научная статья по теме РАСЧЕТ ПОДКРЕПЛЕННОЙ СЛАБОКОНИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛНОЙ СИСТЕМЫ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ НА ПРОИЗВОЛЬНОМ КОНТУРЕ ЕЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ Механика

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТ ПОДКРЕПЛЕННОЙ СЛАБОКОНИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛНОЙ СИСТЕМЫ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ НА ПРОИЗВОЛЬНОМ КОНТУРЕ ЕЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА < 4 • 2008

УДК 539.3:534.1

© 2008 г. Н.П. ТЮТЮННИКОВ, Ф.Н. ШКЛЯРЧУК

РАСЧЕТ ПОДКРЕПЛЕННОЙ СЛАБОКОНИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛНОЙ СИСТЕМЫ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ НА ПРОИЗВОЛЬНОМ КОНТУРЕ ЕЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ

Тонкостенные слабоконические и цилиндрические оболочки с произвольным открытым, одно- или многозамкнутым контуром поперечных сечений, подкрепленные продольными элементами (стрингерами, лонжеронами), используются в конструкциях крыльев, фюзеляжей, судовых корпусов. Чтобы не допустить существенных деформаций контура, такие конструкции подкрепляются поперечными элементами (нервюрами, шпангоутами).

Для расчета напряженно-деформированного состояния таких составных конструкций используются различные расчетные модели и методы. В частности, для расчета основного напряженного состояния при изгибе, поперечном сдвиге и кручении удлиненных конструкций часто используется теория тонкостенных балок [1], основанная на гипотезе свободных (нестесненных) депланаций и искривлений контура поперечных сечений. Для расчетов с учетом стеснения депланаций и искривлений контура, вызванных переменным распределением нагрузок, поперечными подкреплениями и различием геометрических и жесткостных параметров отсеков оболочек, в общем случае обычно используется метод конечных элементов или суперэлементов (под-конструкций) [2, 3].

Для определенных частных случаев (в основном для отдельных отсеков цилиндрических и слабоконических оболочек, расположенных между поперечными подкрепляющими элементами, с использованием дополнительных упрощающих допущений) разработаны эффективные вариационные методы расчета в перемещениях [4-8] и в напряжениях [9], сводящие задачу к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. В одночленном и двучленном приближениях эти методы позволяют получить аналитические решения, удобные для практических расчетов. Однако для оболочек с многозамкнутыми контурами поперечных сечений, а также для уточненных расчетов при использовании вариационного метода Власова [4] возникают трудности выбора функций, представляющих депланации и искривления контура поперечных сечений. В работе [10] при расчете цилиндрической оболочки с однозамкнутым недеформируемым контуром поперечного сечения депланации представлялись в виде разложений по ортогональным на контуре собственным функциям, для определения которых методом разделения переменных было получено специальное интегродифференциальное уравнение. В [11] получено обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка типа уравнения Штурма-Лиувилля, решения которого представляют собой полную систему ортогональных функций, имеющих также ортогональные производные, на произвольном открытом, одно- или многозамкнутом контуре дискретно подкрепленной продольными элементами без-моментной цилиндрической оболочки. При расчете такой оболочки с разло-

жением перемещений по этим функциям получаются несвязанные между собой обыкновенные дифференциальные уравнения.

В публикуемой работе методом разделения переменных получены дифференциальные и соответствующие вариационные уравнения для численного определения полных систем собственных функций на произвольном контуре дискретно подкрепленной безмоментной слабоконической оболочки и слабоконической оболочки с недеформируемым контуром. С использованием полученных систем собственных функций задачи деформирования этих двух типов оболочек сводятся к несвязанным дифференциальным уравнениям, которые решаются точно.

1. Безмоментная слабоконическая оболочка. Рассмотрим короткий отсек тонкой слабоконической (в частном случае - цилиндрической) оболочки с произвольным открытым, одно- или многозамкнутым контуром поперечного сечения, дискретно подкрепленной продольными элементами (стрингерами) (фиг. 1). На торцах отсека x = 0, L могут быть заданы погонные усилия N, S или соответствующие им тангенциальные перемещения и, и, т.е. N или u, S или и. Отсек может быть частью составной конструкции, которая соединяется на торцах через посредство поперечных стенок и окантовок (нервюр, шпангоутов) с другими отсеками, как это имеет место в конструкциях крыльев, фюзеляжей, судовых корпусов. В таком случае отсек оболочки рассматривается как подконструкция (укрупненный конечный элемент или суперэлемент), для которой матрицу жесткости по отношению к обобщенным координатам, характеризующим перемещения торцов и, и, можно получить на основании аналитического решения в перемещениях. Последующие упрощения и допущения используются для того, чтобы получить точное решение такой задачи.

Положение любой точки срединной поверхности слабоконической оболочки будем характеризовать координатами x и s0, где x - произвольная продольная ось, проходящая через вершину конуса, а s0 - длина дуги контура поперечного сечения x = 0. Оболочка считается слабоконической, если угол a(s0) между осью x и любой образующей s0 = const является малым (sin a ~ a, cos a ~ 1).

Контуры поперечных сечений оболочки являются геометрически подобными:

У = У0 (s0) k (x), z = z 0 (s0) k (x), s = s0 k (x); k = 1 + x/L0

где у0(,0), г0(,0) - координаты точки контура в сечении х = 0; Ь0 - расстояние от вершины конуса в точке х = -Ь0 до торца х = 0. Если оболочка является сужающейся, то величина Ь0 будет отрицательной. В случае цилиндрической оболочки Ь0 ^ ±«> и к ^ 1.

