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研究生:李定炘
研究生(外文):Ting-HsinLi
論文名稱:雙層圓柱正交性圓管受扭力作用下之端部效應
論文名稱(外文):The End Effects of a Two-Layer Circular Tube with Cylindrically Orthotropic Materials Under Torsion
指導教授:褚晴暉褚晴暉引用關係
指導教授(外文):Ching-Hwei Chue
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:聖維南定理端部效應圓柱正交性狀態空間法特徵值展開法異向性材料功能性材料複合材料
外文關鍵詞:End effectsCylindrically orthotropicState space methodEigen-function expansionAnisotropic indexNonhomogeneous parameterContinuous parameter
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本文探討雙層圓柱正交性圓管受到扭力作用下端部效應的影響。依據彈性力學理論,探討一端固定另一端受到純扭矩的圓管,利用狀態空間法與特徵函數展開法求得解析解,再運用Mathematica去探討內層、外層與內外層受到均勻負載的情況,在不同異向性材料、功能性材料、複合材料對端部效應的影響,並與聖維南扭矩比較以得到聖維南定理的適用性,得到當材料異向性提高的時候,端部效應的影響會變大;改變材料非均質參數與連續性參數,使得材料的剛性產生變化,在內層受到負載的情況,剛性變小會使得端部效應增大;在外層受到負載的情況,剛性變小會使得端部效應減小,內外層受到負載的情況則必須考慮內、外層疊加的效應來決定。
The end effects of a two-layer circular tube subjected to end torsion are studied in this thesis. Both layers are made of functional graded materials and their properties are assumed to be cylindrically orthotropic. The twisting moment is simulated by applying uniform shear stress on the end surface. All the formulations are derived by employing the state space method and eigen-function expansion to obtain the closed form expressions of displacements and shear stresses. An anisotropic index ki(i=1,2) defined as the ratio of shear moduli are assigned to study the influence of the orthotropy on the end effects. The results of shear stresses obtained have been compared well with the solutions of so-called Saint-Venant’s torsion. Several factors, such as the anisotropic index, nonhomogeneous parameter, the types of applied surface tractions, and continuous parameter s, are then considered to discuss the decay of shear stresses starting from the end of the tube.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
符號說明 XVII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 本文架構 2
第二章 基礎理論 4
2.1 聖維南定理與端部效應 4
2.2 彈性力學方程式 4
2.3 狀態空間方程式 6
2.4 Sturm-Liouville方程式 7
第三章 問題分析與推導 9
3.1 問題描述 9
3.2 邊界條件與連續條件 10
3.3 推導過程 11
3.4 退化案例 22
3.4.1 雙層圓柱正交性均質圓管 22
3.4.2 單層圓柱正交性均質圓管 24
第四章 數值驗證與討論 26
4.1 材料異向性對端部效應的影響 27
4.1.1 內圈受到均勻負載之材料異向性對端部效應的影響 27
4.1.2 外圈受到均勻負載之材料異向性對端部效應的影響 32
4.1.3 內外圈受到均勻負載之材料異向性對端部效應的影響 36
4.2 非均質參數對端部效應的影響 40
4.2.1 內圈受到均勻負載之非均質參數對端部效應的影響 41
4.2.2 外圈受到均勻負載之非均質參數對端部效應的影響 45
4.2.3 內外圈受到均勻負載之非均質參數對端部效應的影響 49
4.3 均質複合材料對端部效應的影響 53
4.3.1 內層受到均勻負載之均質材料連續性參數對端部效應的影響 54
4.3.2 外層受到均勻負載之均質材料連續性參數對端部效應的影響 59
4.3.3 內外層受到均勻負載之均質材料連續性參數對端部效應的影響 63
4.4 非均質複合材料對端部效應的影響 67
4.4.1 內層受到均勻負載之非均質材料連續性參數對端部效應的影響 68
4.4.2 外層受到均勻負載之非均質材料連續性參數對端部效應的影響 73
4.4.3 內外層受到均勻負載之非均質材料連續性參數對端部效應的影響 77
第五章 結論 82
附錄A 84
參考文獻 85

[1] Sokolnikoff, I. S., Mathematical Theory of Elasticity, McGraw-Hill, New York, 1956.
[2] Lekhniskii, S. G., Theory of Elasticity of an Anisotropic Body, Mir, Moscow, 1981.
[3] Folkes, M. J. and Arridge, R. G. C., The measurement of shear modulus in highly anisotropic materials: the validity of Saint-Venant’s principle, Journal of Physics D: Applied Physics 8, 1053-1064, 1975.
[4] Horgan, C. O., Recent developments concerning Saint-Venant’s principle: An update, Applied Mechanics Reviews 42, 295-303, 1989.
[5] Horgan, C. O., Recent developments concerning Saint-Venant’s principle: A second update, Applied Mechanics Reviews 49, S101-S111, 1996.
[6] Tarn, J. Q., and Chang, H. H., Torsion of cylindrically orthotropic elastic circular bars with radial inhomogeneity: some exact solutions and end effects, International Journal of Solids and Structures 45, 303-319, 2008.
[7] Tarn, J. Q., A state space formalism for anisotropic elasticity, Part II: Cylindrical anisotropic, International Journal of Solids and Structures 39, 5157-5172, 2002.
[8] 彭世豪,實心與中空圓桿在扭力作用下之端點效應,國立成功大學土木工程學系碩士論文,2008。
[9] 謝和諺,雙層圓柱正交性非均質圓管受扭力作用下之端部效應,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2011。
[10] Martin, H. S., Elasticity Theory, Applications, and Numerics, Kingston, Rhode Island, 2009.
[11] Watson, G. N., A Treatise on the Theory of Bessel Functions, Cambridge University Press, Cambridge, Cambridge mathematical Library edition, 1995.

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