научная статья по теме КОНТАКТНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ КРУГЛОЙ ПЛИТЫ СО СКОЛЬЗЯЩЕЙ ЗАДЕЛКОЙ ПО ТОРЦУ Механика

Текст научной статьи на тему «КОНТАКТНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ КРУГЛОЙ ПЛИТЫ СО СКОЛЬЗЯЩЕЙ ЗАДЕЛКОЙ ПО ТОРЦУ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 3 • 2014

УДК 539.3

© 2014 г. Н. А. БАЗАРЕНКО

КОНТАКТНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ КРУГЛОЙ ПЛИТЫ СО СКОЛЬЗЯЩЕЙ ЗАДЕЛКОЙ

ПО ТОРЦУ

Рассматриваются две смешанные задачи теории упругости о вдавливании штампа в круглую плиту, помещенную без зазора в жесткую цилиндрическую обойму с гладкими стенками. В первой задаче плита без трения лежит на жестком основании, во второй плита жестко закреплена по основанию. Задачи решаются разработанным для тел конечных размеров методом, в основе которого свойства замкнутых систем ортогональных функций. Каждая из задач сводится к двум интегральным уравнениям (ИУ): ИУ Вольтерра первого рода относительно функции контактного давления, а также ИУ Фредгольма первого рода относительно производной от смещения верхней поверхности плиты вне штампа. Функция смещения ищется в виде суммы тригонометрического ряда и степенной функции с корневой особенностью. Полученная в результате плохо обусловленная система линейных алгебраических уравнений, после урезания имеет устойчивое решение. Дается способ решения ИУ Вольтерра. Найдены функция распределения контактного давления и безразмерная вдавливающая сила. Даются примеры расчета взаимодействия плиты с плоским штампом. Ранее изучались контактные задачи для прямоугольника и круглой плиты со свободным от напряжений торцом как без учета их закрепления [1, 2], так и с учетом [3, 4]. Описываемый здесь метод решения применялся в работах о взаимодействии упругих полых цилиндров конечной длины с жесткими бандажем и вкладышем [5, 6]. Следует упомянуть и другие работы, связанные с изучением контактных задач для тел конечных размеров, в частности, для круглой плиты. В этих работах для решения рассматриваемых здесь задач применялся метод однородных решений [7, 8] а также метод парных рядов-уравнений [9].

Ключевые слова: выделение корневой особенности, регуляризация СЛАУ, эквивалентные граничные условия, суммирование рядов.

1. Постановка задач и однородные решения. В цилиндрической системе координат г, Ф, I решаются две осесимметричные контактные задачи (А и В) для упругой круглой плиты, помещенной в жесткую цилиндрическую обойму с гладкими стенками. В задаче А в плиту толщины к (0 < z < к, г < 1), лежащую без трения на жестком основании сверху вдавливается жесткий штамп, имеющий радиус а и основание z = к — 8(г) (фиг. 1). В задаче В исследуется случай, когда плита жестко закреплена стороной z = 0. Будем считать, что торец плиты находится в условиях скользящей заделки, а в области контакта штампа и плиты отсутствуют силы трения. Тогда граничные условия задач А и В можно записать в виде

г'/.

Фиг. 1

Jur(1, z) = Trz( 1, z) = 0, 0 < z < h; Trz(r, 0) = xrz(r, h) = 0, r e I (1.1)

u

z(r, h) = -S(r), 0 < r < a; az(r, h) = 0, r e Г(I = [0, 1 ], Г = [a, 1 ]) (1.2)

B f Ur( 1, z) = Trz( 1, z) = 0, 0 < z < h; Trz(r, h) = Ur(r, 0) = uz(r, 0) = 0, r e I (1.3) [uz(r, h) = -5(r), 0 < r < a; az(r, h) = 0, r e Г (1.4)

Здесь a , ..., ur, uz — компоненты напряженно-деформированного состояния (НДС).

