научная статья по теме КРУЧЕНИЕ УПРУГОГО СТЕРЖНЯ С ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ В ВИДЕ ПАРАЛЛЕЛОГРАММА, ТРАПЕЦИИ, ТРЕУГОЛЬНИКА ИЛИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ МЕТОДОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ К ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОБЛАСТИ Механика

Текст научной статьи на тему «КРУЧЕНИЕ УПРУГОГО СТЕРЖНЯ С ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ В ВИДЕ ПАРАЛЛЕЛОГРАММА, ТРАПЕЦИИ, ТРЕУГОЛЬНИКА ИЛИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ МЕТОДОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ К ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОБЛАСТИ»

МЕХАНИКА

ТВЕРДОГО ТЕЛА № 2 • 2014

УДК 539

© 2014 г. А. Д. ЧЕРНЫШОВ

КРУЧЕНИЕ УПРУГОГО СТЕРЖНЯ С ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ В ВИДЕ ПАРАЛЛЕЛОГРАММА, ТРАПЕЦИИ, ТРЕУГОЛЬНИКА

ИЛИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ МЕТОДОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ К ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОБЛАСТИ

Преобразованием координат область поперечного сечения стержня переводится в прямоугольную, для которой спектры собственных функций и собственных значений известны. Представляя функцию кручения в виде обобщенного ряда Фурье, решение сводится к замкнутой линейной системе алгебраических уравнений относительно коэффициентов разложения. Показано, что используемые ряды Фурье абсолютно сходятся, так как коэффициенты разложений убывают по кубическому закону в зависимости от номера слагаемого. Доказана теорема о сходимости приближенного решения в виде конечной суммы ряда Фурье к точному решению. Приведено обобщение на случай сечения стержня произвольной формы.

Ключевые слова: упругий стержень, сечение, параллелограмм, трапеция, треугольник, быстрые ряды Фурье.

1. Сечение стержня в форме параллелограмма. К настоящему времени известны решения задач о кручении упругого стержня для некоторых частных примеров [1, 2]. В монографии [3] предлагается решать подобные задачи при помощи нахождения конформного отображения данной области на область круга, что удается сделать в ограниченных случаях. В книге [4] приведено большое количество решений, где отдельные участки границы сечения стержня совпадают с координатными линиями ортогональной системы. В работе [5], в задаче о кручении, учитывается возможность появления осевой сжимающей силы и изгибных моментов, в [6] при кручении описывается эффект осевых остаточных деформаций, в [7] пространственная задача о кручении, растяжении и изгибе с помощью специальных преобразований сведена к двумерной для области поперечного сечения стержня. В [8] приводятся разрывные решения для жесткопластических стержней. В данной работе задачу о кручении упругого стержня предлагается решать с помощью теории спектральных разложений.

Существуют различные эквивалентные постановки задачи о кручении упругого стержня, из которых выберем ту, когда за неизвестную принимается функция напряжений. Данная функция удовлетворяет уравнению Пуассона с нулевыми условиями на границе односвязного сечения стержня О:

Классы функций Соболева—Лиувилля и условие гладкости в (1.1) будем использовать в связи с последующими разложениями и в равномерно сходящийся ряд Фурье [9]. Запишем уравнения сторон параллелограмма (фиг. 1):

2, Щ г = 0, и е Ьар+2 (О), и е С(3) (О), (х,

(1.1)

х = 0, х = 2а, у = кх, у = кх + 2Ь

(1.2)

Фиг. 1

Сделаем замену переменной

(х, у) ^ (х, 5), 5 = у - кх (1.3)

Область ^ при использовании переменных переходит в прямоугольную Ог (с

нижним индексом прямоугольника):

0 < х < 2а, 0 2 Ь, (х, £) еАг (1.4)

Дифференциальное уравнение и граничные условия из (1.1) в новых переменных принимают вид

ихх - 2ки*. + (1 + к2=-2, и € Ьа;2 (Ог), и € С(3) (ОГ)

и\х =0 = и1х=2а = и5=0 = и5=2Ь = 0 (x, 5) € Ог .

