научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО СЛОЯ НА НЕЛИНЕЙНЫЙ ИЗГИБ ПРЯМОУГОЛЬНОГО БРУСА ИЗ СЖИМАЕМОГО МАТЕРИАЛА Математика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО СЛОЯ НА НЕЛИНЕЙНЫЙ ИЗГИБ ПРЯМОУГОЛЬНОГО БРУСА ИЗ СЖИМАЕМОГО МАТЕРИАЛА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 4, с. 410-413

= МЕХАНИКА

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО СЛОЯ НА НЕЛИНЕЙНЫЙ ИЗГИБ ПРЯМОУГОЛЬНОГО БРУСА ИЗ СЖИМАЕМОГО МАТЕРИАЛА © 2015 г. В. А. Левин, Л. М. Зубов, К. М. Зингерман

Представлено академиком РАН Н.Ф. Морозовым 26.09.2014 г. Поступило 09.10.2014 г.

Б01: 10.7868/80869565215100102

В статье решена плоская задача теории наложения больших деформаций [1, 2] об изгибе составного прямоугольного бруса, состоящего из двух слоев, один из которых предварительно деформирован. Получено точное аналитическое решение этой задачи для случая, когда брус изготовлен из сжимаемых нелинейно-упругих материалов, механические свойства которых описываются потенциалом Джона [3, 4]. Явные аналитические решения некоторых других задач о напряженно-деформированном состоянии нелинейно-упругих тел с предварительно напряженными включениями при больших деформациях получены в [5—7]. Точное решение плоской задачи об изгибе однородного прямоугольного бруса для потенциала Джона при больших деформациях приведено в [4].

1. В соответствии с теорией наложения больших деформаций выделяются три состояния (конфигурации) составного бруса: начальное не-деформированное, промежуточное и конечное. В промежуточном состоянии брус состоит из верхнего ненапряженного слоя и нижнего однородно деформированного слоя, которые скреплены по линии контакта. Конечное состояние возникает после изгиба составного бруса как единого целого. Для той части бруса, которая предварительно не деформирована, промежуточное состояние совпадает с начальным. Далее начальному состоянию соответствует индекс 0, промежуточному состоянию — 1, конечному — 2. Постановка и решение задачи осуществляется в координатах промежуточного состояния. Декартовы координаты частицы в промежуточном состоянии будем обо-

Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова

ООО "Фидесис", Москва

E-mail: v.a.levin@cae-fidesys.com

Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Тверской государственный университет

значать х, у, I, а декартовы координаты частицы в конечном состоянии — X, У, Z. Обозначим через Fkn градиент деформаций при переходе из к-го в п-е состояние. Для краткости будем опускать нижние индексы у тензоров, описывающих переход из начального в конечное состояние, например, Fol2 = F.

Рассмотрим плоскую деформацию прямо -угольного бруса, занимающего в промежуточном состоянии область 0 < х < 1, 0 < у < к. Размер по координате I значения не имеет. Область 0 < у < к1 (0 < к1 < к) занята предварительно напряженным слоем. Начальная (предварительная) деформация этого слоя относительно естественного, ненапряженного состояния материала однородна и задается следующим градиентом деформации:

Foд =Ш1 ® ^ +Yi2 ® i2 + iз ® i3, (1)

где iк — координатные орты, а и у — положительные постоянные. Для верхней части бруса (в области к1 < у < к) предварительная деформация отсутствует и F0д = E (Е — единичный тензор).

Пусть нам известно определяющее соотношение упругого материала относительно естественной, ненапряженной конфигурации тела:

D = Ф(Р). (2)

Здесь F — градиент деформации, Б — тензор напряжений Пиолы, Ф — тензорная функция отклика. Определяющее соотношение того же материала в координатах промежуточного состояния имеет вид

Б1 = (^д)-1 <1 Фр), F = Fo>l • ^, (3)

где Б1 — тензор напряжений Пиолы относительно промежуточного состояния.

