научная статья по теме ВЫПУЧИВАНИЕ ПЛАСТИНОК И ОБОЛОЧЕК ПО СХЕМЕ КАРМАНА В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ Механика

Текст научной статьи на тему «ВЫПУЧИВАНИЕ ПЛАСТИНОК И ОБОЛОЧЕК ПО СХЕМЕ КАРМАНА В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА <1 • 2008

УДК 539.374

© 2008 г. К.И. РОМАНОВ

ВЫПУЧИВАНИЕ ПЛАСТИНОК И ОБОЛОЧЕК ПО СХЕМЕ КАРМАНА В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ

Проблема устойчивости и выпучивания пластинок в условиях ползучести исследована в основополагающих работах [1-4]. В статьях [5, 6] дано развитие теории выпучивания стержней и пластинок в рамках модели доминирующего изгиба [7]. При этом усилия в срединной плоскости пластинки определялись вне зависимости от решения задачи изгиба.

Ниже схема Кармана [8] применена к выводу двух основных дифференциальных уравнений связанной теории плоского напряженного состояния и изгиба. Решена задача выпучивания прямоугольной пластинки для линей-новязкой (ньютоновской) среды и показано, что схема Кармана дает существенную поправку к решению задачи изгиба при начальных прогибах, соизмеримых с толщиной пластинки.

1. Постановка задачи выпучивания пластинок. Рассмотрим в любых, в частных, декартовых, осях пластинку, центр которой в момент времени t = 0 имеет малый прогиб А0, нарастающий в процессе ползучести под действием сжимающих сил, приложенных в срединной плоскости. Ставится задача получения зависимости текущего прогиба А(0 центра пластинки и определения величины критического времени, соответствующего резкому нарастанию прогибов.

Допускается возможность смещения краев пластинки в ее плоскости. Уравнение состояния материала принимается в виде [9]:

%е = ка"е (1.1)

где Ъ,е - эквивалентная скорость деформаций; ое - эквивалентное напряжение; к и п -постоянные материала при определенной температуре.

Скорости деформаций и напряжения связаны между собой определяющими соотношениями

^ = Й- ^ - ) а2)

где а0 - среднее нормальное напряжение; 8у - символ Кронекера.

2. Плоское напряженное состояние (ПНС). В срединной плоскости пластинки имеют место однородные уравнения равновесия

дох дтху дт„, доУ

_X +_хУУ = 0 _— +_У = 0

дх ду ' дх ду

отождествляемые с помощью функции напряжений П(х, у) по формулам

ох = д2 П/ ду2, о у = д2 П/ д х2, т ху = -д2 П(дхду) (2.1)

Определяющие соотношения (1.2) с учетом уравнения состояния (1.1) могут быть представлены в виде

о „

Р _ —

V F 1Э2 F"

• д х

д У

22 д F 1 д F^

д x

' д y

Р = -3 Ре iZ.

2 о е д x ду

(2.2)

Геометрические соотношения в схеме Кармана для расчета упругих пластинок принимаются в форме

= ди + 1 fiw2 Р _ ди+1 fiw2

Р ду 21 ду)

Px дх + 21. дх) ' РУ

= 2 _ ди + ди + дЬдw 1ху _ рху _ ду дХ дх ду

(2.3)

где гх, гу, гху - деформации; у - сдвиг; и, и и м> - перемещения вдоль осей х, у и г, соответственно. Компоненты тензора деформаций (2.3) удовлетворяют основному геометрическому тождеству

2

д Р х

2

д Р у

■-2

2

д Р

Э2 ч 2 ~\2 ~\2

w ) д w д w

ху -

ду2 дх2 дхду (дхду) дх2 ду2

(2.4)

Дифференцируя соотношения (2.3) и (2.4) по времени, получим связь между скоростями деформаций и скоростями перемещений в виде

Р _ ди + д£д-W Р _ ди + д-Wi

Рх _ дх дхдх' Ру _ ду дуду

Р _ 1 'ди + д U + д_Е + д-W дWW ^ Рху _ 2(ду дх дх дх дх ду)

и основное геометрические тождество

д2Рх , д2Ру

-2

д2Р

ху _

_ 2

д2w д^ д2wW д2w д^ дw

ду2 дх2 дхду дхдудхду д х2 ду2 ду2 дх2 G[(*),w] _ д-w + ^-2д^^

_ -G(w, w)

(2.5)

д х 2 д y 2 д y 2 д х 2

дхду дхду

где О - оператор теории ползучести пластинки.

