高等板壳理论内容介绍

薄壳的几何形状和变形情况通常都很复杂，必须引入一系列简化假设才能进行研究。最常用的假设是基尔霍夫－乐甫假设，以此为基础可建立薄壳的微分方程组，通过解微分方程组可得到壳体中的位移和应力。

基尔霍夫－乐甫假设 　1874年德国的H.阿龙将薄板理论中的基尔霍夫假设推广到壳体。1888年经英国的A.E.H.乐甫修正，形成至今仍然广泛采用的薄壳理论。基尔霍夫－乐甫假设包括四个内容：①壳体厚度（t）远小于中面最小曲率半径R； ②壳体的变形和位移量都非常小，而且转角和应变是同级小量，在变形几何关系中可以忽略二次以上的高阶项；③中面法线方向的正应力分量远小于与法线垂直方向上的正应力分量，前者在应力－应变关系中可略去不计；④变形前中面的法线在变形后仍为法线，且在变形过程中，壳体厚度不变。严格地说，③和④两点假设是不相容的，不过由此引起的误差在t/R量级以内，这对薄壳来说是允许的。

薄壳中的变形和内力 　相应于基尔霍夫－乐甫假设的薄壳的中面变形包括两个正交方向（α、β方向）的中面正应变ε1、ε2，中面剪应变γ，两个方向的中面曲率变化κ1、κ2和中面扭率变化值κ12；薄壳中的中面内力包括法向力T1、T2，切向力T12、T21，横向剪力N1、N2，弯矩Μ1、Μ2和扭矩Μ12、Μ21（见图）。薄壳理论的任务就在于求出中面的变形和内力，进而根据下列表达式求出壳内的应变分量和应力分量σ1、σ2、τ12：

式中z为所考虑的点到中面的距离。上述诸式中等号右端的第一项为沿厚度均匀分布的薄膜应变和应力，第二项为线性分布的弯曲或扭转应变和应力。

壳体方程组十分复杂，所以对任意载荷下的任意形状壳体求得一般解是很困难的，而只能求经过简化的某些特殊壳体的解，它们在工程应用上具有重要的价值。这些壳体有：

薄壳理论薄膜壳

如果壳体的几何形状（包括厚度）和表面载荷都是连续可微函数，则除壳体边缘局部区域可能由于受支承而出现弯曲应力外，大部分壳体一般处于无弯矩的应力状态。这种状态与薄膜受力状态相当，可根据壳体的无矩理论求解。按照这个理论，弯矩分量Μ1=Μ2=Μ12=0。根据平衡条件得到N1=N2=0;T12=T21，记为S。这样，在一般情况下，壳体的六个平衡方程将简化成只包含三个未知内力的三个方程：

无矩理论的上述基本方程是静定可解的，并且可归结为某个位移函数（见应力函数和位移函数）的四阶偏微分方程。工程上常见的二次旋转曲面壳体，在轴对称载荷（如均布压力、水压、风型载荷和重力等）作用下，可用无矩理论求得解析解。该解不仅近似地反映了壳体大部区域的应力和变形，而且在一般情况下，它与考虑弯矩后得到的特解之差为t/R的数量级，故可近似地作为特解。此外，无矩状态还是结构最佳的受力状态，所以无矩理论具有重要的实用价值。

薄壳理论圆筒壳

圆筒壳制作方便，应用极为广泛。此外，圆筒壳沿母线方向的曲率为零，而其周向曲率又为常数，所以易于进行理论分析。最初，圆筒壳方程的表达式相当复杂，1933年美国的L.H.唐奈作了简化：①在壳体中面的周向平衡方程中，忽略周向曲率对横向剪力N2的影响；②在变形分量κ1、κ2和κ12的几何方程中，略去含切向位移分量u和v的项。由此得到在仅有法向表面载荷q3作用的唐奈方程：

式中ξ=x/a，θ=s/a,a为圆筒的半径，x、s分别表示轴向和周向的长度变量；

1932年，苏联的В.З.符拉索夫针对周向加劲的长圆柱壳体（见加劲板壳）提出了一种简化的半无矩理论（又称半弯矩理论）。它是在忽略柱体母线方向所有弯矩和周向变形的基础上建立的理论，它还被推广应用于任意截面形状的长柱壳体。

薄壳理论旋转壳

德国的H.瑞斯纳和瑞士的E.迈斯纳分别于1912年和1913年以旋转壳体经线上的横向剪力和纬线方向的主曲率半径的积作为变量，并用经线上切线的转动角为另一变量，将壳体基本方程简化成两个互相耦合的二阶常微分方程的方程组。在无表面载荷的情况下，它是齐次方程组，可化为一个复数函数表达的二阶常微分方程。由于壳体弯曲具有边界效应，作为初级近似，德国的J.W.盖克勒于1926年曾利用这一特点把方程进一步简化。因原微分方程具有渐近性质，所以可用渐近积分方法求得精度较高的解。

薄壳理论扁壳

对于工程上常用的拱高较小（一般拱高与底面特征长度相比不超过1/5）的扁壳，德国的K.马格雷和苏联的穆什塔利于1938年根据其几何特点分别建立了这类壳体的基本方程。1944年符拉索夫将这一成果发展成为系统的扁壳近似理论。这一理论利用壳体中面扁平的特点把高斯曲率近似地取为零。另外，除了在中面应变分量的几何关系式和法向平衡方程中保留曲率效应外，其他都近似地采用平板方程的表达式。由于这些简化和圆柱壳体中的唐奈方程的近似假定相同，扁壳理论应用于零高斯曲率的圆柱壳体同唐奈方程完全一致，因此扁壳方程也可以说是唐奈方程的推广。

如图，其中加强的杆叫作加劲杆，又称加筋杆或加强肋。加劲杆的布局方式有多种，有等距加劲,不等矩加劲,单方向加劲和双方向加劲等。图为单向等距加劲板。有些加劲板壳是通过铆接将加劲杆固定在薄板或薄壳上,有些是用较厚的材料通过机械铣切或化学腐蚀等加工方法制成的。复合材料加劲板壳一般是将加劲杆粘接在薄板或薄壳上，再经加温固化而成。

和相同截面积的光板壳相比，加劲板壳截面的厚度增大，内力以较大的力臂组成反抗弯矩，所以在相同弯矩的作用下，加劲板壳中的应力比光板壳中的应力低得多，在光板壳开始破坏时，加劲板壳还能继续承载，即加劲板壳的强度较高；另一方面，加劲板壳比光板壳具有较大的截面惯性矩（见截面的几何性质），这意味着加劲板壳比光板壳具有较大的刚度。由于这些优点，加劲板壳广泛应用于飞机、船舶、桥梁、建筑以及仪表中。