научная статья по теме ЗАДАЧА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ О КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛАСТИНЕ С КРУГОВЫМ ОТВЕРСТИЕМ Механика

Текст научной статьи на тему «ЗАДАЧА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ О КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛАСТИНЕ С КРУГОВЫМ ОТВЕРСТИЕМ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА < 4 • 2008

УДК 539.3

© 2008 г. В.В. ВАСИЛЬЕВ, Л.В. ФЕДОРОВ

ЗАДАЧА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ О КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛАСТИНЕ С КРУГОВЫМ ОТВЕРСТВИЕМ

На основе уравнений геометрической теории упругости [1], позволяющих связать напряженное состояние среды с геометрией порождаемого напряжениями риманова пространства, рассматривается плоская задача о концентрации напряжений в окрестности кругового отверстия в тонкой неограниченной пластине, нагруженной нормальными и касательными напряжениями. Метрический коэффициент риманова пространства, соответствующий координате, нормальной к плоскости пластины, истолковывается как переменная толщина пластины, находящейся в трехмерном евклидовом пространстве, определяющая оптимальный закон распределения материала пластины. Рассматриваются пластины, находящиеся в условиях одноосного растяжения, двухосного растяжения и сдвига. Для пластины с полученными законами изменения толщины строятся прямые численные решения соответствующих задач классической теории упругости и определяются коэффициенты концентрации напряжений.

1. Осесимметричная задача. Рассмотрим пластину с круговым отверстием радиуса R1 (фиг. 1), нагруженную вдали от отверстия при r = R2 постоянным напряжением о. Система уравнений классической теории упругости в напряжениях, отнесенная к полярным координатам r, 0, для пластины с толщиной, зависящей только от радиуса r, имеет вид

оГ + (ог - о0) / r + огНЧН = 0 (1.1)

er = (Or - VO0) / E, £0 = (О0 - vor) / E (1.2)

er = (re0)' (1.3) где ( )' = d( )/dr. Граничные условия можно записать следующим образом

oJ „ = 0, oJ = о (1.4)

r|r = R1 r|r = R2 v 7

Рассмотрим пластину постоянной толщины h = h0. Вводя функцию напряжений ф = ф(г) так, что

Or = ф/r, O0 = ф' (1.5)

можно тождественно удовлетворить уравнению равновесия (1.1) и привести уравнение совместности деформаций (1.3) к следующему виду

2

r ф'' + rф' - ф = 0 (1.6)

Решение этого уравнения, удовлетворяющее граничным условиям (1.4), позволяет записать следующие выражения для напряжений:

2

о R2

22 R2 - R1

R2

r

2

O0 =

о R2

22 R2 - R1

r

(1.7)

°r =

k, h

\h

> 4

k

12 3 4

Р

Фиг. 2

Для оценки эффекта концентрации напряжений введем коэффициент

к = 0^/00 (1.8)

О = л/°г — °г °е + °е (1.9)

т О

где Gi - интенсивность напряжений, oi - максимальное значение ai и oi - значение oi на достаточно большом расстоянии от отверстия, т.е. при г = Я2, причем Я2 > Для пластины с отношением = 10 распределение коэффициента концентрации (1.8) по относительному радиусу р = г/Я1 показано на фиг. 2. Максимальное значение к = 2 реализуется на контуре отверстия р = 1.

Рассмотрим аналогичную задачу геометрической теории упругости, согласно которой пространство, занимаемое пластиной, представляется как риманово пространство, порождаемое напряжениями. Для осесимметричной задачи метрическая форма имеет вид [2]:

2 2 2 2 2 2 йз = йг + г йе2 + Н (г)(1.10)

где Н(г) - коэффициент Ламе, соответствующий координате г нормальной к плоскости пластины (фиг. 1). Уравнение закона сохранения тензора энергии-импульса общей теории относительности (ОТО), компоненты которого являются для рассматриваемой задачи напряжениями, можно записать следующим образом [2]:

о; + (ог - ое)/г + огН ЧН = 0 (1.11)

Это уравнение тождественно удовлетворяется преобразованием Эйнштейна

ХО; = Н'/(гН), хое = Н"/Н (1.12)

Здесь х - коэффициент, выражающийся в ОТО через гравитационную постоянную, а в геометрической теории упругости связывающий тензор напряжений с тензором кривизны риманова пространства, порождаемого напряжениями.