Общее решение осесимметричной задачи выразим через бигармоническую функцию Лява Ф(г, z) [10]:

А2 Ф = 0, Д = д? + r~ldr + 5r = 5 / dr, 5z = 5/5 z, 2 Gur = -5ДФ 2 Guz = (v0A - 5 2 )Ф, ar = (vA - 5?)5^, az = [(2 - v)A - 52 ]5^ (1.5)

Trz = 5r[(v1 + v)A - 52 ]Ф, = (vA - r~i5r )дzФ

где G — модуль сдвига, v — коэффициент Пуассона, v0 = 2 — 2v, v: = 1 — 2v.

Разыскивая функцию Лява в виде Ф = /0(уr)q>(z), где /v(yr) (v = 0, 1, ...) — функция Бесселя [11], у = const, из соотношений (1.5) найдем

A2Ф = /0(уг)(52 - у2)%(z) = 0, 9(z) = (a + byz)shyz + (c + dyz)chyz

2Guz = J0(Yr)[v19"(z) - v0Y29(z)],

2 ( )

= J0(Yr)[( 1 - vW'(z) - (2 - v)Y Ф'(z)]

2Gur = /1(Yr)Yф'(z), Trz = J1(Yr)(Y3( 1 - v)ф(z) + VYФ"(z)) (a, b, c, d - const)

Отсюда, удовлетворяя первым двум равенствам граничных условий (1.1), (1.3), получим уравнение J1(y) = 0. Корни у = уи (n = 0, 1, ...) этого уравнения простые и действительные, а их асимптотика при больших n имеет вид

уп = - 3/(8) + 3/( ) + O(и-5), Ип = п(п + 1/4)

Когда 1 < n < 6000, корни уи предпочтительно вычислять по итерационной схеме

УП+1 = УП - Ji(УП)/(Л(УП) - /1(УП)/in), У° = Ип - 3/(8^n), r = o, ..., 3

С учетом соотношений (1.6) находим однородные решения, соответствующие ненулевым значениям у„ (n = 1, 2, ...):

Фп = Jo(Ynr)9n (z), Фп (z) = (an + bn YnZ) sh YnZ + (Cn + dnYnZ) ch YnZ

2 Gu[n) = Ji(Ynr) unr (z), 2 Gu(zn) = Jo(Ynr) un (Z), ^Zn) = Jo(Ynr)^n (Z) (17)

= Ji (Ynr)xnz(z), ^(z) = уП (1 - v^ (z) + VYnФn' (z), U (z) = Yn Фп (z)

un(z) = viф'Г(Z) - voуПфП(Z^ ^ = (1 - v)Фn"(Z) - (2 - v)YnФn(Z)

Корню y0 = 0 соответствуют

Фо = /oZ3/3, uf) = тГ0) = o, af = fovo, 2GuZ0) = 2/0V1 z (fo = const) (1.8)

Учитывая равенства (1.7), (1.8), приведенные ниже суммы

да r да

Trz = X J1 (Ynr)inz(Z), J4(z)tdt = foo/(r) + X rJ1(Ynr)an(Z)/Yn

n =1 1 n =1 (1.9)

2 Gur = X J1(Ynr) S (z), 2 Guz = 2fo V1 z + X Jo (Ynr) ^(z), f( r) = v,

2 1

Г - 1

n = 1 n = 1

могут представлять компоненты НДС, т.е. эти компоненты и интегралы от них можно искать в виде рядов (1.9).

