научная статья по теме К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ТЕРМОУПРУГОСТИ КОНИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК Механика

Текст научной статьи на тему «К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ТЕРМОУПРУГОСТИ КОНИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА < 4 • 2008

УДК 539.3

© 2008 г. Б.В. НЕРУБАЙЛО, Л.Г. СМИРНОВ, О.А. СТРУКОВА

К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ТЕРМОУПРУГОСТИ КОНИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК

Рассматривается напряженно-деформированное состояние тонких конических оболочек при произвольном распределении по оболочке температурного поля. Получены уравнения общей теории, основанной на принятии только классических гипотез Кирхгофа - Лява. Однако ввиду их сложности построение точного решения задач аналитическими методами вызывает значительные или вообще непреодолимые трудности. Поэтому здесь краевые задачи формулируются для вытекающих из них упрощенных дифференциальных уравнений. Полное напряженно-деформированное состояние строится путем "склеивания" решений этих уравнений. Такой подход - метод асимптотического синтеза - оказался эффективным как при рассмотрении оболочек положительной и нулевой кривизны [1, 2], цилиндрических [3], так и конических [4, 5]. Здесь он иллюстрируется на примере произвольного температурного поля, причем, задача приводится к решению дифференциальных уравнений с полиномиальными коэффициентами и с правой частью, содержащей функцию Хевисайда, дельта-функцию, а также их производные.

1. Постановка и пути решения задачи. В случае принятия только классических гипотез Кирхгофа-Лява для тонкой конической оболочки получаем следующую систему трех дифференциальных уравнений относительно продольного, окружного и нормального перемещений u(r, ß), u(r, ß), w(r, ß):

Li1u + Li2v + L¡3w = ai(1+ v)atT*(r, ß) + b¡athT**(r, ß), i = 1, 2, 3

Ln =

d2 + 1 - v d_

dr2 2r2sin2 edß2

1 d 1 . + ----, L12 =

r

1

r dr

L13 = ctg^ -j2l, L2! = 2rske

V r d r r2

2r sin e

2

(1+ v)

dr dß

3 - v d_ r dßj

(1+ v)

dr dß

3 - v d_ r dßj

L

1-vd2

2

22

L

23

2 d r2 r2sin2 edß ctg e d с

1-vf 1 d 1 А . 2

2 + - V r Tr + 1 +2 C

2

1 d

r sinedß ctg2e

(2- v)

1-2v d2

dr2 rd r r 2sin2 edß2 r2 1 d3 2(1- v) d "

dr2dß r drdß r2sin2edß3

t efvd 1

1 = ctg ef r Tr +1

(1.1)

L32 =

ctg e d с

r2sinedß cose

(2- v)

3 d2

4 d

+

dr2dß r2sin2 edß3 rdrdß r2 dß_

2

3

r

3

3

L

1

33

ctg2 0 +

ctg2 0

1 д

ai - дг' a2 - sin 0др'

Гд2 1 д 1 + - — +

д r2

a3

22

r sin 0др

2(1- v) д2 1 д 2(1- v)

r2sin2 0 дв

2 r дг

2

r sin0

- 1 b1 = b2 = 6 r sin 0д в

и 6

Ьз--6

í д2 1 r +

д2 д +

v

22 2 6 Ctg 0

с - —V

12 r

д r2 r sin2 0дв2 д rJ

Искомые усилия и моменты выражаются через перемещения посредством дифференциальных зависимостей:

Tx (r,e) -

T2(r, в) -S(r, в) -Qi (r,в)

E6

1-v/ Eh

дu ví 1 ди t „

-r- + -1 -—7-5-ñ + u + w ctg 0 д r r V sin 0дв

1-v/ Eh

1 í 1 ди t „

_ I ~—Б-Ш + u + w ctg 0 r V sin 0дв

E6 1 - v

д u E6

+v -

дr 1 - v

atT*(r, в) atT*(r, в)

(1.2)

2 (1 + v) 1

1 дu ди v + -

_r sin вдв д r r_

и так далее

r r д^1 1 дН

r v G1- G2 + r д r +sin 0дв

дН

1 í 1 дС2

Q (r, в) - -ттг + 2H + r^

V! rVsin0 дв дr

Записанные уравнения являются, по-видимому, наиболее полными в настоящее время уравнениями общей теории конических оболочек [6].

В (1.2) через T1, T2, S, G1, G2, H, Q1, Q2 обозначены продольное и кольцевое усилия, сдвигающее усилие, продольный и кольцевой изгибающие моменты, крутящий момент и перерезывающие силы. Здесь r - продольная координата: расстояние от вершины конуса вдоль образующей оболочки; в - окружная безразмерная координата; 20 - угол при вершине конуса; 6, E, v - толщина, модуль упругости, коэффициент Пуассона; at -коэффициент линейного температурного расширения; r0 и R0 - координаты по r, соответствующие границам оболочки (r0 < R0) (фиг. 1).

Температуру T(r, в), которая в силу тонкостенности оболочки принимается линейно изменяющейся по толщине, представим в виде двух компонент: постоянной по толщине оболочки и имеющей перепад.

T*(r, в) - [T1(r, в) + T2(r, в)]/2, T**(r, в) - [T1(r, в) - T2(r, в)]/2 (1.3)

где T1(r, в), T2(r, в) - температура внутренней и внешней поверхностей оболочки, соответственно.

