научная статья по теме О СООТНОШЕНИЯХ ОБЩИХ ДВУМЕРНЫХ ЗАДАЧ ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ УСЛОВИИ ПОЛНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ Механика

Текст научной статьи на тему «О СООТНОШЕНИЯХ ОБЩИХ ДВУМЕРНЫХ ЗАДАЧ ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ УСЛОВИИ ПОЛНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА <5 • 2008

УДК 539.374

© 2008 г. А.В. ГОРСКИИ, П.В. ГОРСКИИ

О СООТНОШЕНИЯХ ОБЩИХ ДВУМЕРНЫХ ЗАДАЧ ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОИ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ УСЛОВИИ ПОЛНОЙ пластичности

Определяются соотношения для двумерных задач теории идеальной пластичности при условии полной пластичности. Учитываются свойства анизотропии, неоднородности и сжимаемости материала, определяемые направляющими косинусами главного напряжения, координатами точек пространства и средним напряжением.

В качестве предела текучести берется функция вида к = к(о, п1, п2, п3, х, у, г). Соотношения определяются для общей плоской задачи теории идеальной пластичности. Полученные соотношения обобщаются для случаев осе-симметричной и сферической задач теории идеальной пластичности.

Условие полной пластичности имеет вид [1, 4]:

О! = о2, о3 = О! ± 2к, к = к (о, п1, п2, п3, х, у, г) (1)

Среднее напряжение определяется формулой

О = ^ + о2 + о3)/3 (2)

Компоненты п1 - направляющие косинусы главного напряжения о3 с осями координат хуг.

Для направляющих косинусов щ выполняется соотношение

п\ + п2 + п3 = 1 (3)

Пользуясь условием (3) предел пластичности можно записать как функцию от шести переменных:

к = к (о, п1, п2, п3, х, у, г) = к (о, п1, п2, х, у, г) (4)

Компоненты напряжения ох, оу, т , ... имеют вид [1-3]: ох = о + 2к/3 ± 2кп\, тху = ±2кп1 п2

оу = о + 2к/3 ± 2кпI, тхг = ±2кп1п3

у 2 хг 13 (5)

ог = о - 2к/3 ± 2кп\, туг = ±2кп2п3 о = (Ох + Оу + Ог)/3

Уравнения равновесия записываются в виде дох/дх + дтху/д у + дтхг/дг + ^ 1 = 0

дтху/дх + доу/ду + дтуг/д г + Р2 = 0 (6)

дтхг/д х + дтуг/д у + дог / д г + ¥3 = 0 где Р\ - компоненты массовой силы.

Предположим, что ох, оу, т , ... зависят от координат х, у и не зависят от координаты г, следовательно

о(х, у), n¡ = n¡(x, y), i = 1, 2, 3

(7)

Подставляя соотношения (5) в уравнения равновесия (6) и учитывая предположение (7), получим:

гЭох Этху

_х .__ХУ . с1

_Э7 + ""Э7 + Fl

„м 1 1 dk dk 2\да 0dk Эо 1 dk dk 2\dni

2 ±-- - --T- + --Г-n, --— + 2=;— n1 П2 — + 2 2kn, - --r— + -r— n, тт— + 2 3 Эо Эо УЭх до 12 Эy V 1 3 Эn1 Эn1 1J дх

он Э k ^ n1 + 2\ kn + --— n n2 br- + 2\ -

2 Эn1 1 2J Эу ' А 3 dn2 ' Эп

1 Эk Эk 2^Эn2 „Л Эk \dn2 , D - ■ n,n2 Ь-— ± «i

2ЛЭ n2 1

;niJ ахт+Ч kn1 +

Эп2п 2

J Эу

-chxj, + Э° _ Эх Эу

+ F,

. dk Эо

Э у

1 1dk dk 2^Эо

= 2эоn1n2d: + 21 i-- - --до + доn2 IЭГ + 21 kn2 + —n1n2 )+

"2 3 Эо Эо 2J Эу

dk

\dn1

dn1 2J Эх

+ 21 -

1 dk dk 2^Эnj 1 Эk ^dn2 1 1 Эk Эk 2^dn2

3ЭЩ + dn n2J ту + Tni + dnni n2J ~дх +2l2 kn2- í-idñ + üñ n2J эу

(8)