2. Решение задачи А. Для этой задачи положим

Ф«(*) = апshYnZ + йпуп1сЬуп1 (А = Сп = 0, п = 1, (2.1)

и введем обозначения

, \-8( г), 0 < г < а

иДг, Л) = и(г) = < (g(г) - искомая функция) (2.2)

I -&( г), а < г < 1

Как показывает апостериорный анализ, ряд, определяющий левую часть последнего условия (1.2), сходится медленно. Поэтому, с учетом равенства (2.2), граничные условия задачи А заменены на эквивалентные условия (1.9) при z = ^

да

г, Л) = £ JlЛ) = 0, г 6 I (2.3)

п = 1

да

2Ои(г, Л) = 2/0v1Л + £ J0(Ynг)ИП(Л) = 2Ои(г), г е I (2.4)

да

да

П

да

|ог(I, Н) = /оДг) + X / (^ШН)/у„ =0, г е ( (2.5)

1 п = 1

Здесь условие (2.5) эквивалентно равенству аг(г, И) = 0, г е I . Действительно, дифференцируя обе части условия (2.5), получим а ¿(г, И) = 0, г е I . И наоборот, если на промежутке интегрирования а ¿(г, И) = 0, то равенство (2.5) выполняется.

Условие (2.3) будет удовлетворено, если положить (И) = 0. Отсюда находим ап = -^„(2у + гпакгп), 1п = упН, п = 1, 2, ... (2.6)

Равенства (2.6) позволяют исключить из выражений для величин п (И), о^ (И) постоянные ап и записать условия (2.4), (2.5) в следующем виде

да

2выг(г, Н) = 2/оУ1Н + X /(УпО/^оУп = 2Сы(г), г е I (2.7)

|ог(Н)= о(г) = //(г) + X г!1 (УпГ/АУп = 0, г е Г (2.8)

1 п = 1

^п = аЪ1п + 1п/гп, ыкН) = /пУоУп, оп (Н) = /пБпу], /п = dnУп 1п

Если обе части равенства (2.7) умножить на г и проинтегрировать по отрезку [0, 1], то из полученного уравнения определится постоянная/0. Для нахождения коэффициентов /п используется ортогональность функций /0(уп, г), п = 1, 2, ... [11]:

1 ( 1 ^

0 = — (2.9)

/ = ^ ы (^ tdt = ы (1) - Гы' (^ г2 dt

2у1Н I л

о

11 20 20

/ = -г2-0— Гы(г)Л(УпОtdt = —^-^^Ц Гы'(г)Мtdt, п = 1,2,... (2.10) Л (Уп )Уп 0 Л (Уп )У 20

Заменяя в соотношении (2.8) коэффициенты /0, /¡, /2, ... на интегралы (2.9), (2.10) и учитывая равенства (2.2), условию (2.8) придадим вид

о(г) = 0<| |5'(t)К(г, ^tdt + (^К(г, t)tdt - V/г)#( 1) 1 = 0, г е ( (2.11)

К(г, ^ = V2t/(г) + X ип(г, t) + Яр, Лр = X ип(г, 0, ип = Я(г)(2.12)

~ РР^ /о (Уп)

п = 1 п = р + 1

г

п

г

да

о

V2 = г^т, Hn (r) = 2Dn ^YA, p ^ 4ooo

2v1h YnJo (Yn)

Пусть заданная 8(r) и искомая g(r) функции определяются рядами

да да

5(r) = X S^, o < r < a; g(r) = X §kgk(r), a < r < 1; 5(a) = g(a) (2.13)

k = o k = o

gk(r) = a2k + Xk • x(r), (r) = (r- a)(h +1)/2,

X1 + ,(r) = (r- a)(1 - r)i/2, h = o, 1, 2

Xj+4(r) = (1 - Cj(r))/l2, Cj(r) = coslj(r- a), lj = jn/l,

l = 1 - a, j = 1, 2, ..., i = 2, 3

Далее, подставляя ряды (2.13) в уравнение (2.11) и приравнивая нулю коэффициенты при Ьк (к = 0, 1, ...), получим систему функциональных уравнений

да

XXh /н(r) + jf(r)] = s/(r) -f(r), r 61 (2.14)

h = o

p да да

/н(r) = XQhHn(r) + R(r), R = X QhHn(r), /(r) = XInHn(r) (2.15)

n = 1 n = p + 1 n = 1

1 a 1

Qh = fxh (t) ^^ tdt, 4 = 2 k U2kJj^A dt, jh = -2v2 X (t) tdt, h, k = o, 1, ...