Принимаем, что нагрев осуществляется на участке образующей r1 < r < r2 (фиг. 1). Температурное поле представим в виде ряда

T*(Лв) - T*(r)Ф(в) - T*9(r)£Фпcosпв

п - О

T**(Лв) - T**(r)ф(в) - T**Ф(г)^Фпcosпв

(1.4)

(1.5)

п-О

2

2

r

r

Фиг. 1

В частном случае кусочно-постоянного распределения температурного поля в разложениях (1.4), (1.5) функцию cos пв следует заменить на cos tuft, а для ф(г) и фп получаем:

k в0 2

ф(г) = Q(r- r1) - Q(r- r2), ф0 = —, фп = n^sinknp0 (n = 1, 2, 3, (1.6)

где Q(r) - функция Хевисайда; ф0, фп - коэффициенты ряда Фурье при разложении функции температуры вдоль контура; k - количество нагретых областей, равномерно расположенных вдоль контура в одном поперечном сечении оболочки r = const со средним диаметром оболочки D , так что ширина нагретой области вдоль контура находится, как произведение p0D.

Система уравнений (1.1), как нетрудно заметить, эквивалентная одному уравнению восьмого порядка, имеет достаточно сложную структуру, а ее аналитическое интегрирование связано с известными трудностями, которые к настоящему времени остаются, видимо, непреодолимыми.

Одним из наиболее привлекательных путей получения достаточно точных и в то же время легко поддающихся численной реализации решений является применение методов асимптотического синтеза (МАС) напряженно-деформированного состояния, предложенных для цилиндрических оболочек [3], которые обобщаются на случай конических оболочек [4, 5].

Первый МАС основан на условии обеспечения минимума асимптотической погрешности и применении уравнений полубезмоментной теории и теории краевого эффекта при "малых" номерах гармоник разложений вида (1.4-1.5), а уравнений Власова-Донел-ла - при "больших" номерах п.

Второй МАС заключается в использовании при "малых" и "больших" номерах гармоник уравнений четвертого порядка по продольной координате (полубезмоментной теории, краевого эффекта, уравнений типа плоской задачи теории упругости и изгиба пластины), а при средних номерах - уравнений типа Власова-Доннелла.

Третий МАС основан на применении уравнений только четвертого порядка по продольной координате, к которым относятся уравнения краевого эффекта, уравнения полубезмоментной теории, уравнения типа плоской задачи теории упругости и изгиба пластины.

Методы вытекают естественным образом из асимптотического анализа уравнений общей теории, асимптотической и действительной погрешностей решений на основе приближенных уравнений.

Уточним понятия "малые", средние и "большие" номера гармоник.

В первом МАС граница "склеивания" приближенных решений легко устанавливается исходя из условия обеспечения минимума асимптотической погрешности, которое приводит к зависимости

4

n

(2/k4)T3 (R/h) (1.7)

Округленное до ближайшего целого числа значение n, найденное по этой формуле, обозначим через n. Отметим, что с целью получения этой зависимости можно также воспользоваться условием четкого разделения корней характеристических уравнений для полубезмоментной теории и краевого эффекта, что было сделано в работе [4] наряду с использованием условия минимума асимптотической погрешности.

Во втором методе при "больших" номерах гармоник возможна замена уравнений Власова-Доннелла уравнениями четвертого порядка для тангенциального и изгибного состояний. Для установления значения номера ряда, при котором такая замена правомерна, справедлива формула:

4 4 2 5/2

n =(2/k )(1-V2)(R/h)5/2 (1.8)

Округленное до ближайшего целого числа значение n, найденное по формуле (1.8), будем обозначать через n*.

Таким образом, имеем два характерных значения n (n = n, n = n*), разделяющих полный интервал изменения номеров гармонического ряда на "малые" (n < n, средние (n < n < n*) и "большие" (n > n*) номера гармоник.

Для перехода к уравнениям полубезмоментной теории, описывающим основное состояние оболочки, и к уравнениям краевого эффекта в исходной системе уравнений (1.1) и соотношениях (1.2) следует принять сильные неравенства, обобщающие критерий В.В. Новожилова [7] на случай конических оболочек:

(для основного состояния)

(1.9)

(для краевого эффекта)

где функция f(r, в) обозначает любую величину в оболочке (перемещение, усилие, момент).

Очевидно, что при таком подходе подлежат расщеплению и краевые условия. Так, при использовании полубезмоментной теории и тангенциального состояния они записываются относительно продольного и окружного перемещенией, нормальных и сдвигающих усилий, а в случае краевого эффекта и изгибного состояний - относительно нормального перемещения, угла поворота, момента и перерезывающей силы. Уравнениям Власова-Доннелла соответствуют те и другие одновременно.

Здесь полное напряженно-деформированное состояние конической оболочки представляется, следуя третьему МАС, в виде основного состояния, простого краевого эффекта (n < n*), изгибного и тангенциального состояний n > n* + 1. Причем третье из них имеет место при перепаде температуры по толщине, а последнее при наличии температурного поля, постоянного по толщине оболочки.

Поскольку в случае конических оболочек проблема может быть сведена к линейным дифференциальным уравнениям с полиномиальными коэффициентами, удобно искать решение соответствующих однородных уравнений в виде степенных рядов; причем в случае изгибного да и тангенциального состояний независимые решения однородного уравнения представляют собою простые степенные функции [4]. И если все независимые решения однородного уравнения известны, то с помощью функции Грина можно построить частные решения, соответствующие температурным воздействиям, которые находят отражение в правой части уравнений задачи. А функция Грина для линейных дифференциальных уравнений, если известны решения однородного уравнения, находится с помощью простых процедур, что и учитывается в краевом эффекте. Получить простое аналитическое частное решение в случае изгибного состояния дает возможность преобразование Меллина. Для расчета основного состояния частное решение ищется в виде степенных рядов с помощью разложения правой части в степенной ряд с предварительным приближением функции Хевисайда и ее производных. При этом используется приближенное представление дельта-функции.

2. Осно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком