научная статья по теме ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ ДЛЯ ЦИЛИНДРОВ И КОНУСОВ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ Математика

Текст научной статьи на тему «ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ ДЛЯ ЦИЛИНДРОВ И КОНУСОВ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 439, № 2, с. 192-197

МЕХАНИКА

УДК 539.3

ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ ДЛЯ ЦИЛИНДРОВ И КОНУСОВ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ

© 2011 г. Г. Я. Попов

Представлено академиком В.А. Бабешко 21.01.2011 г. Поступило 16.02.2011 г.

Цилиндры и конусы будем задавать соответственно в цилиндрической и сферической системах координат в виде

0 < г < а, -п<ф<п, 0 < г < к, а,к > 0; (1) а0 < г < аь 0 < 0 < ю, - п < ф < п,

П (2)

а0,аъ ю> 0, а1 > а0.

1. Рассмотрим сперва кручение указанных объектов. В случае цилиндра из трех искомых смещений иг (г, г), (г, г), иф (г, г)отличным от нуля будет только иф (г, г) = и (г, г), которое должно удовлетворять в области (1) уравнению [1]:

г[ги' (г, г)]'- г ~2и (г, г) + и" (г, г) = 0,

0 < г < а, 0 < г < к.

Здесь и далее принято частную производную по первой переменной отмечать штрихом, по второй переменной — точкой, а по третьей — запятой. Отличными от нуля будут напряжения

Тгф = Ог [гЛ (г г)}, тФг = Ои' (г г) (4) (О - модуль сдвига).

Начнем с задачи, когда торцы цилиндра г = 0 и г = Н закреплены:

и (г,0) = 0, и (г, к) = 0, тгф (а, г) = О[и' (а, г) - а~1и (а, г)] = д (г).

(5)

Для получения точного решения к уравнению (3) и краевым условиям (5) следует применить интегральное преобразование [2]

ип (г) = \и (г, г^п X пгйг, Xп = ^, •> к

и г) = 2 У вт х пгип (г). к

п=1

(6)

Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, Украина

Тогда краевая задача (3), (5) переходит в одномерную:

г^нп (г)]'- г(г) - Хи (г) = 0, (7)

ип (г) = С11 (X пг), и'п (а) - а (а) = О где qn — 8Ш-трансформанта заданной функции

?(г).

Краевая задача (7) легко решается, и точное решение задачи дается формулой обращения (6).

Если поставить задачу, когда один торец закреплен, а другой свободен, т гф| =0 = Оu, (г,0) = 0,

и (г, к) = 0, то и в этом случае можно получить точное решение, если использовать вместо интегрального преобразования (6) интегральное преобразование [3]:

ип (г) = \иг)СОБ^„г^ X* = П2 1),

и (^ г) = 2 У СОЙ Кгип (г). к

п=1

Перейдем к другой серии задач кручения цилиндра, когда

т гф| г=а = 0 или аи' (а, г) - и (а, г) = 0 (8) и меняются граничные условия на торцах.

Начнем со случая, когда один торец закреплен, а другой загружен:

и (г,0) = 0, тг9|г=к = д (г), т.е. и (г,0) = Од (г). (9) Для получения точного решения краевой задачи (3), (8) и (9) применим конечное интегральное преобразование Ханкеля [2]

щ (г) = \г/1 (Ъг) и (г, г) dг,

'(г,г) = ~2 У;

ф 1 (гЪ )и (г)

(10)

а2^[к2 + - а"2)][ (аЪ)] где суммирование берется по всем положительным корням ^ уравнения £/1 ( 1а) + к/1 (¡а) = 0, I = 1, 2, ..., при этом граничное условие (8) будет

0

х>

0

0

зо

зо

удовлетворено, если корни ^ будут находиться из уравнения ^¡1' ( 1а) - а~111 ) = 0, и потому в формуле обращения (10) следует положить к = а-1. В итоге краевая задача (3), (8) и (9) перейдет в одномерную и" (г) - £(г) = 0,щ (0) = 0, и' (0) = О~lqj (#I — трансформанта Ханкеля q(r)), которая легко решается, и точное решение получим по формуле (10).

Аналогичным путем строятся точные решения для задач, когда ы,(г,0) = О-1д0(г), ы,(г,к) = = О'^к (г), либо и(г,0) = /0 (г) ,ы(г,к) = /к (г).

