научная статья по теме ЛОКАЛЬНАЯ ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАСТИНЫ С КРУГОВЫМ НАНООТВЕРСТИЕМ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ Математика

Текст научной статьи на тему «ЛОКАЛЬНАЯ ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАСТИНЫ С КРУГОВЫМ НАНООТВЕРСТИЕМ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 457, № 3, с. 282-285

МЕХАНИКА

УДК 539.3

ЛОКАЛЬНАЯ ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАСТИНЫ С КРУГОВЫМ НАНООТВЕРСТИЕМ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ © 2014 г. А. О. Бочкарев, М. А. Греков

Представлено академиком Н.Ф.Морозовым 30.12.2013 г.

Поступило 20.01.2014 г.

DOI: 10.7868/S0869565214210099

Особенностью наноматериалов и наноструктур является наличие поверхностного эффекта, вызванного действием поверхностных напряжений — аналогом известного в гидромеханике поверхностного натяжения. Этот эффект проявляется в зависимости от механических свойств нано-объекта от его размера [1—3]. С уменьшением соответствующих геометрических параметров размерный эффект усиливается. Следует отметить, что размерный эффект помимо теоретического обоснования [4, 5] имеет также экспериментальное подтверждение [6].

Локальная потеря устойчивости тонких пластин с отверстием на макроуровне активно исследовалась в 80-е годы [7, 8]. В частности, задача о локальном выпучивании тонкого одноосно растянутого упругого листа с эллиптическим отверстием, а также с отверстием более сложной гипотрохо-идальной формы (треугольной, четырехугольной, включая крайние случаи: от круга (рис. 1) до разреза или гипоциклоиды) была решена вариационными методами [8, 9] в рамках линеаризированной системы уравнений Кармана. Решение такой задачи сводится к решению обобщенной задачи Штурма-Ли-увилля для дифференциального уравнения

AAw (х, y) = Л

0 д2 w , 0 д2 w , ~ 0 д2 w а„ — + ^ yy~2 + 2 axy dXdyj

д х

д y

, (1)

в котором А — оператор Лапласа, w — прогиб пластины, соответствующий собственному числу Л и заданным кинематическим и статическим краевым

00 условиям, ахх = p ахх, а^ = p Oyy s

0

— ком-

поненты тензора напряжений в решении соответствующей плоской задачи теории упругости, х, у — декартова прямоугольная система координат. В результате первая критическая (эйлерова)

нагрузка р*, отвечающая минимальному собственному числу Л, находится в виде

p * =

-2=2- min л = kE\ h 2 hR

D =

Eh

12(1 - v2)

-, (2)

где Н — толщина пластины, Е — модуль Юнга, V — коэффициент Пуассона, Я — характерный линей-

шт Л

ный размер отверстия, к =

. Было пока-

24 (1 - V2)

зано, что механическая природа подобного локального выпучивания у свободных кромок отверстия связана с образованием локальных зон сжимающих окружных напряжений при одноосном растяжении пластины вдали от отверстия.

Согласно (1) для исследования проблемы устойчивости пластины с наноотверстием необходимо знать обобщенное плоское напряженное состояние пластины при учете поверхностных напряжений. Найдем его аналогично тому, как оно получено для случая плоской деформации [10]. Решение этой двумерной задачи основано на использовании линеаризованных соотношений поверхностной упругости Гертина—Мердока [11], комплексных потенциалов Гурса—Колосова и обобщенного закона Юнга—Лапласа [12], следуя которому гра-

Санкт-Петербургский государственный университет

Рис. 1. Собственная форма прогиба пластины при потере устойчивости.

ничное условие для кругового отверстия радиуса Я можно представить в виде

где

5

а33

стгг = —,

rr R

a.s = - --

15a

ss

r = R,

(3)

Я '

где агг, агЭ — компоненты объемного тензора напряжений в полярной системе координат г, 0 с

s

центром в середине отверстия, а33 — окружное поверхностное напряжение, для нахождения которого используется дополнительное условие непрерывности перемещений при переходе от объема к поверхности.

