Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
диф 1.pdf
Скачиваний:
121
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.19 Mб
Скачать

47

сле разделения переменных к интегралу (y4 +C1 )1/ 2 dy от так

называемого дифференциального бинома [15], который в данном случае вообще не выражается через элементарные функции.

В качестве практического примера применения метода понижения порядка рассмотрим задачу об осесимметричном изгибе упругих круговых пластин.

2.1.1. Осесимметричный изгиб круговой пластины

Пусть тонкая упругая круговая пластина радиуса a и толщиной h нагружена внешним равномерно распределëнным давлением (рис. I.6). Случай а) соответствует свободному опиранию на внешнем контуре, случай б) – жëсткому защемлению.

Рис. I.6

48

Как известно, дифференциальное уравнение осесимметричного изгиба тонкой упругой круговой пластины может быть записано в виде [17, 21]

1 d

 

d 1 d

 

dw

 

q

 

 

 

 

r

 

 

 

r

 

=

 

,

(2.32)

 

 

 

 

D

r dr

dr r dr

dr

 

 

 

где

w-прогиб пластины, r - текущий радиус, q - интенсивность внеш-

него поперечного давления,

D -цилиндрическая жëсткость пл а-

стины, равная D =

 

Eh3

 

(E,µ-соответственно модуль упру-

12(1µ2)

 

 

гости и коэффициент Пуассона8 материала пластины). Уравнение (2.32) представляет собой неоднородное линей-

ное дифференциальное уравнение 4-го порядка с переменными коэффициентами и может быть проинтегрировано методом понижения порядка.

Действительно, последовательно интегрируя уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

d 1

d

dw

 

qr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

=

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

r dr

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

получим после первого интегрирования:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

1 d

 

dw

qr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

1 d

dw

 

1

 

qrdr +

a

 

r

 

 

 

r

 

=

 

 

dr + a ,

 

 

 

 

 

 

r

 

 

=

 

 

 

.

 

 

D

 

 

 

 

 

 

Dr

r

 

dr r dr

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr r dr

dr

 

 

 

Повторное интегрирование даëт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 d

 

dw

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

=

 

 

qrdr dr + a ln r +b,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dr

 

 

 

 

 

 

 

 

r dr

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

dw

 

 

 

r

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

=

 

 

 

qrdr dr + ar ln r +br.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

dr

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрируя третий раз и учитывая, что r ln rdr =

r2

 

1

 

2

ln r

2

,

 

 

 

8 П у а с с о н Симеон Дени (21.06.1781 – 25.04.1840) – французский математик, механик и физик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

получим

dw

 

 

r

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

dr

=

 

 

r

qrdr dr + ar ln rdr +brdr +c,

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dw

 

1

 

rdr

dr

qrdr +

ar

 

 

1

 

br

 

c

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

ln r

 

+

 

 

+

 

.

 

dr

 

Dr

 

r

 

2

2

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Интегрируя это уравнение первого порядка, находим

w =

1

dr

rdrdr

qrdr +

ar2

ln r + r2

b a

+c ln r + d.

D

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

Заменяя постоянные интегрирования

 

a,b,c,d новыми по-

стоянными:

C = d,

 

C

2

=

b a

,

C

3

= c, C

4

 

= a ,

получим окон-

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чательное выражение для общего решения в принятой в теории пластин форме

w = C +C r2 +C

 

ln r +C r2 ln r +

1

 

dr

 

rdr

 

dr

 

qrdr. (2.33)

 

D

r

r

1

2

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если внешнее поперечное давление

q = const,

то последнее

слагаемое в формуле (2.33), представляющее собой частное решение неоднородного уравнения (2.32), приводится к виду

Dq drr rdrdrr rdr = Dq drr rdr2r dr = Dq drr r43 dr =

=

q

r3

dr =

qr4

.

4D

 

 

4

 

64D

Окончательно прогиб круговой пластины, нагруженной равномерно распределëнным поперечным давлением, будет равен

w = C +C

r2 +C

ln r +C

r2 ln r +

qr4

.

(2.34)

 

1

2

3

4

 

64D

 

 

 

 

 

 

 

Можно показать, что внутренние силовые факторы: радиальный изгибающий момент M r и поперечная сила Qr выражают-

ся через прогиб по формулам [17, 21]:

 

 

 

 

2

w

 

µ dw

 

 

 

d

 

 

2

w

 

 

 

M

r

D d

 

+

,

Q

= D

d

 

+ 1 dw

.