2. Перейдем к задачам, связанным с деформацией кручения конуса (2). Здесь тоже из трех смещений иг (г, 0), ы0 (г, 0), ыф (г, 0) отличной от нуля будет только последняя ыф (г, 0) = V (г, 0) и напряжения будут выражаться так:

т0(р = Ог (г, 0)- ^0^ (г, 0)], Тчр = Ог[г (г, 0)]'.

Начнем с задач, в которых торцы закреплены:

V (а¡, 0) = 0, I = 0,1, (11)

а на конической поверхности 0 = ю могут быть всевозможные типы граничных условий. Рассмотрим наиболее важный случай, когда

ТеДг, ю) = g(r) или w'(r, ю) - ctgaw(r, ю) = G _1rg(r).

(12)

краевую задачу (13), (11) и (12) к следующей одномерной краевой задаче:

(sin0)-1 [sin 0w' (0)]'- (sin0)-2 w (0)-+1) w. (0) = 0, (15)

w'j (ю) - ctgrowy (ю) = G~lgj, где gj — трансформанта (14) функции rg(r).

Она решается просто, если учесть, что общим регулярным в нуле решением дифференциального уравнения из (15) будет функция wj(0) =

= C P 1/2 + ¡X. (cos0), выраженная через функцию конуса [5]. Найдя значение С из граничного условия (15), получим значение w. (0), подставив ее в формулу обращения (14), получим точное решение. Решение этой же задачи другим методом и в другой форме получено также в работе [6].

Для получения точного решения задачи в случае, когда w (а1,0) = 0, тГф|г=а = 0 или w'(a0, 0) - a—1w(a0,

0) = 0, следует применить интегральное преобразование (14), только вместо ядра преобразования y0 (r,X.) нужно взять ядро y*(r, Xj), определенное в

[4], там же приведены и формулы обращения для этого преобразования. Применение этого интегрального преобразования позволяет удовлетворить указанным граничным условиям на торцах и свести двумерную краевую задачу для (13) к одномерной, аналогичной (15).

Рассмотрим еще случай, когда

х0ф (r, ю) = 0 или w' (r, ю) - ctg® w(r, ю) = 0,(16)

или

а на торцах (r = ai, i = 0,1) выполнено одно из сле-Дифференциальное уравнение кручения конуса дующих условий: (2) согласно [1] можем записать в виде (w(r, 0) = w):

[r2w']'+ (sin 0)-1[w' sin 0]' - (sin 0)-2 w = 0, Пз)

(13)

a0 < r < a1, 0 < 0 < ю.

Для получения точного решения краевой задачи (13), (11) и (12) применим к ней интегральное преобразование, выведенное в работе [4]:

(17)

(18)

w. (0) = JУ (XJ)w(r,0)^

aa

да

w(^0) = 2XУ (r,XJ)wj (0),

W (flls ю) = 0, Хгв\r=a0 = g (0)

a1w'(a0,0) - w(a0,0) = a0G_1g(0),

a0w'(a0,0) - w(a0,0) = a0G_1g(0),

a1w' (a1,0)- w (a1,0) = a1G _1g* (0). Для построения точных решений краевых задач (13), (16), (17) и (13), (16), (18) к ним следует

применить интегральное преобразование

©

Wk (0) = (cos 0)sin0 w(r,0)d0,

(14)

j=1

w

y0 (r, X j) = T1/2sin (X j ln a01r), X j = Y-1nj, y = ln (-1a1).

(r, 8) = ¿P^ wt (e),

k=1 p,1^ (cos С

(19)

где uk — положительные корни трансцендентного уравнения

Это интегральное преобразование позволяет удовлетворить граничному условию (11) и свести

Pj (cos ю) - ctgwP^ (cos w) = 0, и = uk, k = 0,1,2, u0 = 0,

0

приведенное в работе [7]; там же дана формула

для квадрата нормы Ц/U. (cos 0)|| . Применение

этого интегрального преобразования позволило в силу (20) удовлетворить граничному условию (16) и свести (13) к

[Г2W' {Г)]'- Vj (( + l)Wj {г) = 0,

a0 < г < a1, Wj {г) = С1ги + С2г

-и -1

(21)

а граничные условия (17) и (18), соответственно, к следующим:

Wj (ai) = 0, aowj (ao) - Wj (ao) = aoG lq¡,

aoWj (ao) - wj (ao) = aoG"q, a1wj (a1) - Wj (a1) = afi^q*.