Решение уравнения (1.5) для областей с кусочно гладкой границей принадлежат к

классу гладких интегрируемых функций и е (Ог), и е С(3) (Ог), поэтому уравнение (1.5) относится к классу самосопряженных неотрицательных расширений эллиптических операторов [9]. Задаче (1.5) можно поставить в соответствие вспомогательную задачу о собственных функциях и собственных значениях (СФЗ) для оператора Лапласа [9] в переменных (к, для области Ог:

().. + (&т,п )рр + ^т,п&т,п = 0, (x, е ^г

' хх ', ' , ' (1.6) С \ = С \ = С \ = С \ = 0

"т,п1х =0 = т,п\х=2а = тп1 р=0 = т>п1 р=2Ь =

Обе проблемы (1.5) и (1.6) сформулированы для одной и той же области Ог с одинаковыми нулевыми граничными условиями. Для прямоугольника Ог в данном случае СФЗ имеют точные выражения [10]:

г, ■ тпх • пп£ ,, - (тл\2 [пп\ -ч

От,п = 0 ^ х < 2а, 0 2Ь, Хт, = (—) + (—) (1.7)

В соответствии с методом, предложенным в работе [11], функцию напряжений представим рядом Фурье

<ю 2а 2Ь

и = X Лт^т^ Ат,п = ^Ь I ^ I (1.8)

(т,п)=1 0 0

В [9] доказано, что для функций U е (Qr) ряд Фурье равномерно сходится в Qr. Представление решения в форме (1.8) заведомо удовлетворяет граничным условиям, остается найти коэффициенты Amn.

Решение задачи для параллелограмма в постановке (1.5) обладает свойством симметрии: каждой точке Mx(xb yx) в Q соответствует симметрично расположенная относительно диагоналей параллелограмма точка M2(x2, y2). Координаты точек Mx, M2 связаны равенствами

Xi + x2 = 2a, yi + y2 = 2ak + 2b, ^ = yi - kxx, = 2b - (Mb M2) eQ (1.9)

Векторы касательных напряжений в этих точках равны по величине и направлены в противоположные стороны, а функция кручения U должна принимать одинаковые значения

U (Mi) = U (M2) (1.10)

Отсюда имеем

Gm,n (Mi) = Gm,n (M2) ^ Sin тПХ- sin = sin^^Sin

2a 2b 2a 2b

Выражая x2, через x:, ^ при помощи (1.9), получим

. mnx\ . nníi , A\m+n • mnx\ . nn£i

Sin--Sin-= (-i) Sin--Sin——

2a 2b 2a 2b

Это равенство будет выполнено, если четность m и n одинаковая. Поэтому собственные функции из (1.7), удовлетворяющие свойству (1.10), будут иметь вид

Gm'n = Sin-Sin—-, 0 < x < 2a, 0 <q< 2b

a b

G(Jl = Sin (2m - i) — Sin (2n -i)^, m, n = i,2,... m,n \ >2a У '2b

(1.11)

Учитывая (1.11), ряд Фурье (1.8) перепишем в более удобной форме

ад

и = ^ (Ат,п^т,п + Вт,п^1п^п) (1.12)

(т,п)=1

Использование свойства симметрии (1.10) позволило сократить число неизвестных коэффициентов Фурье в два раза, так как ряд (1.12) содержит в два раза меньше коэффициентов по сравнению с рядом (1.8). Следует отметить, что ряд Фурье (1.12) обладает дополнительным свойством — он сходится не только внутри, но и на границе области Ог. Подобные ряды по синусам для гладких функций допускают почленное дифференцирование, после чего получаются ряды по косинусам, которые для гладких функций также допускают почленное дифференцирование [12]. Таким образом, ряд Фурье (1.12) можно дважды почленно дифференцировать по каждой из переменных x, ^ во всей области Ог. Третий раз почленно дифференцировать ряд (1.12) нельзя, так как

(ихх , иг ^ 0. Покажем, что ряд (1.12) абсолютно сходится в Ог и обладает высокой скоростью сходимости. Для этого запишем коэффициенты Фурье через двукратные интегралы

2а 2Ь 2а 2Ь

Атп = \ | йх [ Втп = \ [ йх [ Ж^й \ (1.13)

аЬ аЬ

Введем вспомогательные обозначения

2b

An (x) = 1 J U (x, t) sin nn ^ dt, An (0) = An (2a) = 0

b 2b b (L14) Bn (x) = 1 JU (x, t)sin (2n - 1)n2bdt, Bn (0) = Bn (2a) = 0

b J v 7 v '2b

0

через которые выразим коэффициенты Фурье

Атп = 1 I Ап (х)яптпхйх, Вщп = 1 |Вп (х)яп(2т - \)п^йх (1.15)

а а а 2а

о о

Выражения для Ап(х) и Вп(х) после трехкратного интегрирования по частям с помощью граничных условий для и, указанных в (1.1), приводятся к виду

