

 

 

 

ðk 1Þ

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

3:117

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

dz2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dw

 

 

 

 

 

d2w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

 

ðkÞ

¼

 

 

 

 

ðk 1Þ

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

3:118

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

dz2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

GI 2q G12 G22

 

hð0kÞ þ ayxð1kkÞ ¼ 2GI qG22 þ rkk0

 

 

 

 

 

 

hð0k 1Þ þ ayxð1kk 1Þ

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

1

 

2

1y

 

2

 

0 d2

0

 

 

 

 

1k

 

2dxð1ky 2Þ

 

 

þ GI

 

qG2xðk 1Þ þ

qG2 þ rkk

 

 

hðk 2Þ þ ayxðk 2Þ qG2

 

 

;

 

 

dz2

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:119Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GI 2q G12 G22

 

 

gð0kÞ axxð1kkÞ ¼ 2GI 1

 

qG22 þ rkk0

 

 

 

 

gð0k 1Þ axxð1kk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

1

 

2 1x

 

 

2

 

0 d2

0

 

 

 

1k

 

 

 

2dxð1kx 2Þ

 

 

 

þ GI

qG2xðk 1Þ

þ qG2 þ rkk

 

gðk 2Þ axxðk 2Þ qG2

 

 

 

;

 

 

dz2

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ð3:120Þ

 

 

G22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GI 2q G12

 

IPAxð1kkÞ þ ayFhð0kÞ axFgð0kÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

G2

0

d

IA 1k

 

 

 

Fa

0

 

 

 

 

 

Fa 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼

I

 

 

q

2

þ rkk dz

P xðk 1Þ

xgðk 1Þ þ

 

 

yhðk 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

þGI 1qG22F ayx1ðky 1Þ axx1ðkx 1Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

d2

 

 

 

 

 

 

 

þ qG22 þ rkk0

 

 

 

IPAxð1kk 2Þ Faxgð0k 2Þ þ Fayhð0k 2Þ

 

 

 

dz2

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qG22F

 

 

 

ayxð1ky 2Þ axxð1kx 2Þ

:

 

 

 

ð3:121Þ

dz

 

 

 

 

For the quasi-transverse wave, from Eqs. 3.953.101 we have

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

2GII1

qG22

þ rkk0

 

 

 

 

hð0kÞ þ ayxð1kkÞ ¼ GII1qG22xð1kyÞ

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 d2hð0k 1Þ

 

 

(

dxð1kk 1Þ

)

 

 

 

 

2

 

 

2 d

1y

ay

 

ð3:122Þ

 

þ qG2 þ rkk

 

 

qG2

 

xðk 1Þ

 

;

 

 

dz2

dz

dz

44 3 Transient Dynamics of Pre-Stressed Spatially Curved Thin-Walled Beams

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

2GII1

qG22 þ rkk0

 

 

 

gð0kÞ axxð1kkÞ ¼ GII1qG22xð1kxÞ

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

0 d2gð0k 1Þ

 

(

 

dxð1kk 1Þ

 

)

 

 

 

2

 

2 d

1x

 

 

 

ð3:123Þ

 

þ

qG2

þ rkk

 

 

qG2 dz

xðk 1Þ

þ

 

ax

;

 

 

dz2

dz

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2G 1

 

G2

0

 

 

 

 

 

 

IA 1k

Fa

0

 

 

 

Fa

 

0

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

yhðkÞ

 

 

 

 

 

 

II

2 þ rkk dz

p xðkÞ

xgðkÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ GII1qG22F ayxð1kyÞ axxð1kxÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

þ qG22 þ rkk0

 

 

IpAxð1kk 1Þ Faxgð0k 1Þ þ Fayhð0k 1Þ

 

 

 

dz2

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ qG22F

 

axxð1kx 1Þ ayxð1ky 1Þ ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G 2

 

 

 

 

 

 

 

G2

 

0

 

2G 1

 

G2

 

0

dx0

 

 

 

G2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðk 1Þ

 

 

 

II

q

 

2

 

1

 

xðkÞ

¼

 

II

 

 

q

 

1

þ rkk

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0

 

d2x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðk 2Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

qG1

þ rkk

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz2

 

 

 

 

G 2

 

 

 

 

 

 

 

G2

 

 

1x

 

2G 1

 

G2

 

0

dx1x

 

 

 

G2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðk 1Þ

 

 

 

II

q

 

2

 

1

 

xðkÞ

¼

 

II

 

 

q

 

