научная статья по теме РЕШЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ЗАДАЧ ДЛЯ ТОЛСТЫХ УПРУГИХ ОБОЛОЧЕК НА ОСНОВЕ МЕТОДА ОТСЧЕТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Механика

Текст научной статьи на тему «РЕШЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ЗАДАЧ ДЛЯ ТОЛСТЫХ УПРУГИХ ОБОЛОЧЕК НА ОСНОВЕ МЕТОДА ОТСЧЕТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2014

УДК 539.3

© 2014 г. Г. М. КУЛИКОВ, С. В. ПЛОТНИКОВА

РЕШЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ЗАДАЧ ДЛЯ ТОЛСТЫХ УПРУГИХ ОБОЛОЧЕК НА ОСНОВЕ МЕТОДА ОТСЧЕТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Рассмотрен новый метод решения задач теории упругости для толстых и тонких оболочек в пространственной постановке. Метод основан на концепции отсчетных поверхностей внутри оболочки. Согласно этому методу в теле оболочки вводятся N отсчетных поверхностей, параллельных срединной поверхности и расположенных в узлах многочлена Чебышёва, для

того чтобы выбрать векторы перемещений этих поверхностей и1, и2,..., иж в качестве искомых функций. Такой выбор искомых функций позволяет представить разрешающие уравнения предложенной теории оболочек высокого порядка в достаточно компактной форме и получить деформационные соотношения, которые корректно описывают перемещения оболочки как жесткого тела.

Ключевые слова: теория упругости, теория оболочек высокого порядка, метод отсчетных поверхностей.

1. Введение. Традиционный путь построения теории оболочек состоит в разложении перемещений в степенные ряды относительно поперечной координаты 93, отсчитываемой вдоль внешней нормали к срединной поверхности. Для приближенного представления поля перемещений можно воспользоваться конечными отрезками степенных рядов, поскольку основная цель теории упругих оболочек состоит в получении приближенных решений задач трехмерной теории упругости. Идея этого подхода восходит к Коши [1]. Однако кажущееся преимущество этой теории теряется при ее применении в задачах статики толстых упругих оболочек, в которых для получения приемлемых результатов необходимо удерживать достаточно большое число членов в соответствующих разложениях.

Более продуктивный подход связан с введением в теле оболочки отсчетных поверхностей И ,И ,...Д2 , параллельных срединной поверхности, с целью использования векторов перемещений этих поверхностей в качестве искомых функций [2, 3]. Такой выбор искомых функций с последующим использованием полиномов Лагранжа степени N -1 в пространственных аппроксимациях перемещений позволил представить разрешающие уравнения предложенной теории оболочек высокого порядка в достаточно компактной форме и построить деформационные соотношения, которые точно представляют перемещения оболочки как жесткого тела в системе криволинейных поверхностных координат. Однако доказательство этого фундаментального утверждения представлено не было. Отметим также, что идея метода отсчетных поверхностей восходит к работам [4—9], в которых на основе введения лицевых поверхностей оболочки О-, в качестве отсчетных построены различные варианты геометрически линейной и нелинейной теорий оболочек.

Теория оболочек высокого порядка [2, 3] основана на использовании эквидистантных отсчетных поверхностей, при этом лицевые поверхности оболочки выбираются в качестве отсчетных. Это ограничивает применение данной теории для расчета толстых оболочек. Дело в том, что предложенная пространственная полиномиальная интерполяция вектора перемещений с использованием полиномов Лагранжа высокой степени может приводить вследствие феномена Рунге к значительной осцилляции полиномиальных аппроксимаций в зоне краевого эффекта. Этот феномен был открыт в [10] при изучении погрешности полиномиальной интерполяции для приближения некоторых функций на равномерной сетке. С возрастанием степени полинома погрешность интерполяции может стремиться к бесконечности. В численном анализе для борьбы с указанным явлением в качестве узлов интерполяции принято использовать корни многочлена Чебышёва [11], что помогает существенно улучшить поведение полиномиальных аппроксимаций высокой степени, для которых ошибка интерполяции стремится к нулю при N ^ да. Это дает возможность находить решение трехмерных задач статики для толстых оболочек с любой наперед заданной точностью при достаточно большом числе отсчетных поверхностей.