Сравнивая уравнение (1.11) с уравнением равновесия (1.1) для пластины переменной толщины Н(г), можно заключить, что

Н'/Н = Н'/Н (1.13)

т.е. коэффициент Ламе риманова пространства с метрической формой (1.10), по существу, является толщиной пластины, содержащейся в трехмерном евклидовом пространстве. Коэффициент Н(г) определяется в геометрической теории упругости из условия инвариантности преобразования Эйнштейна по отношению к деформации пространства [1], т.е. предполагается, что это преобразование тождественно удовлетворяет уравнениям закона сохранения тензора энергии-импульса как для исходного, так и для деформированного пространства. Для задачи, описываемой уравнениями (1.11) и (1.12), получим [2]:

£; = (гее)' (1.14)

Это уравнение совпадает с уравнением совместности деформаций (1.3), что представляется естественным, так как в плоскости пластины (йг = 0) метрическая форма (1.10) соответствует евклидову пространству. Как известно [3], в классической теории упругости уравнения совместности деформаций обеспечивают сохранение евклидовых свойств пространства при его деформировании. Применительно к геометрической теории подстановка деформаций с помощью равенств (1.2) и последующая подстановка напряжений согласно соотношениям (1.12) приводит уравнение (1.14) к следующей форме [2]:

2 2 2

г НН' '' + гНН' ' - г Н'Н' ' - НН' + Vг(Н')2 = 0 (1.15)

Для упрощения этого уравнения предположим, что риманово пространство, характеризуемое коэффициентом Ламе Н(г), мало отличается от евклидова пространства, для которого Н = 1. Примем, что

Н (г) = 1+ /(г) (1.16)

где амплитуда функции /(г) много меньше единицы. Осуществляя линеаризацию уравнения (1.15) по /(г), получим

2

г /"■ + г/"- /' = 0 (1.17)

Выражения (1.12) и (1.13) для напряжений и толщины пластины принимают следующий вид:

ХОг = Г/г, хое = /" (1.18)

Н- /' Н = 0 (1.19)

Заметим, что формально уравнения (1.17) и (1.18) не отличаются от соответствующих уравнений (1.6) и (1.5) классической теории упругости, если принять / = ф. Однако в физическом отношении уравнения геометрической теории являются более содержательными, так как включают не формальную функцию напряжений, не имеющую физического смысла, а метрический коэффициент, определяющий, согласно уравнению (1.19), толщину пластины.

В геометрической теории предполагается, что в результате соответствующего решения определяется геометрия риманова пространства, порождаемая напряжениями, которая показывает рациональное распределение материала в неоднородном евклидовом пространстве [4].

Построим решение линеаризованной задачи геометрической теории упругости и найдем закон изменения толщины пластины Н(г), устраняющий концентрацию напряжений в окрестности отверстия. Рассмотрим бесконечную пластину с постоянной толщиной Н0, равномерно растягиваемую напряжением о, имеющую круговое отверстие радиуса Я1 и усиленную в окрестности отверстия кольцом переменной толщины Н(г) с наружным радиусом Я2 (фиг. 1). Будем считать, что для кольца

щг = я1 = Н\г = Й2 = Но (1.20)

где Н0 - заданная толщина пластины, а НЯ и Я2 - величины, подлежащие определению. Решая уравнение (1.17) относительно/, записывая далее напряжение ог с помощью первого равенства (1.18) и определяя постоянные интегрирования из граничных условий (1.4), получим

/'(г) = а(г - Я2г) (1.21)