Подстановка соотношений (2.2) в тождество (2.5) приводит к основному уравнению ПНС:

д у

Гд2 F 1 д2 F^

д х 2

д у2

+ -d —

д х 2

Гд2 F 1 д2 F^

д х 2

' д у

Ч (0;

^ + 1L '

3 -ч 2

y 3 х 2 y

/

+ 2

дх ^

' д-F+ ^'

х 3 х y 2

+ 3

_э2_(Ре\aV

Л Л I I + — v2 v2F _ -G(w, w) дхду (ое) дхду 0е

(2.6)

2

= к

У2,

д2 F d^F ду д x

22 д x 2

+ 3

f ÉL)2

Vdxдy)

n - 1 2

В случае п = 1 основное уравнение ПНС принимает вид

kV2 V2F = -G(w, w)

(2.7)

3. Доминирующий изгиб. Схема доминирующего изгиба [7] разработана в случае нелинейно-вязкого материала в статьях [10, 11]. В декартовых осях основное уравнение доминирующего изгиба с учетом формул (2.1) принимает вид

д m - 1 2X

д x

д 2 wW + 1 д 2 w

~ 2 - - 2

2

, д m-1

ду X

д x

Л з •

'д у

+ д m - 1

Т"2х

ду

д2 тт + 1 д2 w

~ 2 д x2

2

ду2

, д m-1

+2 dx х

д w + д w д x3 д x д у2

аз • ^ . ) д w + д w

ду3 д x2 ду.

. д2 m-1 d2w mА ,

+ х ;Г;Г + X VV w = — G (F, w)

dxdу дxдy

D„

. д2Fd2w , д2Fд2w , д2F d2w G(F, w) = "Г—+ ——

д у2 д x 2 д x2 д у2

22

д w

д x 2

+ d2w d2w + д x 2 д у 2

22 д w

-д-у2

f ÉÉ.)2 vdxду)

(3.1)

Бп = 3-(т + 1)/2( Ш)тИт + 2/(т + 2), т = 1/п

где Бп - обобщенная жесткость, А - толщина пластинки.

В случае п = 1 основное уравнение доминирующего изгиба может быть представлено в форме

DV2V2w = hG(F, w)

(3.2)

Таким образом, задача расчета пластинок на выпучивание сводится к решению связанной системы уравнений (2.6) и (3.1). В частном случае п = 1 указанная система двух уравнений приводится к уравнениям (2.7) и (3.2).

Варианты аналитических решений указанных систем уравнений связаны с использованием метода коллокаций или метода Бубнова-Галеркина-Канторовича. Возможные координатные функции, полученные методами теории упругости, удовлетворяющие граничным условиям, в частности, для прямоугольных пластинок, даны в [8, 12].

4. Круговые цилиндрические оболочки. Компоненты деформации срединной поверхности тонкой круговой цилиндрической оболочки радиуса Я принимаются равными следующим выражениям [13]:

= ди +1 (д^)2

£х дх 21дх )

= ди + 1 fdw) 2- w Еу ду 2 V ду) - R

= 2е = ди + ди + dw dw ^ ду dx dx ду

e

X

х:у

Комбинация геометрических переменных образует тождество

Э ех + Э еу д Уху _ ( д2 м \2 Э2 м д2 м 1 Э2 м ЭХ2 ^ (д х ду) дх2ду2 Я д х2 Следовательно

д2 р х д2Ъу д2 рху Ъх + -2 ,г4гу _ -Ь (м, м)

ду дх2 дхдУ Ь (V, м) _

д2М д^ + д 2 V д2 м ^ д2М д2 м + 1 д2м

дх2 ду2 ду2 дх2 дхдУдхдУ Я дх2 где оператор теории ползучести оболочки Ь[(*), м] = м] + д2/(Ядх2).

Таким образом

д2. гЪ

д у2

2 1Э 2 + — 2 1Э 2 +2Эу

(д у2 2 Эх2, дх2 (°е) уд х2 2 Э у2, ^е)

/ 3 3 \ д^ + д3 F

ду3 дх2ду)

+ 2

д х 1ое

'д^+^л

3 Л л 2

д х д х ду"

+ 3

(.к).^ + V2у2F _ -Ь(м дхду (Ое)дхду Ое

-Ь (м, м)

(4.1)

(4.2)

В случае п = 1 основное уравнение ПНС принимает вид

кУ2 V2F _ -Ь (м, м)

(4.3)

Вывод уравнения по схеме доминирующего изгиба основывается на уравнении равновесия [8, 13]:

д2мх д2мху дМ _х - 2_ху +_у _

дх2 дхду ду2

д2м , К

а + М^м + + 2К ^ + ^

4 х- 2 у ду2 худ х ду Я

д х

где Мх и М , М^ - изгибающие и крутящий моменты в поперечных сечениях оболочки; а - внешнее давление; Мх, Ыу, - внутренние силы в срединной плоскости пластинки.