Толщина оболочки к не изменяется по длине отсека, а площади продольных подкрепляющих элементов, направленных вдоль образующих = у, изменяются по линейному закону / = /0ук(х); тогда приведенная толщина к^(у0) = к(,0) + 1у/0у5(л0 - ,0, у) не зависит от х. Если площадь поперечного сечения у-го стрингера постоянна и равна /у, то в пределах длины короткого отсека его можно заменить эквивалентным по жесткости на растяжение стрингером переменного сечения/ = /0ук(х), где/0у = /у (Ь/Ь0)[1п(1 + Ь/Ь0)]-1.

Считаем, что все стрингеры, чтобы их не выделять, расположены внутри контура поперечного сечения оболочки. Например, стрингер на продольном краю = I располагается на линии ,у0 = I - 0; условный разрез контура может осуществляться с какой-либо одной стороны у-го стрингера при л = ,0, у - 0 или л = ,0, у + 0.

Деформации и перемещения срединной поверхности слабоконической оболочки связаны следующими соотношениями:

ди 1 (ди п) 1 ди , д (и) ,, 1Л

е х = д? ^ = 11(, ^ = Щ + к д-(к) (1Л)

где Я(,0) - радиус кривизны контура в сечении х = 0.

Физические соотношения для погонных усилий продольного растяжения и сдвига для конструктивно ортотропной оболочки примем в виде

Мх = Бех, 5 = ОкУхл (1.2)

При этом используется одно из следующих допущений:

1) М = 0, п/Я = -(ди/д,0 + цди/дх), Б = Ек*

2) е, = 0, п/Я = ди/дБ = Ек*/(1- ц2)

3) N. = 0, е,« 0, п/Я = -ди/д,0, Б = Ек*

Здесь Е, О, ц - модуль нормальной упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона.

Для получения уравнений будем использовать принцип возможных перемещений 5П - 5А = 0, где вариации потенциальной энергии и работы поверхностных нагрузок записываются в виде

ь ь

5П = Ц[ Мх 5ех + 5 5ух5] кйл0йх, 5А = Ц[ рх5и + р, 5и + р 5 п ] кйл0йх (1.3)

0 I 0 I

где I - контур поперечного сечения оболочки при х = 0. Далее будем полагать, что п = -Я(дп/д,0).

Дифференциальные уравнения равновесия оболочки в перемещениях имеют вид

2

„ д (, ди) 1 д („, ди ) , д Б кт- + т=т- Окт— + к

дхV дх) к дV д,0) дхд

Ои) + кРх = 0

(1.4)

1—Г

к дх_

кОкди + къокд (и

д дх (к

- к

р, + д70 (Яр\

Граничные условия на краях x = 0 и x = L записываются в виде: N = Np(s0) или u = uр(s0); S = Sp(s0) или и = Up(s0) (1.5)

где индексом в показаны заданные функции на торцах x = 0 (в ^ 0), x = L (в ^ L).

2. Полная система ортогональных функций на произвольном контуре оболочки. Решение однородных уравнений по методу разделения переменных ищется в виде

u = U( x)9( so), и = V(x)y( so) (2.1)

Тогда уравнения (1.4) при px = ps = p = 0 с учетом (2.1) принимают вид

B (kU' )'m + k— U^ VGh^ 1 + k (k_1V) (Ghw) = 0 ds0 V ds0; о s0

d (2.2) (kU)'ip + [ k3( kV)']' w = 0

о s0

где штрихом обозначается производная по x.

Разделив второе уравнение (2.2) на (kU ')у и учитывая, что первое слагаемое этого преобразованного уравнения зависит от s0, а второе слагаемое - от x, будем иметь:

W = аЭф/Э s0, (kU)' = -а[ k3 (k_1 V)' ]' (2.3)

где а - произвольная константа.

Далее с учетом соотношения (2.3) первое уравнение (2.2) приводится к сумме двух слагаемых, из которых одно зависит от x, а другое - от s0. В результате это уравнение разделяется на два:

д- (Ghдф/дs0) + X2B ф = 0, (kU')'-[ k— U + ak(k_1V)'] = 0 (2.4)

d s0

где - неизвестная константа разделения переменных.

Из уравнения (2.4) можно определить функции ф^0) и константы как собственные функции и собственные значения. Принято, что стрингер, расположенный на краю оболочки, переносится внутрь контура бесконечно близко от края, а линия условного продольного разреза контура замкнутой оболочки не совпадает с линией стрингера, где касательные усилия S имеют разрыв. На основании этого граничные условия для уравнения (2.4) записываются в виде: S = 0 или ЭфДу0 = 0 на свободном краю; u = 0 или ф = 0 на

закрепленном краю; u(x, 0) = u(x, l), S(x, 0) = S(x, l) или ф(0) = ф(0, [дф/д0 ] = 0 = [Эф^0 ] = l на соединенных краях s0 = 0 и s0 = l замкнутой оболочки.

При данных граничных условиях уравнение (2.4) является самосопряженным и имеет бесчисленное множество действительных собственных функций фя^0) и собственных

значений ^ , n = 1, 2, .... Если оболочка не закреплена по продольным перемещениям на каком-либо продольном краю, то, кроме того, имеем ф0^0) = 1, А0 = 0.

Как следует из уравнения (2.4) при Gh = const и B = const в случае оболочки с произвольным однозамкнутым контуром поперечного сечения, имеющем длину l при x = 0, собственными функциями являются sin(ns0/l) и cos(nso/l), n = 0, 1, 2, ....

Выполняются условия ортогональности собственных функций и их производных:

г Г0, т Ф n . ЭфшЭфп Г0, т ф п

= \ т = , J ds0 = К (2-5)

l [an, m = n l оs0 ds0 yknan, m = n

Для численного определения собственных значений и собственных функций на произвольном контуре оболочки переменной толщи

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