а = -Х0Я2- (1.22)

Я2 - Я1

Интегрируя равенство (1.21), найдем

/(г) = а(г2/2-я21п г) + С (1.23)

Вернемся к соотношению (1.16), определяющему коэффициент Ламе Н(г). При г > Я2 (фиг. 1) пластина переменной толщины вырождается согласно второму граничному условию (1.20) в пластину с постоянной толщиной Н0, для которой Н = 1 и / = 0. Таким образом, постоянная С в соотношении (1.23) определяется из условия / = 0 при г = Я2. В результате получим

f(r) = а

rv2 2 л

R2 -r 2 r -2-— + R2ln —

2 1 R2

2

(1.24)

Рассмотрим уравнение (1.19), определяющее толщину пластины в окрестности отверстия (Я1 < г < Я2). Интегрируя это уравнение с учетом второго граничного условия (1.20) и равенства (1.24), получим

R2\a R1

h (r) = h01 — I exP

-a (R22- r2 )

(1.25)

Параметр а, определяемый равенством (1.22), можно выразить через толщину пластины на контуре отверстия. Полагая, что Н = НЯ при г = Я:, найдем

а 1п ( НЯ/Н0 )

а = -5-2-2— (1.26)

Я21п (Я2/Я1) - (Я22- Я 2) /2

Фиг. 3

Таким образом, толщина пластины в окрестности отверстия определяется равенствами (1.25) и (1.26), которые включают два неизвестных параметра: толщину пластины на контуре отверстия Не и наружный радиус участка переменной толщины Е2. Эти параметры можно выбрать так, чтобы минимизировать концентрацию напряжений в окрестности отверстия. Рассмотрим кривую к на фиг. 2, показывающую изменение коэффициента концентрации напряжений к (1.8) по радиусу пластины постоянной толщины. Как следует из графика, коэффициент к оказывается близким к единице уже при р = г/Я1 = 3 (точное значение к = 1.02). Таким образом можно принять Я2 = 3^1. Для определения Не строится численное решение уравнений (1.1), (1.2) и (1.3) при граничных условиях (1.4) для круглой пластины, толщина которой изменяется по радиусу в соответствии с выражением (1.25) и определяется зависимость к(НК). В результате расчета установлено, что коэффициент концентрации напряжений снижается при увеличении относительной толщины Не = Не/Н0 и оказывается близким к единице (точное значение

к = 1.007) при Не = 2.75. Соответствующая зависимость Н = Н/Н0 от относительного радиуса р показана на фиг. 2. Как следует из графика, изменение толщины пластины в окрестности отверстия близко к линейному.

2. Одноосное растяжение пластины. Рассмотрим пластину с круговым отверстием радиуса Ях (фиг. 3), находящуюся в условиях плоского напряженного состояния. Уравнения равновесия классической теории упругости для пластины переменной толщины Н(г, 0), отнесенной к полярной системе координат г, 0 (фиг. 3), имеют вид

г Э0

Н дг гН Э0

ЭОг 1 дтг0 ^

г- О0 ОгдН тг0дН

дтг0

д г

0

1 дО0 2Тг0 Тг0дН ОздЙ

+ "г Э0 +

,+ = 0

Н дг гНд0

(2.1)

(2.2)

Напряжения связаны с деформациями законом Гука

2 (1 + V)

(Ог - VO0) / Е,

(О0 - VОr)/Е, Уг0

г0

(2.3)

а деформации удовлетворяют следующему уравнению совместности

д2 £ г -2д2 ( гУг0) + г2 д02 дгд0 дг

д£е д г

д £г г

(2.4)

У

х

г

Для пластины постоянной толщины Н0 уравнения (2.1) и (2.2) тождественно удовлетворяются введением функции напряжений ф(г, 0) так, что

1

°r = 1

2

r Эф + Э_Ф

dr эе2

= ddJp т = 1 fd^rэ2ф Л

Э r

2

v

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