(22) (23)

U , U , ^o , • a

—2 +--w' = o,

г p.*

= lo + 1 = 2 (1 -|)|o,

lo

|o =

1 - 2|

(24)

(—— + + (—— = —, ^ — коэффициент Пуас-

г г О

сона. Напряжения через эти функции будут выражаться формулами

(25)

стг (1 -И) u' г 1u + w,

= 2G^ o + И u'+ г u

z w,

G (w'+ u^.

(г 2u')'- 2u +

1 (sin 6u')' И** (и sin 6)'

sin 6

И*

2

sin6

+ lo (sin6и')' _ 2уг cost

sin6

(г2 и ')'+и*

И*

(sin 6 и') sin6

2

sin

G|* (26) + и г' + 2|a*u' _

И** = И _ Иo + 2.

_ 2yr sin _ G

Напряжения связаны с этими смещениями фор мулами [1]

2|iu + |(sin 0)-1(sin 0и)' u + iru'+ |UCtg0

_ 2G¡d o (1 -И) ra' +

г и'

гч\ .и и

тгв _ G\ и - - + — г г

(27)

Найдя значения содержащихся в (21) произвольных постоянных из (22) или (23), определим трансформанту искомой функции, а вместе с ней по формуле обращения (19) и точное решение.

3. Перейдем к более сложной осесимметрич-ной деформации цилиндров (1) и конусов (2). Здесь количество точных решений существенно сокращается. Будем учитывать собственный вес материала, удельный вес которого обозначим у.

В случае цилиндра (1) искомыми смещениями будут иг (г, г) = и (г, г) и иг (г, г) = м (г, г), которые должны удовлетворять осесимметричным уравнениям Ламе с объемными силами [1]:

4. Начнем с краевых задач для цилиндра (1), т.е. для уравнений (24). Здесь целесообразно построить

предварительно частное решение и(г, г), м^ (г, г) этих уравнений. Непосредственной подстановкой можно проверить, что таковым будет решение

uW (г, z) = o, w(у) (г, z) = (2|*G)-1YZ

(28)

Поэтому решение краевых задач для уравнения (24) будем строить в виде

иг) = и(у) г) + и0 г), (29)

м (г, г) = м(у) (г, г) + м0 (г, г). Функции, помеченные нулем, являются решением однородных уравнений Ламе (24) при у = 0. Соответствующие им напряжения будем также помечать нулем.

Поставим для цилиндра (1) такую краевую задачу. На цилиндрической поверхности г = а зададим скользящую заделку

и (а, г) = 0, тгг (а, г) = 0 или м '(а, г) = 0 (30) На нижнем торце г = 0 выполнены условия:

м(г,0) = 0, и' (г,0) = 0, (31а)

и (г,0) = 0, м (г,0) = 0. (31б)

Будем считать верхний торец г = Н не загружен-

ным, т.е.

a z (г, h) = o, т ^ (г, h) = o.

(32)

В случае конуса (2) искомыми являются два смещения иг (г, 0) = и (г, 0), и0 (г, 0) = и (г, 0), которые должны удовлетворять осесимметричным уравнениям Ламе в сферической системе координат, имеющим вид [8, 1]:

Решение краевых задач (24), (30), (31а), (32) будем строить в форме (29), (28), тогда для функций, удовлетворяющих однородным уравнениям Ламе (24), должны выполняться граничные условия

(г, h) = -yh, х'°г (г, h) = o, u0 (a, z) = o, w0' (a, z) = o, u(г, o) = o, w0 (г, o) = o,

(33)

г

1

и в случае (31б) вместо последних двух условий будут ы° (r,0) = 0, w° (r,0) = 0. Легко убедиться, что всем этим условиям удовлетворяет решение

u° (r,z) = 0, w0 (r,z) = -(G^*)-1 Yhz. (34)

Тем самым попутно получено элементарное решение u (r, z) = 0, w(r, z) = -(G^*)-1 pz краевой задачи для цилиндра (1) без учета собственного веса (у = 0) и с заменой граничного условия (32) на условие

az (r, h) = -p, р = const, тzr (r,h) = 0, (35)

и одновременно получено элементарное решение краевых задач (24) и (30)—(32):

u(r,z) = 0, w(r,z) = (G^*)-1yz(0.5z - h), az = y(z - h). Оно вытекает из соотношений (29), (28) и (34).

Объяснить этот с первого взгляда неожиданный результат можно так. Если в рассматриваемых задачах выполнено условие скользящей заделки на цилиндрической поверхности, а грань г = h загружена только равномерно распреде

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