Будем использовать модель сжимаемого гармонического (полулинейного) материала [3, 4], для которого упругий потенциал Жи функция отклика задаются выражениями

W = tr2 (U - E) + цtr (U - E)2, 1 - 2v

Ф(Р) = (v tr U -1 - v) A + 2|aF,

U = (F • FT)1/2, 1 TT-1

(4)

(5)

A = U"1 • F.

В (4), (5) ц, v — постоянные, U — положительно определенный тензор растяжения, A — собственно ортогональный тензор поворота. Тензоры U и A являются элементами полярного разложения градиента деформации F. При малых деформациях определяющее соотношение полулинейного материала не отличается от закона Гука с модулем сдвига ц и коэффициентом Пуассона v.

2. Решение задачи изгиба ищется в виде X = p(y) sin р х, Y = p(y) cos р х,

Z = z, в = const, где X, Y, Z — декартовы координаты точек бруса в деформированном состоянии, р — относительный угол поворота поперечных сечений бруса. Градиент дополнительной деформации, отвечающий отображению (6), имеет вид

(6)

F1,2 =PpÍ1

>в! + dP i 2 dy

>e 2 +1

(7)

пуклостью вниз. Поскольку det F12 = вр

дол-

U = Iflpix

+

dp

dy

A = sgn p i 1

»ex + sgn ^ dy

(8)

) e 2 +1

Случаи 1) p> 0 и 2) p< 0 будем рассматривать по отдельности. На основании (8) получим

Í1 ±

dp.

-^i2 ® i2 +]

(9)

и = +Рр1! 1

ау

А = ±ц ® в! ± 12 ® е2 + 1313. Здесь и далее считается, что при использовании символов ± и + верхний знак соответствует случаю 1 (р > 0), а нижний знак — случаю 2 (р < 0). В дальнейшем будем использовать еще обозначения = рр, Ъ2 = —, т.е.

ау

^ = /1(у)11 ® в! + /2(у)12 ® в2 + 1 з ® 13 . (10) Из (2), (5) вытекает представление тензора напряжений Пиолы в задаче изгиба

Б1 = А(у)11 ® в! + Б2(у)12 ® е2 + Бз(у)1 з ® 13. (11) При помощи (1)—(3), (5), (9) найдем выражения напряжений в составном брусе из полулинейного материала:

А = 7^ [(1 -^1 + vF2 + 1],

1 - 2у

А [ + (1 -У)^2 + 1],

1 - 2у

(12)

e1 = i1 cos рх - i2 sin рх, e2 = i1 sin рх + i2 cos рх. Значение функции р (y) есть радиус окружности, в которую превращается при изгибе прямая y = const, поэтому p(y) > 0.

Параметр р может принимать как положительные, так и отрицательные значения. При р > 0 брус изгибается выпуклостью вверх, а при р < 0 — вы' dp ^ V dy J

жен быть положительным, величины р и — имеют

dy

одинаковый знак. Согласно (7), тензор растяжения и тензор поворота имеют представления

Н1 < у < к;

А = 7^[(1 - у')аТ^ + V/2 + у-1],

1 - 2v

= —; [V + (1 - V ')а-1у^2 + а-1], 1 - 2v

0 < у < к1.

Здесь в соответствии с (3) штрихом отмечены компоненты тензора напряжений Пиолы в предварительно деформированном слое, ц' и V' — материальные постоянные нижнего слоя, которые в общем случае не совпадают с материальными постоянными ц и V верхнего слоя.

Вытекающие из (11) уравнения равновесия упругой среды

dD1 dy

Щ

dy

= р A, h < y < h,

= р А', 0 < y' < h1,

(13)

с учетом соотношений (12) и (7) приводят к уравнениям для неизвестной функции р (у). В рассматриваемой задаче мы предпочтем другой способ решения, а именно, составим дифференциальное уравнение относительно функций А(у) и А'2(у). Из (7) и (10) вытекает уравнение совместности

dy

= Р F.

(14)

Разрешая соотношения (12) относительно Ъ1, Ъ2, получим

/ =±1 + (2ц)-1 [(1 -^А -vА2 ], ¥2 =±1 + (2ц)-1 [А + (1 -у)%2 ], к < у < к ; Ъ = ±а-1 + (2ц')-1 [(1 - V')а-1уА' - VБ-,

¥2 = ±у-1 + (2ц ')-1 [-V' А' + (1 - V') ау, 0 < у < к1.

