Materiaalien mekaniikka

Samankaltaiset tiedostot
2. harjoitus - malliratkaisut Tehtävä 3. Tasojännitystilassa olevan kappaleen kaksiakselista rasitustilaa käytetään usein materiaalimalleissa esiintyv

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

1. kotitehtäväsarja - Einsteinin summaussääntö ja jännitystila - malliratkaisut

MEI Kontinuumimekaniikka

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Ratkaisut 2. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa a) ja b) sekä laske c) kohdan tehtävä.

Johdatus materiaalimalleihin

grada dv = a n da, (3) vol(ω) ε = εdv. (4) (u n +n u)da, (5)

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Tampere University of Technology

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Ratkaisut: loppuviikko 2

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Harjoitus 7. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Matematiikan tukikurssi

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Lujuusopin perusteiden oleellisimmat asiat pähkinänkuoressa

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Taso 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste, suora

Ratkaise tehtävä 1 ilman teknisiä apuvälineitä! 1. a) Yhdistä oikea funktio oikeaan kuvaajaan. (2p)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

Derivointiesimerkkejä 2

STATIIKKA. TF00BN89 5op

Sallitut apuvälineet: MAOL-taulukot, kirjoitusvälineet, laskin sekä itse laadittu, A4-kokoinen lunttilappu. f(x, y) = k x y, kun 0 < y < x < 1,

PALKIN KIMMOVIIVA M EI. Kaarevuudelle saatiin aiemmin. Matematiikassa esitetään kaarevuudelle v. 1 v

Matematiikan tukikurssi

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Esimerkkejä ym., osa I

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

8. Yhdistetyt rasitukset

PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Olkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x 1 ja x 2 on voimassa ehto:

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Tutki, onko seuraavilla kahden reaalimuuttujan reaaliarvoisilla funktioilla raja-arvoa origossa: x 2 + y 2, d) y 2. x + y, c) x 3

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Aloita Ratkaise Pisteytä se itse Merkitse pisteet saanut riittävästi pisteitä voit siirtyä seuraavaan osioon ei ole riittävästi

Laskuharjoitus 7 Ratkaisut

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Esimerkkejä ym., osa I

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Tekijä Pitkä matematiikka a) Ratkaistaan nimittäjien nollakohdat. ja x = 0. x 1= Funktion f määrittelyehto on x 1 ja x 0.

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

TAVOITTEET Määrittää taivutuksen normaalijännitykset Miten määritetään leikkaus- ja taivutusmomenttijakaumat

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Laskuharjoitus 2A ( ) Aihepiiri: Raja-arvot etc. Adams & Essex, 8th Edition, Chapter 12. z = f(x, 0) = x2 a z = f(0, y) = 02 a 2 + y2

Aksiaalisella tai suoralla leikkauksella kuormitettujen rakenneosien lujuusopillinen analyysi ja suunnittelu

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

Matematiikan tukikurssi

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 07: Aksiaalinen sauvaelementti, osa 2.

Harjoitus 4. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa a) ja b) sekä laske c) kohdan tehtävä.

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Rak RAKENTEIDEN MEKANIIKKA C

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys 34

Transkriptio:

Materiaalien mekaniikka 3. harjoitus jännitys ja tasapainoyhtälöt 1. Onko seuraava jännityskenttä tasapainossa kun tilavuusvoimia ei ole: σ x = σ 0 ( 3x L + 4xy 8y ), σ y = σ 0 ( x L xy + 3y ), τ xy = σ 0 ( 1 L x 6xy y ), σ z = τ yz = τ zx = 0, jossa σ 0 ja L ovat vakioita. (Tehtäväpaperissa oli pikku merkkieroavuus.) Ratkaisu Tasapainoyhtälöt ovat muotoa σ ji,j = ρb i, kirjoitetaan ne auki σ 11,1 σ 1, σ 31,3 = ρb 1, σ 1,1 σ, σ 3,3 = ρb, σ 13,1 σ 3, σ 33,3 = ρb 3, jos asetetaan x 1 x, x y, x 3 z, saadaan σ xx,x σ yx,y σ zx,z = ρb x, σ xy,x σ yy,y σ zy,z = ρb y, σ xz,x σ yz,y σ zz,z = ρb z. Muista, että toinen indeksi ilmoittaa jännityskomponentin suunnan, sen on oltava sama yhtälön molemmilla puolilla. Käyttämällä von Kármánin merkintätapaa jossa σ x = σ xx, τ xy = σ xx jne., saadaan muoto σ x,x τ yx,y τ zx,z = ρb x, τ xy,x σ y,y τ zy,z = ρb y, τ xz,x τ yz,y σ z,z = ρb z. Muista, että momenttitasapaino vaatii jännitysmatriisin symmetrisyyden, τ xy = τ yx jne. Suorittamalla tarvittavat derivoinnit saadaan ( σ 0 /L ) (6x + 4y 6x 4y) = 0, ( σ 0 /L ) (x 6y x + 6y) = 0, täten tilavuusvoimat ρb x = ρb y = ρb z = 0 (b i :t ovat voimia massaa kohti), joten jännitystila on tasapainossa ilman ulkoisia tilavuusvoimia. Materiaalien mekaniikka 1