± r2

-Эх+эту

_ Эх Эу

+ F3

~dk Эо „Эk Эо ~ 2-т— n1 na---— + 2-т— n2 n3 ---— + 2

Эо 13 Эх Эо 23 Эу

dk

kn3 + -т— n1n3 -3 dn1 1 3 n

+ 2Г—n n kn1nAЭЭ^ + гГ—n n kn1nA^ + 2

Vdn1 23 n3 J Эу vdn2 13 n3 J Эх

kn1

3

2

kn

, dk kn2

kn3 + -T— n2n3--

3 Эn2 23 n3

23

dn1 Эх

dn2

ТУ ± R3 = 0

r

. 1Эk dk 2 dk ^ „ ± 2|--— + -п1 + э^n1n2J + F1

R

R

3 Э х Э х 1 Э у 1Эk dk 2 dk ^ „

3ЭУ + ЭУ п2 + «Э-х n1n2J + F

, г* 1Эk dk ^ „

3 = ± 2n31 эх n1 + ü- n2J + F3

(9)

Для определения характеристик системы присоединим к (8), (9) соотношения:

до , Эо , , ■=■— ах + -=■— ау = аа Эх Эу

д п1 дп1 д п2 дп2

-=■— ах + -=■— ау = ¿я,, -=■— ах + -=■— ау = ап2

дх ду 1 дх ду 2

(10)

Полученная система дифференциальных уравнений (8)-(10) принадлежит к гиперболическому типу.

Систему уравнений (8)-(10) рассмотрим как алгебраическую относительно шести неизвестных переменных:

Эо Эо dn1 Э n1 Э n2 dn2 Э х' Эу' Э х' Э У Эх' Эу

(11)

Составим определители А и А; системы уравнений (8)-(10), где I = 1, .6. Уравнения характеристик и дифференциальные соотношения вдоль них определяются из условий А = А; = 0.

А.В. Горский, П.В. Горский

Уравнения а, в, у - характеристик находятся из условия А = 0: (йу/йх)а,в = А + 4б / (2 С) (12)

А = (4 кМп1 + 3дп (- 1 + 2 п2)) п2 + 3дп (- 1 + 2 п\)п1 (13)

Б = + -4к*М(М + 2(п1 + 4)М)> 0

С = к (N + 2п\М) + 3 п^ дк (-1+ п2) + пп)

М = 3 ± дк/до, N = - 3 ± 2дк/до Уравнение третьей у-характеристики имеет вид:

(йу/йх)у = п2/п1 (14)

Дифференциальные соотношения вдоль характеристик находятся из условия А5 = 0 либо А6 = 0. Использование условий А1 = 0 (I = 1.4) приводит к вырождению дифференциального соотношения вдоль третьей у-характеристики.

Дифференциальные соотношения вдоль трех характеристик имеют вид:

81 82(йх) 1

± йо + — йп1 + — I — йп2 ± -(Н1 Я1 + Н2+ Н3Я3)йх = 0

8 1 8 \йу)а,ь,у 8

8 = N

-3-п3 ь+к ((N (1-пъ+2 п\м){- (3 ± 4дО)}

дк .2, дп1

81 = Nдп^8 -6к^п2N(г + п2ь)

дк_ дк„2т (й1\ 02 У йу\2 .. .2,

82 = -6 дщ ддп2 п3\Тхиу + 6к \ - п2 ^ + 9 п1 - ^ + 2пМ +

(15)

+ ^ + (15 ± 'ГО)п^) \ + 2к\ 9п2Ь((1 - ^)(ТХ, М + п^ +

д к дп

„2Ы )( й1

- (N + 2п1М -4 п

2 (йу]2

а, в, у

Ч "2 М (йу]

\ йх)

а, в, 1

+ п2\ 9- (N + 9п1 йх^ в ^ ) + 18п1 п2 - 9п2

дк 2

Н1 = - — п3Ь + 3 к

1 дп1

N (1 )(йх]а, + 6до П^П2 (йх),

+ \- N ± 12 &) 4 й£\ + (N + 6 Ы пп

до ) \ йх)а,в,у

= -9дк- п2 ь( +3 к

(16)

дп1 \ йх)а,в,у

а, в, у

дО

■±6&*1 - пЬ + N +2 л М - N ± 6* 4) п] й) ^^^^^ +

+ (-3 ± 2 Ю (-5 + 6 Л) пп ( йу

а, в, у-

+

h3 = 3n3

3i|L V n1 + n211

а, в, Y-

+ k i n

3 - 2( 1 + 3 )g J( Ш

а, в, Y

- (3 + 2 (1-3 я: )£)(»2-2 „( g)

а, в, Y

где М, N определяются из соотношений (13), Ь = п^ау/йх)^ р, Y - п2.