(2.35)

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

dr

 

r dr

 

r

 

 

 

dr

r dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

 

 

 

50

С учетом (2.34) выражения (2.35) приводятся к виду

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

M r = −D 2(1+ µ)C2

(1µ)C3

 

 

 

+C4[3 + µ + 2(1+ µ)ln r] +

r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.36)

 

3 + µ

 

 

 

 

 

1

 

qr

 

 

qr

2

Qr = 4C4 D

 

 

 

+

 

 

,

 

 

+

 

.

 

16D

 

r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Произвольные постоянные, входящие в общее решение

(2.34), определяются далее из граничных условий.

 

А) В случае свободного опирания при r = a

прогиб и ради-

альный изгибающий момент равны нулю:

 

 

 

 

 

 

w = M r

= 0.

(2.37)

Ещë два условия для определения произвольных постоянных следуют из рассмотрения условий в центре пластины (при

r = 0).

Во-первых, из условия ограниченности прогиба в центре необходимо принять

C3 = 0

(2.38)

(так как при r 0 ln r неограниченно возрастает, а прогиб w r=0

должен быть конечной величиной).

Во-вторых, выделяя из пластинки круг малого радиуса r и заменяя действие отброшенной части внутренними силовыми факторами – изгибающим моментом и поперечной силой, равномерно распределëнными по контуру сечения, из условия равновесия выделенной части пластины (см. рис. I.7) получим формулу для Qr :

Рис. I.7

 

= qr .

 

2πrQ =πr2q ,

 

Q

(2.39)

r

 

r

2

 

Приравнивая выражения (2.36) и (2.39), находим

C4 = 0.

(2.40)

51

С учетом (2.38), (2.40) выражения (2.34) и (2.36) примут вид

w = C1 +C2r

2

+

qr4

.

 

 

 

3 + µ

 

2

 

 

 

M r = −D 2(1

+ µ)C2

+

 

qr

 

,

 

64D

16D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь из граничных условий на внешнем контуре пластины получим систему уравнений для определения постоянных интегрирования C1 и C2 :

C

+C

a2

+

qa4

 

= 0,

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

64D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 +

µ

 

 

 

 

 

 

 

 

+

qa

2

= 0,

2(1+ µ)C2

16D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из которой следует

 

5+ µ qa4

 

 

 

 

 

 

3 + µ qa2

 

 

C

=

,

C

 

= −

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ µ 64D

 

1+ µ

 

32D

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Поэтому прогиб в произвольной точке свободноëртойоп

круговой пластины будет определяться формулой

 

 

 

 

 

5

+ µ

 

3 + µ r

2

 

r

4

 

qa4

 

w(r) =

 

 

 

2

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

,

1

+ µ

1

 

 

 

64D

 

 

 

 

+ µ a

 

 

a

 

 

 

а его максимальное значение в центре пластины (при r = 0) равно

w

=

5+ µ

 

qa4

= 0,696

qa4

(при µ = 0,3).

 

 

 

max

 

1+ µ

 

64D

 

Eh3

 

 

 

 

 

 

Б) Для жестко защемлëнной по внешнему контуру круговой пластины условия в центре, очевидно, будут такими же, как и для свободно опëртой пластины, а на внешнем контуре должны быть равны нулю прогиб и угол поворота сечения:

w = dw

= 0

при r = a.

dr

 

 

 

 

 

 

Поэтому, по-прежнему, C3 = C4

= 0, а для определения C1 и

C2 получаем систему уравнений

 

 

 

 

 

C +C

a2 +

qa4

= 0,

 

1

2

 

 

 

64D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qa3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2C2a

+

 

 

 

= 0,

 

16D

 

 

 

 

 

52

из которой находим

C

=

qa4

, C

 

= −

qa2

.

64D

 

32D

1

 

 

2

 

 

В результате зависимость прогиба защемлëнной пластины от радиуса будет определяться выражением

 

r 2

 

qa4

 

w(r) = 1

 

 

 

 

,

 

64D

 

a

 

 

а максимальное значение прогиба в центре пластины будет равно

w

=

qa4

= 0,171

qa4

(при µ = 0,3).