2. Кинематика оболочки. Рассмотрим оболочку постоянной толщины h. Отнесем срединную поверхность Q к криволинейным ортогональным координатам 9Ь 92, отсчитываемым вдоль линий главных кривизн, а координату 93 будем отсчитывать в поперечном направлении. Базисные векторы срединной поверхности оболочки имеют вид

a а = г,а = Aaea, аз = ез (2.1)

где г = г (9i, 92) — радиус-вектор срединной поверхности; Aа (6i, 92) — коэффициенты первой квадратичной формы; еа (91,92) — единичные векторы касательных к координатным линиям 9а; е3 (91,92) — единичный вектор внешней нормали к срединной поверхности. Отметим, что в статье соглашение о суммировании по повторяющимся индексам не применяется.

Пусть R = г + 93е3 — радиус-вектор оболочки, тогда базисные векторы в теле оболочки можно представить в форме

g а = R,a = Аасае ^ §3 = R,3 = е3 (2.2)

где ca = 1 + ka93 — компоненты геометрического тензора сдвига; ka — главные кривизны.

Обозначим через R1 = г + 93 е3 радиус-векторы отсчетных поверхностей Q7, которые располагаются внутри интервала (-h/2, h/2) в узлах полинома Чебышёва степени N, где 93 — поперечные координаты поверхностей Q7, определяемые согласно [11] по формуле

ai h ¡21 -1\ ,ч

93 =— cos In-) (2.3)

3 2 I 2N /

Тогда базисные векторы отсчетных поверхностей, показанные на фиг. 1, имеют вид ga = R3a = Аас1ае a, g1 = ез (2.4)

где c,^ = 1 + ka93 — компоненты геометрического тензора сдвига на поверхностях Q7.

Базисные векторы в теле оболочки в деформированном состоянии находим по формулам

§ = R,i = §i + u,;- (2.5)

где R = R + u — радиус-вектор деформированной оболочки; u — вектор перемещений.

Фиг. 1

Базисные векторы отсчетных поверхностей Q1 в деформированном состоянии представим в форме

gÎ = R 7а = g а + u 7а, ÏÏ37 = g3(03 ) = вз + в 7 (2.6)

u7 = u(03 ), в7 = u ,3(03 ) (2.7)

где R7 = R7 + u7 — радиус-векторы поверхностей Q7 в деформированном состоянии; u7 (0Ь 02) — векторы перемещений поверхностей Q7; в7 (0Ь 02) — значения производной трехмерного вектора перемещений по координате 03 на поверхностях Q7. Здесь и далее индексы I, J, Kуказывают на принадлежность некоторой величины к отсчетной поверхности и принимают значения 1, 2, ..., N; греческие индексы а, Р = 1,2; латинские индексы i, j, k, m = 1, 2,3.

3. Деформационные соотношения. В системе криволинейных ортогональных координат 0, тензор деформаций можно записать в форме [12, 13]:

2s j =~7~7 (g' • gj - gi • g j ) (3Л)

AiAjcicj

где A3 = 1 и c3 = 1. Значения компонент тензора деформаций на отсчетных поверхностях Q1имеют вид

2sj = 2Sj(03) =-1-Т1 (g7 • gj7 - g7 • gj) (3.2)

AiAjci cj

Вводя базисные векторы (2.4), (2.6) в деформационные соотношения пространственной теории упругости (3.2) и пренебрегая нелинейными членами, получим

2еав = —u^а • ев +—Ц"uJ3 • eа

Aaca ^ (3.3)

о 7 а7 1 7 7 „7

2£а3 = в • еа +-7 u,a • вз, Е33 = в • вз

Aaca

Представим далее векторы u7 и ß7 в ортонормированном базисе в,- согласно формулам

u7 = Y, U в, (3.4)

i

ß1 = I ßl в,- (3.5)

i

Из разложения (3.4) с учетом формул дифференцирования базисных векторов в, по криволинейным ортогональным координатам [14]:

— еа,а = ~Baeß - kae3, ~вР,а = Вава

1а 1 а (3.6)