В случае обобщенного плоского напряженного состояния определяющие соотношения поверхностной линейной упругости [11, 12] и объемной упругости сводятся соответственно к следующим:

2 Ц - То,

ass =

h + 2 И

(Yo + (2 + 2 И, + Yo) (4)

arr = r2V( 2 (h + ИК. + hsss), h - 2 и

ass =

2 и

(5)

(2(h + и)бзз + hs„.), ars = 2 ^Srs.

P

P

\ - С4 ( 1 - H) + 3 ( 1 - 2 H2)

cos2Q

a = HoYo + p I 1 + 1 - 2Hi +

ass = - — + 2 j 1 + -2 +

P 2 l P

(6)

1+

3 ( 1 - 2 H2 )■

4

P

cos2Q I,

aBs = pj1 + 2^f2 - 3^) I s¡n29,

Ho =

2И,- Yo

M =

(h + 2и,)(R + M)'

H2 = M(1 + к )

2 2R + M( 3 + к) ( 2 + 2 И, + Yo)( 2 И,- Yo)

H = M( 1 + к ) 1 4 (R + M)'

к

= 5 h + 6 И 3h + 2 и '

X - 2 ц

Здесь 633 — окружная поверхностная деформация, Х5, ц — модули поверхностной упругости, аналогичные соответствующим постоянным Ламе X, ц; у0 — остаточное поверхностное напряжение; бгг, 6ЭЭ, бгЭ — компоненты тензора деформаций объемной упругости.

Построив решение краевой задачи (3) при действии вдоль оси у растягивающих напряжений р на бесконечности, а затем потребовав выполнения равенства 633 = 6ЭЭ при г = Я, которое вытекает из условия непрерывности перемещений, получим, используя соотношения (4), (5), следующие выражения для

г а

напряжений в полярных координатах р = - , 0:

Я

а _ Но То + р 1, 1 - 2Н

арр_ -Г" + 211-—г~-

(15 + 2ц)2 ц

Присутствие слагаемых с постоянными Ц, ] = 0, 1, 2, в формулах (6) указывает на влияние поверхностных напряжений на напряженно-деформированное состояние пластины. Очевидно, при увеличении размера отверстия это влияние ослабевает (размерный эффект). Равенство нулю коэффициентов Щ означает отсутствие поверхностных напряжений. В этом случае соотношения (6) — известное решение Кирша, которое справедливо как при обобщенном плоском напряженном состоянии, так и при плоской деформации.

Заметим, что в постановке задачи Штурма— Лиуввиля (1) напряжения предполагаются пропорциональными разыскиваемому собственному числу (критической внешней нагрузке). В то же время в первых двух равенствах (6) первое слагаемое не зависит от нагрузкир и, следовательно, не удовлетворяет этому условию. Вместе с тем с ростом нагрузки его вклад в нормальные напряжения арр и аээ становится все меньше. Полагая, что потеря устойчивости у кромок отверстия происходит при достаточно большом значении нагрузки, в расчетах на устойчивость пренебрежем этим слагаемым. Вопрос о возможности учета этого слагаемого в решении соответствующей задачи на собственные значения может быть рассмотрен в дальнейшем при проведении дополнительных исследований.

Для поиска первой критической нагрузки р* (точки бифуркации), при которой может возникнуть искривленная форма первоначально плоской пластины, воспользуемся принципом виртуальных перемещений. Согласно этому принципу потенциальная энергия деформация пластины И0) получит приращение, вызванное ненулевым прогибом,

V_ V0)(а,,) + А¥(ау; ») _

_ (а ¡у) + V(а,,; ^) + (^).