2 2Ь

Ап (х) =-Ь-3 А* (х), А* (х) = и-- (х,2Ь) - (х,0) - Гесзпп\ п П 0 ь

,2

(2n -1)3 п3

Bn (x) = b 3 3 B* (x),

2b

B* (x) = -U^ (x,2b) - U^ (x,0) - J U^ c os (2n -1) п

0

Повторно используя трехкратное интегрирование по частям и граничные условия для An (x) и Bn (x) из (1.14), получим окончательный вид Amn, Bm n:

a _ a2b2 a* B __64a2b2_„*

Am,n _ 3 3 6 Am,n, Bm,n _ 3 \3 6 Bm,n

m n n (2m -1) (2n -1) n

2a

A*,n _ A*xx (2a) - A*xx (0) - I A*xxx (x)cos mn xdx (1.16)

a

0

2a

Bin _ -Btxc (2a) - B*xx (0) - I B*xxx (x) cos (2m -1) n x dx

2a

0

Полученные выражения для коэффициентов Am n, Bm n остаются справедливыми для любой формы сечения стержня и не зависят от преобразования (x,y) ^ (x, . Данное преобразование влияет только на дифференциальное уравнение и на конкретные значения указанных коэффициентов, где необходимо потребовать, чтобы (Е,y, Е,x, Е,xx) е C(Qr). Кубическая зависимость Amn, Bmn от номеров да-1, и-1 в (1.16) обеспечивает абсолютную сходимость ряда (1.12) во всей области Qr и высокую скорость его сходимости. Из (1.16) следуют оценки

(A1,2, А2Л)~10-4, A22 ~ 10-5, (B1,2, B21) ~ 10-3, В^Ю-4 (1.17)

Это означает, что при вычислении напряжений с точностью до 10-2 в ряде (1.12) достаточно удерживать всего четыре слагаемых с коэффициентами A11, B11, B12, B21. Если же

учитывать семь коэффициентов А, х, А, 2 , А21 , В1 х, В1 2 , В2 1, В2 2 , то, в соответствии с оценкой (1.17), точность повысится на порядок. При этом все остальные коэффициенты следует считать равными нулю.

Таким образом, трудоемкость при реализации предлагаемого метода по сравнению с численными методами гораздо меньше и позволяет быстрее получить решение задачи с высокой точностью, которое, к тому же, имеет аналитический вид (1.12).

Для нахождения коэффициентов Ат п, Вт п подставим Uиз (1.12) в (1.5)

^^ Ат ,п

(т , п)=1

т\ + (1 + к2) П'

/-|(1) . т; тп х с

2 IСтп + 2к—008тп—008пп-2 1 аЬ а I

+ ^^ Вт,п

Вт

(2т-1) + (1 + к 2) ^ 2 '

4а 2

+ к

(т,п)=1

(2т - 1)(2п - 1)

ст +

ит,п ^

(1.18)

2аЬ

008(2т - 1)пх008(2п - 1)^ v ; 2а v ' 2Ь

Так как и е 1Хр+2 (£1г), то левая и правая части равенства (1.18) принадлежат классу Хр (£1г), и потому их можно разлагать в соответствующие ряды Фурье по СФЗ в области Ог. Для

этого обе части уравнения (1.18) умножим на С^, затем на Ср2 и проинтегрируем по Ог. В результате будем иметь замкнутую систему линейных алгебраических уравнений относительно Ар5, Вр,5:

% + (1 + к2) ^

Ар,в +

32кр$ (2т -1) (2п -1) Вт п (т,п)=1 [4Р2 - (2т - 1)2] [452 - (2п - 1)2]аЬ

= 0

I

(т,п)=

+ П

32ктп (2р -1) (25 -1) Ат п :1[4т2 - (2р -1)2] [4п2 - (25 - 1)2]аЬ

(1.19)

(2р -1)2

4а 2

+ (1 + к2)

(25 -1)2

4Ь2

Вр,5 -

32

п2 (2р -1)( -1)

(р, 5)- 1,2,

Ограничиваясь в системе (1.19) и в суммах (1.12) конечным числом слагаемых, получим приближенное решение задачи (1.1). При его построении пришлось выполнять некоторую совокупность математических действий, ограничивать количество слагаемых в суммах и количество уравнений в системе (1.19). Поэтому возникает вопрос, будет ли конечная сумма из (1.12) при неограниченном увеличении числа слагаемых переходить в решение задачи (1.1) (или эквивалентной ей задачи (1.5)). В этой связи докажем теорему о сходимости к точному решению.

Теорема. Если (ихх,их^,и^^, Еу, Ех, Ехх) е С(1) (£1г) и коэффициенты Ар

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