J Jo (Yo) J Jo(Yn) J

a o a

Sk = V2( 1 - a2k/(k + 1))a2k, Qn = X^^'T^a?n(-a) - Q°n(a)] - e2'kn - - ...

Q\ = X^^п(a) + iq„(-a)] -4+ 64iX\ + ..., e2 = 2i/J', Xn = (4iYn)-1

04 = X;|/2[q2„(a) + -a)] - 6^l(Xn - e4Xn + ...), ~eA = 12 + 4a2/12

Qn = VaUqn(a) + iql(-a)] + 4ilXn + 64i(2 - l)Xn + ... (2.16)

Qn = Т2Л(iXn)3/2[31 + (91 + 3o)iXn + 15(1o - 91/2)Xn + ...] + + JalXn[ ql( a) + iqn(-a)]

Qn+ 4 = 4aX2n[ iqj n (-a) - ql n ( a)] - 64 i(-1 j[Xl + хП (48 - 32j) + ...]

2

2ql(a) = zn +1/4( 1 + a) X X»), bo = 1, b1 = (3a - 5/a)/2,

s = o

4 Механика твердого тела, № 3 97

Ь2 = ( 9а - 54 - 15/а2)/8

д"(а) = г" +1/4( 1 + а) [2 + Х„(3а - 7/а) + >."(9а2 - 66 - 71 /а2) + ... ]

д2п (а) = г" +1/4( 1 + а)[ 1 + Хп(3а - 9/а)/2 + Х2п(9а2 - 78 - 111/а2)/8 + ...]

дп(а) = г" +1/4( 1 + а)[2/ + "Кпах/а + ^а2/а2 + ...], а1 = 3/3 - 6/2 - 20/ + 16

^4(а) = г" +1/4[2/ + Хпа1/а + ^а2/а2 + ...], а1 = 3/3 - 6/2 - 28/ + 24

45п(а) = г" +1/4( 1 + а)[8 + А.п( 12а - 44/а) + Х2п(9а2 - 90 - 128/2 - 159/а2) + ...]

а2 = 9/5/4 - 91 - 27/3 + 96/2 - 16/- 64, е4 = 8г(7¿а - 1 д/а - 3 + 2а/)//5/2

а2 = 72//-240 + 64/ + 132/2 - 39/3 - 914 + 9/5/4, г" +1/4(0) = ехр[т(н + 1 /4)0]

^ = Я У) "^(Ц (У" ^) О + 4 = _ / , /

(Л 1 - (-1)' • 1 т

, v(г) = —, ] =1'2'

(2.17)

/ = /2 = 1, /3 = 1 + и2, /4 = 2 и2 - 3, /5 = и + 3 и2 - 9, /6 = 45 - 12 ы2 + 3 и

Здесь правые части соотношений (2.16), (2.17) — асимптотические представления интегралов О"" , 4 (А = 0, 1, ..., 4,у = 1, 2, ...) при больших п [2, 12—14], полученные с учетом равенства

ехр ( 21упа) = г" +1/4 ( 2 а)[ 1 + 3 аХп + 9 а2 / 2 + ...]

(2.18)

выведенного из уравнения /1(у„) = 0.

Нетрудно показать, что функциональные ряды (2.15) равномерно сходятся на отрезке [0, 1], и следовательно, на этом отрезке их можно почленно интегрировать. Умножая уравнение (2.14) на гсо$1т(г — а) (т = 0, 1, ...) и интегрируя по отрезку [а, 1], получим бесконечную систему алгебраических уравнений относительно неизвестных (А, к = 0, 1, ...):

АХк = Ък (А =[ащ„], т, к, к = 0, 1, ...)

(2.19)

Ниже приводятся асимптотика интегралов От (т = 0, 1, ...) при п ^ ж и выражения для элементов матрицы А и вектора

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