Подынтегральное выражение этого приращения запишем в полярных координатах:

Л

^" = -2 ÍÍ 4 R J J

1o

V 2) = Arr 4R2 J J

.2 o Ws , o Wp Ws wP + стоп—s + 2a --p—2

pp p

ps

P dp dQ,

(1 + V)

wp

w

w

+ HP + H^j + (7)

pp

1o

5

^ 2n

2

+

P

284

БОЧКАРЕВ, ГРЕКОВ

2.0 1.5 1.0 0.5

0

-0.5 -1.0 -1.5 -2.0

Р0

1.0

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

0 1

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0

7 8 Я, нм

Рис. 2. Зоны сжимающих нормальных окружных напряжений.

Рис. 3. Зависимость относительной критической нагрузки от радиуса отверстия.

+ (1 - V)((<

Ж

2

2 )

+ 4

ж

2\ -I

рйрй3.

р р2/ V р)

Прогиб пластины ^(р, 3) ищем в виде двойного ряда

да да

ж(р, 3) = Я £ £ 1 (Аиео8/3 + Вк1зт/3), (8)

к = 1 / = 0 р

удовлетворяющего условию затухания прогиба на бесконечности. При этом условия свободных кромок отверстия являются естественными для функционала (7) [13]. Предполагается, что первой наступает симметричная форма выпучивания кромок (рис. 1), как это имеет место при классических краевых условиях [9]. Поэтому наличие симметрии относительно координатных осей х, у позволяет среди тригонометрических составляющих удерживать только косинусы четного числа аргумента.

Согласно методу Ритца коэффициенты Ак1 трактуются как обобщенные координаты в смысле Лагранжа. После подстановки выражения (8) в равенство (7) приращение энергии деформации становится квадратичной формой относительно этих обобщенных координат:

А У =

Б

4 Я

п ( Ук/тп - Л Ук1тп ) . (9)

ординатам от потенциальной энергии (9) (а равно, только от ее приращения) равны 0:

дУ

дАтп

д ( А У)

дАтп

—2 ££Ак,( ут п - л у$1п) = о.

2 Я к = 1 / = о

(10)

Для проведения расчетов в представлении прогиба (8) удерживалось К членов разложения по р и Ь по 3. Тогда система уравнений (10) — линейная однородная система КЬ уравнений, которую запишем в виде

( У1) - Л-1 У2))А = 0,

(11)

„2 £££ £ А к/АтпУ к= 11 = 0т=1п = 0

Из-за громоздкости величины У^п и У^п здесь не приводятся. Из принципа виртуальных перемещений следует, что в состоянии равновесия механической системы потенциальная энергия деформации достигает минимума. В этом состоянии обобщенные силы, т.е. частные производные по обобщенным ко-

где А — вектор, составленный из обобщенных координат Ак1, V1 и V2 — симметричные матрицы,

составленные из коэффициентом У~к/^тп и Ук1тп, причем V2 — положительно определенная.

Очевидно, система уравнений (11) всегда имеет нулевое решение, которое отвечает плоской форме равновесия пластины.

Отыскание нагрузки р*, пропорциональной величине Л, при которой будет существовать выпученная форма равновесия, приводит нас к обобщенной алгебраической задаче на отыскание собственных значений Л—1 и собственных векторов А. Симметричность матриц обеспечивает вещественность собственных значений, а положительная определенность У2) позволяет обе матрицы последовательно привести к диагональному виду, например, методом вращения Якоби [14]. Согласно

*

да

да

да

да

этому методу уравнение (11) трансформируется в следующее:

(я-ЛлЕА _ 0, (12)

где E — единичная матрица, D = ё1а§{а,} — диагональная матрица, а ее собственные значения

Л-1 = а„ / = 1, 2, ..., KL.

Искомая первая критическая нагрузка p* выхода пластины из плоской формы равновесия будет соответствовать максимальному положительному значению Л-1 = шах{а,}, т. е. минимальному положительному значению собственного числа Л (см. также [15]).

Для численных расчетов критической нагрузки р* примем, что упругие свойства основного материала определяются упругими постоянными Ламе изотропного алюминия X = 58.17 ГПа, ц = = 26.13 ГПа. Соответствующие свойства поверхности — упругими постоянными (Н/м), полученными путем комп

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