— в3,а = Ма, Ва = Axß Ф ^ а)

следует

у-u'a = Z ^i (3.7)

,7 1 I D I , I ,7 1 I nl/о^ч

Лаа = — Ща,а + Bauß + kau3 > ^ßa = — uß,a - Baua ( P * a) Aa Aa

^3a = "y u3,a - kaUÎ (3.8)

Вводя разложения (3.5), (3.7) в формулы (3.3), приходим к скалярной форме линеаризованных деформационных соотношений

2saß=-7 ^aß+-7 a, 2sa3=ßa+-7s73=ßl (3.9)

cß ca Ca

4. Пространственные аппроксимации перемещений и деформаций. Заметим, что до этого момента не было сделано никаких предположений о характере распределения перемещений и деформаций по толщине оболочки. Пусть перемещения распределены в поперечном направлении оболочки согласно следующему закону [2]:

Щ = S LIuIi (4.1) i

где L1 (ö3) — полиномы Лагранжа степени N -1, определяемые по формуле

L7 = П (4.2)

Û1 Cr

j*I Из - Из

При этом L1 (ÖJ ) = 1, если J = I и L1 (ÖJ ) = 0 если J ф I. Из соотношений (2.7), (3.5), (4.1), (4.2) имеем

ß7 = £ MJ (ö3 )uJ (4.3)

J

где M1 = L73 — полиномы степени N - 2; их значения на отсчетных поверхностях D.1 находим по формулам

MJ ^ )п еНК (J *7 )

е3 -е3 K*I,J e3 -ез (4.4)

M7 (е7 ) = - X MJ (е7 )

J ф1

Таким образом, определяющие функции предлагаемой теории оболочек ß7 представлены в виде линейной комбинации перемещений отсчетных поверхностей и..

Следующий шаг состоит в выборе закона распределения деформаций по толщине оболочки. Очевидно, что распределение деформаций в поперечном направлении должно быть согласовано с распределением перемещений (4.1), т.е. имеем

% = I L7e I (4.5)

I

Теорема. Деформационные соотношения (3.3), (4.5) точно представляют перемещение оболочки как жесткого тела в системе криволинейных поверхностных координат.

Доказательство. Перемещение отсчетной поверхности Q1 как жесткого целого можно представить в виде [15, 16]:

(u7)Rigid = А + Ф х R7 (4.6)

А = £ Аге,, Ф = £ Ф.е. (4.7)

i i

где А — вектор поступательного перемещения оболочки; Ф — вектор вращений. Согласно [14] имеем

А,а = 0, Ф ,а= 0 (4.8)

Из (4.6) с учетом соотношений (2.1), (3.6), (4.8) следует

(u 7a)Rigid = Äac7a Ф X ea (4.9)

Принимая во внимание тождества

£ MJ (03) = 0, £ 0 jmj (03) = 1 (4.10)

j j

которые в свою очередь вытекают из очевидных тождеств

2 LJ (03) = 1, £ qjlj (03> = °3 (4.11)

j j

и учитывая (2.7), (4.1), (4.6), находим

(ß7)Rigid = £ MJ(07)(uJ)Rigid = Ф x e3 (4.12)

j

Вводя (4.9), (4.12) в деформационные соотношения (3.3), получим

2(б j)Rigid = (Ф x e,)e j + (Ф x e j )e;- = 0 (4.13)

что и требовалось доказать.

5. Полная потенциальная энергия. Подставим деформации (4.5) в выражение для полной потенциальной энергии упругого тела [17] и, вводя результирующие напряжений [2]:

А/2

Т1

н1 = | ъ^с^гй9з (5.1)

-А/2

получим

П = Ц 2^Е^Ну£у - Х(с+с2+ р+и+ - сГс2>;ГИ;Г)

О I I /У I

АЛ^^ - (5.2)

где рI, р+ — поверхностные нагрузки, действующие на внутренней и внешней поверх-

ностях оболочки О , О+; и- = щ (-А/2), и+ = щ (А/2) — перемещения поверхностей О , О+; са = 1 - каА/2, с~а = 1 + каА/2 — компоненты геометрического тензора сдвига на по

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