64D

Eh3

max

 

 

 

2.2. Линейные однородные дифференциальные уравнения n-го порядка. Общие свойства решений

Линейным дифференциальным уравнением n - го порядка называется уравнение

y(n) + a1 (x)y(n1) + a2(x)y(n2) + + an1 (x)y′+ an (x)y = f (x), (2.41)

содержащее неизвестную функцию и все её производные до n-го порядка включительно в первой степени. Если все коэффициенты уравнения постоянны: ai = const (i =1,2,...,n), то оно называется

линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. Если хотя бы один из коэффициентов ai является

функцией от x, то уравнение (2.41) будет уравнением с переменными коэффициентами.

Если правая часть уравнения f (x) 0, то уравнение (2.41) принимает вид

y(n) + a1 y(n1) + a2 y(n2) + + an1 y′+ an y = 0,

и называется линейным однородным дифференциальным уравнением, в противном случае – линейным неоднородным.

Левая часть уравнения (2.41) называется линейным диф-

ференциальным оператором и обозначается через

Ln (y) = y(n) + a1 y(n1) + a2 y(n2) + + an1 y′+ an y.

(2.42)

53

С учетом обозначения (2.42) линейное однородное дифференциальное уравнение n - го порядка может быть записано в компактной форме:

Ln (y) = 0.

(2.43)

Свойства оператора Ln (y).

1. Ln (Cy) = CLn (y), где C – некоторое число. Это свойство назы-

вают свойством однородности оператора.

2. Ln (y1 + y2) = Ln (y1 )+ Ln (y2) - это свойство называют свойством

аддитивности оператора.

 

n

 

n

3. Ln

Ck yk

= Ck Ln (yk ), то есть оператор, взятый от линей-

k=1

 

k=1

ной комбинации функций, равен линейной комбинации операторов, взятых от этих функций (напомним, что линейной комбинацией функций называется сумма произведений функций на различные постоянные числа, то есть выражение вида С1 y1 +C2 y2 + +Cn yn ).

Используя свойства оператора Ln (y), легко показать, что

справедливы следующие свойства решений линейного однородного дифференциального уравнения:

1. Если функция y(x) является решением линейного однородного дифференциального уравнения Ln (y) = 0, то функция Cy(x), где C – произвольная постоянная, также является решением этого уравнения.

2.Если функции y1 (x) и y2(x) являются решениями линейного однородного дифференциального уравнения Ln (y) = 0, то сум-

ма функций y1 (x)+ y2(x) также является решением этого уравнения.

3.Если y1 (x), y2(x), , ym (x)- какие либо частные решения урав-

нения Ln (y) = 0, то любая их линейная комбинация с произ-

m

вольными коэффициентами Ci yi также будет решением

i=1

этого уравнения.

54

Действительно, на основании свойств однородности и аддитивности линейного дифференциального оператора можно записать:

m

 

= Ln (C1 y1 )+ Ln (C2 y2)+...+ Ln (Cm ym ) = C1Ln (y1 )+

Ln Ci yi

i=1

 

 

+C2Ln (y2)+...+Cm Ln (ym ).

Так как функции y1 (x), y2(x), , ym (x) являются частными решениями уравнения Ln (y) = 0, то все слагаемые в правой части

 

m

 

= 0. Сле-

последнего равенства равны нулю, поэтому Ln

Ci yi

 

i=1

 

 

m

довательно, Ci yi также является решением уравнения.

i=1

Последнее свойство называется принципом суперпозиции (наложения) решений линейных однородных дифференциальных уравнений n - го порядка.

Заметим также, что линейное однородное дифференциальное уравнение Ln (y) = 0 всегда имеет тривиальное решение

y 0.

В теории линейных дифференциальных уравнений важную роль играют понятия линейной независимости и линейной зависимости функций.

Пусть имеется система функций y1 (x), y2(x), , yn (x), определëнных на некотором интервале (a,b), и пусть C1, C2, , Cn - различные действительные числа.

Система функций называется линейно независимой, если линейная комбинация этих функций С1 y1 +C2 y2 + +Cn yn = 0

тогда и только тогда, когда все коэффициенты линейной комбинации C1 = C2 =...= Cn = 0. В противном случае система функций

линейно зависима.

Если система функций линейно зависима, то по крайней мере одна из них является линейной комбинацией других. Если,

например, C1 0, то из условия С1 y1 +C2 y2 + +Cn yn = 0 следует