Подставляя в это уравнение тождества (2.1) и внутренние моменты [11] получим второе основное уравнение задачи теории выпучивания оболочки при ползучести

д -1 д х2

22 д м + 1 д м>

д х2

■д у

, д т - 1

+ дТ2 х

¿У

22 д м + 1 д м>

~ 2 э х2

, ^ Э т - 1

ду Х

3

3

д м + дм ~ -. 2

+Лгх

ду

т -1 д2!^

, Э т-1

+2 эхх

д м> + дм

д х3 д х ду2

дхду- дхду + хт-1у2у^_ ¿П[а + Ь(F'м)]

,ду д х ду

В случае п = 1 основное уравнение доминирующего изгиба принимает вид БпУ2У2м _ к [а + Ь(^ м)]

(4.4)

(4.5)

Следовательно, задача расчета круговой цилиндрической оболочки на выпучивание сводится к решению связанной системы уравнений (4.2), (4.4). В случае ньютоновской среды указанная система двух уравнений приводится к уравнению (4.3) и (4.5).

Соотношения безмоментной теории получаются, если уравнения (4.2) и (4.3) оставить без изменений, а в уравнениях (4.4) и (4.5) положить Бп = 0. В частном случае п = 1 уравнения (4.3) и (4.5) сводятся к системе

kV2 V2П = - L (W, w), q + L (П, w) = 0

5. Пример расчета. Структура решения, получаемого по схеме Кармана, выясняется на примере шарнирно опертой прямоугольной пластинки, сжатой силами Px = -Р, Py = 0.

В одночленном приближении в задаче теории ползучести примем w = = A(t)sin(лx/a)sin(л;y/й), где A(t) - определяемая в результате решения функция времени, a и Ь - размеры пластинки.

Положим п = 1. Тогда принятая функция прогиба дает возможность представить уравнение (2.7) в форме

VVf = Шf?П cos2^-- sin2 —

(5.1)

k Vaj Vb Функцией напряжений зададимся в виде

F =P¿ + B (t) sin—sin 2 bh a b

где B(t) - функция времени. Подстановка этого выражения в уравнение (5.1) приводит к невязке

B

a)4+2© i!+f i

sin—sin S-2 AAfl) 2fn) 2f cos2 ?-sin2 0

a b k V aj V b J V b a

По методу Бубнова-Галеркина-Канторовича отсюда следует первое уравнение исходной связанной системы

B = aAA

32 fn)2fn)2

а =

kn2VaJ VbJ [(n/a)4 + 2(n/a)2(п/b)2 + (n/b)4]

Второе уравнение (3.2) приводит к невязке

. nx . пy 2h . nfn)2fn)2f . 2ПX 2ny in—sin—-— ф — AB\ - 7 sin--cos -fa b D Vaj VbJ V a b

A

nj - f D! f b) 2+f í

, PA fn)2 . nx . ny

+ ------- --- sin------ sin------

DbV a

(5.2)

(5.3)

откуда с помощью метода Бубнова-Галеркина-Канторовича получим второе уравнение исходной связанной системы

A = IA

p_fn)2. -2Bhfn)2f?)2^

Db V a

D V a

/i J1

aj 4+2 f i! f!) 2+f b

a b

T r r • 2nx . 2ny , , ab Jj = J J sin —sin -b- dxdy = —

a b

00

г eel 2пу . пх . пу . зпх . пу) , , 4ab J2 = cos -f- sin—sin-f- — sin —sin-f- \dxdy = —— 2 JJl, b a b a b ) y п2

Подстановка равенства (5.3) в уравнение (5.2) определяет зависимость B(A):

\4П 1 т~1./„,\2/„\2

B

= faP(п)2 г V. Г(пч4

Db{ a

Ji /[Ji

a) + 2{a) {bj +{b

i 2 a h (п)2 (п)2 A2 D {a)[b) J2

Тогда из (5.3) следует дифференциальное уравнение

AA

i = f P (п

Db{ a

J i /1 J

п)4+2 fnj W+(п

12 ah (п) 2(п) %

A2 ~{a) [b)J2

Решение полученного уравнения с учетом начального условия A = A0 при t = 0 имеет вид (P = const):

Ji

п) Чп) "(п) 2+(п

4A

in a+

A0

+ah (п) (п) J 2 (A2- A ) = Dbf^J, t

В частном случае квадратной пластинки (a = b):

Pa

, A , 288A2-AO

ln AA + ——

t

0п

h

4 Dп

(5.4)

Решение без учета F, то есть по схеме доминирующего изгиба [11] получается на основе уравнения (п = 1):

V2V2w = D

/

-P

\

2)

д w д х2

откуда следует (P = const):

in

A = P (п

t

A0 Db{a) [(п/a)4 + 2(п^)2(п/b)2 + (п/b)4

В частном случае квадратной пластинки

Pa

A

in ------ =

Ao 4п2 D

t

(5.5)

Сопоставление решений (5.4) и (5.5) показывает, что поправка, вносимая схемой Кармана в решение задачи выпучивания, оказывается существенной при прогибах, соизмеримых с толщиной пласти

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