1

þ rkk

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0

 

d2x1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðk 2Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

qG1

þ rkk

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz2

 

 

 

 

G 2

 

 

 

 

 

 

 

G2

 

 

1y

 

2G 1

 

G2

 

0

dx1y

 

 

 

G2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðk 1Þ

 

 

 

II

q

 

2

 

1

 

xðkÞ

¼

 

II

 

 

q

 

1

þ rkk

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0

 

d2x1y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ðk 2Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

qG1

þ rkk

 

dz2

 

;

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

0 dwðk 1Þ

 

 

GII

q

 

G2

G1

 

wðkÞ ¼ 2GII

 

 

qG1

þ rkk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

 

2

 

 

0

 

d2w

ðk 2Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qG1

þ rkk

 

dz2

 

:

 

 

ð3:124Þ

ð3:125Þ

ð3:126Þ

ð3:127Þ

ð3:128Þ

From Eqs. 3.1153.118 it follows that on the quasi-longitudinal wave for k 0

xð0kÞ

¼ cð0kÞ

¼ const;

xð1kxÞ

¼ cð1kxÞ

¼ const;

 

xð1kyÞ

¼ cð1kyÞ

¼ const;

wðkÞ

¼ cðwkÞ

¼ const;

ð3:129Þ

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

 

 

 

 

 

 

45

0

1k

 

GI G22

1y

0

 

1k

 

 

 

GI G22

 

1x

 

hðkÞ þ ayxðkÞ ¼

 

 

cðk 1Þ;

gðkÞ axxðkÞ

 

¼

 

cðk 1Þ

;

G12 G22

 

G12 G22

A 1k

0

0

 

 

 

GIG22

1y

 

 

 

1x

 

 

 

IP xðkÞ þ ayFhðkÞ

axFgðkÞ

¼

 

aycðk 1Þ

axcðk 1Þ

:

ð3:130Þ

G12 G22

Solving the set of Eqs. 3.130 yields

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1k

0

 

 

G G2

 

1y

0

G

 

G2

1x

 

 

 

 

 

I 2

 

I

2

 

 

 

 

xðkÞ ¼ 0;

hðkÞ

¼

 

cðk 1Þ;

gðkÞ

¼ G12 G22

cðk 1Þ:

ð3:131Þ

G12 G22

From Eqs. 3.1223.128 it follows that on the quasi-transverse wave for k 0

 

xð0kÞ ¼ xð1kxÞ ¼ xð1kyÞ ¼ wðkÞ ¼ 0;

 

ð3:132Þ

 

hð0kÞ þ ayxð1kkÞ ¼ sð1kÞ ¼ const;

 

 

 

 

gð0kÞ axxð1kkÞ ¼ sð2kÞ

¼ const;

 

 

ð3:133Þ

IPAxð1kkÞ þ ayFhð0kÞ axFgð0kÞ ¼ sð3kÞ ¼ const:

 

Solving (3.133) we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

¼ cð1kkÞ

¼ const;

 

xð1kkÞ ¼ sð3kÞ þ sð2kÞax sð1kÞay

IpC

 

 

 

 

1

¼ cðhkÞ

¼ const;

 

hð0kÞ ¼ sð1kÞ ay

sð3kÞ þ sð2kÞax sð1kÞay

IpC

 

ð3:134Þ

 

 

 

 

 

1

¼ cðgkÞ ¼ const:

 

gð0kÞ ¼ sð2kÞ þ ax sð3kÞ þ sð2kÞax sð1kÞay

 

IpC

 

 

Thus, for the particular case of a straight untwisted thin-walled beam of open profile, it has been found that the transient transverse wave is a pure sheartorsional mode as it follows from Eq. 3.132, while on the quasi-longitudinal wave the ‘admixed’ components of secondary shear occur of the higher order than the main values what is verified by Eq. 3.131.

If we put ax ¼ ay ¼ 0 in Eqs. 3.1153.134 and neglect warping motions, then we could also obtain, as a particular case, the solution for a straight untwisted rod of a massive cross-section, which coincides with that resulting for a straight rod from Eqs. 3.433.48 in Rossikhin and Shitikova [2], when ¼ K ¼ s ¼ 0: This result verifies the validity of the solution obtained for a thin-walled beam of open section.

As for the technical theory by Korbut and Lazarev [7], then there is no transition from the solution for a thin-walled beam to that for a straight beam with a massive cross-section, i.e. to the Timoshenko beam. It is well known that the