При численном решении конкретной физической задачи рациональней использовать определитель системы (8)-(10) А5 = 0 (либо Д6 = 0). При таком подходе уменьшается количество арифметических операций, что ведет к сокращению времени вычислений:

, 1 dk1 2 П dk ±-- + =-_ n1--\ =-— n1 И,

2 Эо( 1 3J Эо 12

2^ („2-11 «2Ík + -1^1 ±R- Щ Ík + ^

-Э---о---n1n2

|k Т" n Эо

|k

-Э---о---n1

0х 0 0

,1 lkÍ 2 1

| k

Эо 2

dy 0

э„1

"2(k +

Ik I I 1 |k ''1L r3 Ik I n2

n1 + k| 1 - — n21 ly-- k-- ±--— 5T-Tn2 + kl 1--9

I n1

I n1

I k 1 2 1 Ш1 (n2- 3

I k

I k 1 2 1

I n1

±— 2 kn: + -:--1 n:--

2 2 In2( 2 3

«3 Ik

0

dx 0

0

dy 0

2 n3 I «9

d о

d^ dno

0 0

dy

(17)

0

При соответствующей замене, аналогично [4], получаются соотношения для осе-симметричной и сферической задач теории идеальной пластичности в случае анизотропного неоднородного сжимаемого материала:

Схема перехода

Задача плоская осесимметричная сферическая

Система координат декартова цилиндрическая сферическая

Координаты х, у, г р, г, е 0, ф, р

Индексы 1, 2, 3 1, 3, 2 3, 1, 2

Дифференциалы dx, йу йр, йг d0, sin 0 • ёф

Компоненты соотношения (9) соотношения (18) соотношения (19)

Соотношения для осесимметричной задачи имеют вид п , „( 1 дк дк 2 дк V 2к, 22,^

К1 = ± 21- ш+ др п1 + дг п1 ± 7(п1- п2} + р1

R = ± 2n2(Ирn1 + I-n3] ± ^Тn1n2 + F3 (18)

dk IP '

п . 1Эk dk 2 dk 1. 2k „

R3 = ± 2 - ---- + -r-n3 + -г-n1 n3 ± — n1 n3 + F,

3 ( 3 dz dz 3 Эр 1 3J p 13

A.B. Горский, П.В. Горский

Соотношения Ri для сферической задачи имеют вид

Ri = ± 2p(- J Щ + nl + Щщп^ ± 2k(3щщ + (n\ - n\)ctgQ) + pF2

R2 = ± 2n2p(jk^ + ni)± 2kn2(3пз + 2пха%9) + pF3 (19)

R3 = ± 2p(- 3d9 + dO пз + ¿едф пзni) ± 2 k (1 - (n2 + ^) + nin3ctg 9) + PFi

При 9 = 90 = const для изотропного однородного несжимаемого материала при соответствующей подстановке соотношения (9), (12)-(16), (18)-(19) переходят в соотношения, приведенные в [1-3].

Для изотропного неоднородного несжимаемого материала (9 = 90G(x, y, z)) соотношения (9), (12)-(16), (18)-(19) при соответствующих подстановках переходят в соотношения для двумерных задач теории идеальной пластичности [4-6].

В общем случае при 9 = 9(о, n1, n2, n3, x, y, z) (с координатами p, 9, z для осесиммет-ричной задачи и p, 9, ф для сферической задачи) соотношения (9), (12)-(16), (18)-(19) определяют поле напряжений двумерных задач теории идеальной пластичности в случае анизотропного неоднородного сжимаемого материала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ивлев Д.Д., Максимова Л.А. О свойствах соотношений общей плоской задачи теории идеальной пластичности // Докл. РАН. 2000. Т. 373. < 1. С. 39-41.

2. Ишлинский А.Ю., Ивлев Д.Д. Математическая теория пластичности. М.: Физматлит, 2001. 704 с.

3. Ивлев Д.Д. Механика пластических сред. Т. 2. Общие вопросы. Жестко пластическое и упругопластическое состояние тел. Упрочнение. Деформационные теории. Сложные среды. М.: Физматлит, 2002. 448 с.

4. Горский A.B., Горский П.В. О расчете напряжений в неоднородном идеальнопластиче-ском теле // Изв. ТулГУ. Серия Математика. Механика. Информатика. 2004. Т. 10. Вып. 2. Механика. Изд-во ТулГУ. С. 52-69.

5. Горский П.В. О вдавливании кругового штампа в неоднородное жесткопластическое полупространство // Изв. ТулГУ. Серия. Математика. Механика. Информатика. 2004. Т. 10. Вып. 3. Механика. Изд-во ТулГУ. С. 62-75.

6. Горский A.B. О вдавливании клинообразного штампа в неоднородное жесткопластическое полупространство // Изв. ТулГУ. Серия. Математика. Механика. Информатика. 2004. Т. 10. Вып. 3. Механика. Изд-во ТулГУ. С. 62-75.

Чебоксары Поступила в редакцию

11.07.2005

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