Подставляя (15) в уравнение совместности (14) и используя уравнения равновесия (13), прихо-

(15)

1.0 1.5 РЛх

M ц hi

И

-1.5 -1.0 у-0.5/ 0

X N 2 / 1 ......■•• / -1

\ / / 3/

V-' / /

^ 1' -2 \

Рис. 1. Зависимости изгибающего момента М от параметра р для разных значений начального удлинения а а = 0.5 (1), 0.7 (2), 1 (3), 1.3 (4), 1.6 (5).

дим к дифференциальным уравнениям для функций D2(y), D2(y)

ЛЕВИН и др.

Dl

1.0

dy

1 _v

dD' а2р2 п, _ 2ц' ар2

Т D2 - ±

h1 < y < h,

0 < y < h1.

(16)

±1 +

(1 -v)p-1 dDi -VD2 dy

(1 -v ')р-1а-1y dD -v' D2 ■ — 1 dy

= ±а +---.

2ц'

(18)

3. Общее решение уравнений (16) имеет вид

А =

Vy + A2e -py + ,

1 -v

ар

ар

D2 = B1e 1 + B2e 1 +

Y % 2Ц'

(19)

-0.5

-1.0

y

йу2 у2 (1 -V ')у

После нахождения функций £2(у) и Б'2(у) напряжения Б1(у) и Д1'(у) выражаются при помощи (13), функции /1(у) и ^2(у) определяются при помощи (15), а функция р (у) выражается так:

Р(у) = в~^(у).

Граничные условия для уравнений (16):

1) А(к) = 0, 2) £2(0) = 0, 3) ВД) = ^2(кх). (17) Четвертое граничное условие выражает требование непрерывности функции р (у) в точке у = к1 и записывается следующим образом:

Рис. 2. Распределение напряжения £1 по толщине бруса при отсутствии внешней нагрузки при а = 0.5 (сплошная линия) и а = 1.6 (штриховая линия).

Постоянные А1, А2, В1, В2 находим из линейной системы уравнений, вытекающей из граничных условий (17), (18).

Изгибающий момент, который необходимо приложить к концам бруса для реализации деформации изгиба (6), вычисляется по формуле к к м (в) = ]А'рйу + ]ар йу. (20)

0 к1

Отметим, что параметры а и у, задающие предварительную деформацию нижнего слоя, не являются независимыми. Они связаны соотно-1 - V' а

шением у = ■

вытекающим из отсутствия

а (1 -v')

1 -v'

напряжений на площадках y = const в промежуточном состоянии нижнего слоя.

Некоторые результаты численных расчетов представлены на рис. 1 для случая ц' = ц, v' = 0.3, v = 0.35, h = 2.5h1. Приведены зависимости изгибающего момента M от параметра р для разных значений кратности начального удлинения а. Эти зависимости немонотонны, что свидетельствует о существенных нелинейных эффектах. При отсутствии внешней нагрузки (M = 0) брус изгибается выпуклостью вверх, если нижний слой предварительно растянут (а > 1), и выпуклостью вниз, если нижний слой предварительно сжат (а < 1). На рис. 2 показано распределение напряжения D1 по толщине бруса при M = 0 для двух значений кратности начального удлинения а.

Результаты решения могут быть использованы для проверки точности промышленных расчетных пакетов для прочностного инженерного ана-

лиза [8, 9], включая задачи о слоистых конструкциях и слоистых композитах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного контракта № 14.579.21.0007 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57914X0007). Исследования проводили в компании "Фидесис" — получателе субсидии Министерства образования и науки РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Levin V.A. // Intern. J. Solids and Struct. 1998. V 35. P. 2585-2600.

2. Левин В.А., Зингерман К.М. Плоские задачи многократного наложения больших деформаций. Методы решения. М.: Физматлит, 2002. 272 с.

3. John F. // Inst. Math. Sci. New York Univ. Rept IMM -NYU. 1958. № 250.

4. Лурье А.И. Нелинейная теори

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