. Suorakulmaisessa x, y, z koordinaatistossa jännitystensori on annettu muodossa (1 ξ )η + 3 η (4 η )ξ 0 σ = (4 η )ξ 1 3 (η3 + 1η) 0 σ 0, 0 0 (3 ξ )η jossa ξ = x/l, η = y/l ja σ 0 ja L ovat vakioita. (a) Onko kyseinen jännitystila tasapainossa, jos tilavuusvoimia ei ole? (b) Määritä traktiovektori pisteessa (L, L, 6L), tasolla jonka yhtälö on 3x + 6y + z = 1L. Ratkaisu Menetellen samoin kuin ensimmäisessä tehtävässä havaitaan, että y-suunnassa on oltava tilavuusvoima ρb y = 8σ 0 /L. Yleisesti yhtälöllä f(x, y, z) = 0 määritellyn pinnan normaali saadaan pinnan gradienttina, ja jos halutaan pinnan yksikkönormaali on se normeerattava n = f f. Nyt pinnan määrittelee tason yhtälö f(x, y, z) = 3x + 6y + z 1L = 0, joten f = 3e x + 6e y + e z, jossa e x, e y ja e z ovat koordinaattiakseleiden x, y, z suuntaiset yksikkövektorit. Täten pinnan yksikkönormaali on n = 1 Pisteessä (L, L, 6L) jännitysmatriisi on Traktiovektori on σ = 3 6. 11/3 6 0 6 13/3 0 0 0 1 t = σ T n = σ 0 5 8 σ 0. Lasketaan vielä pinnalla vaikuttava normaalijännitys leikkausjännitys. Traktiovektori voidaan jakaa tietenkin kahteen komponenttiin; pinnan tangentin suuntaiseen leikkausjännityskomponenttiin ja pinnan normaalin suuntaiseen normaalijännityskomponenttiin t = t σ + t τ, Materiaalien mekaniikka

jossa t σ = (n t)n, jossa n t = σ n on normaalijännityskomponentti. Nyt pinnalla vaikuttava normaalijännitys on σ n = 3σ 0 /49, joka on siis puristusta, mikäli σ 0 on positiivinen. Leikkausjännityskomponentti saadaan t τ = t t σ = σ 0 5 8 3σ 0 49 1 3 6 = σ 0 343 Leikkausjännityksen itseisarvo saadaan tietenkin t τ :n pituutena. 1156 530 144. Materiaalien mekaniikka 3

3. Korkeudeltaan lineaarisesti muuttuvan levyulokeen paksuus t on vakio. Uloketta kuormittaa sen vapaassa päässä leikkausjännitysjakauma, jonka resultantti on F. Määritä tehtävän reunaehdot jokaisella reunan osalla. Johda leikkausjännityksen τ xy (x, y) lauseke olettamalla normaalijännitysten jakautuvan teknisen taivutusteorian mukaisesti. Olettamalla, että voiman F jakauma oikealla pystyreunalla tunnetaan, jolloin ongelman reunaehdot ovat: vinolla ylä- ja alareunalla t n = 0, oikealla pystyreunalla u = 0, vasemmalla pystyreunalla t n = F /t, Vasemmalla pystyreunalla n = e x, jossa e x on x-akselin suuntainen yksikkövektori. Voiman F lauseke olkoon F = f(y)te y, jossa t on levyn paksuus. Traktiovektori on t n = τ xy e y, joten reunaehto vasemmalla pystyreunalla on τ xy = f(y), Vinolla yläreunalla normaalivektori on n = sin αe x + cos αe y. Traktiovektori on ( ) ( ) t = σ T sin α σx + cos α τ n = xy 0 =. (1) sin α τ xy + cos α σ y 0 Vinolla alareunalla normaalivektori on n = sin αe x cos αe y. Traktiovektori on ( ) ( ) t = σ T sin α σx cos α τ n = xy 0 =. sin α τ xy cos α σ y 0 Eulerin-Bernoullin palkkimallin eli teknisen taivutusteorian mukainen normaalijännitysten jakauma on σ x (x, y) = M(x) I(x) y, jossa taivutusmomentti M(x) = F x, ja jossa F on jännitysjakauman f(y) resultantti, eli F = t h 0 h 0 f(y) dy. Palkin poikkileikkauksen jäyhyysmomentti I on t(h(x)) 3 /1 ja palkin korkeuden puolikas h on muotoa h(x) = h 0 + x tan α. Normaalijännityksen lauseke on siten 3F xy σ x (x, y) = t(h(x)) 3. Materiaalien mekaniikka 4

Tasapainoyhtälöstä x akselin suunnassa σ x,x + τ xy,y = 0 seuraa τ xy = σ x,x dy. Lasketaan ensin σ x,x : σ x,x = 3F y(h 3h x) th 4, jossa h = dh/dx = tan α. Leikkaysjännityksen lausekkeeksi saadaan siten 3F y τ xy (x, y) = 4th 4 (h 3h x) + C(x), () jossa koordinaatista x riippuva integroimisvakio saadaan määritetyä reunaehdosta reunalla y = h, yhtälö (1), eli josta seuraa sin α σ x (x, h) + cos α τ xy (x, h) = 0, τ xy (x, h) = tan α σ x (x, h) = 3 tan α F x th. Leikkausjännityksen yhtälöstä () saadaan τ xy (x, h) = 3F (h 3h x) th + C(x), jossa h = dh/dx, joten funktioksi C(x) saadaan lauseke C(x) = 3F (1 (x/h) tan α). 4th Leikkausjännityksen jakauman lausekkeeksi saadaan viimein τ xy (x, y) = 3 F ( y ) 3 F (1 (x/h) tan α) + (1 (x/h) tan α) 4 th h 4 th = 3 [ F ( y ) (1 3 x ) 4 th h h tan α 1 + x ] h tan α. On muistettava, että h = h(x) = h 0 (1 + (x/h 0 ) tan α). Poikittainen normaalijännitys σ y voidaan ratkaista tasapainoyhtälöstä σ y y + τ xy x = 0, ja ottamalla huomioon reunaehto (1). Tee tämä harjoitukseksi ja piirrä jännitysten τ xy ja σ y jakauma eri poikkileikkauksissa. Materiaalien mekaniikka 5