有限元笔记6-柱坐标系下的平衡方程

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柱坐标下的拉梅方程推导其实就用到一点坐标变换就可以了。

笛卡尔坐标系下的拉梅方程为:

(λ+2μ)(u)μu+F=0

笛卡尔坐标到柱坐标的转换为:

x1=x=rcosθ,x2=y=rsinθ,x3=z=z

对应的相关分量为:
u=(ur,uθ,uz),e=(eij),τ=(τij)i,j=r,θ,z

对应的算符运算法则为:

f=frr⃗ +1rfθθ⃗ +fzz⃗ 

u=1r(rur)r+1ruθθ+uzz

curl(u)=(1ruzθuθz)r⃗ +(urzuzr)θ⃗ +(1r(ruθ)r1rurθ)z⃗ 

笛卡尔坐标下的本构关系为:

τij=λδiju+2μeij

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那么对应的柱坐标下的应力应变关系为:

τrr=λu+2μurr

τθθ=λu+2μ(1ruθθ+urr)

τzz=λu+2μuzz

τrθμ=τθrμ=uθruθr+1rurθ

τrzμ=τzrμ=uzr+urz

τθzμ=τzθμ=1ruzθ+uθz

而位移和应变的关系为:

err=urr,eθθ=1ruθθ+urr,ezz=uzz

2erθ=2eθr=uθruθr+1rurθ

2erz=2ezr=urz+uzr

2ezθ=2eθz=1ruzθ+uθz

对应的应力平衡方程就可以写为:

τrrr+1rτrθθ+τrzz+τrrτθθr+Fr=0

τrθr+1rτθθθ+τθzz+2rτrθ+Fθ=0

τrzr+1rτθzθ+τzzz+τrzr+Fz=0

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