научная статья по теме ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНТАКТНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ ПРЕДНАПРЯЖЕННОГО НЕСЖИМАЕМОГО УПРУГОГО СЛОЯ Механика

Текст научной статьи на тему «ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНТАКТНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ ПРЕДНАПРЯЖЕННОГО НЕСЖИМАЕМОГО УПРУГОГО СЛОЯ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 2 • 2011

УДК 539.3

© 2011 г. В.М. АЛЕКСАНДРОВ

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНТАКТНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ ПРЕДНАПРЯЖЕННОГО НЕСЖИМАЕМОГО УПРУГОГО СЛОЯ

Рассмотрены две пространственные задачи о вдавливании без трения штампа в верхнюю грань слоя при наличии в слое однородного поля начальных напряжений. Используется модель изотропного несжимаемого нелинейно-упругого материала, задаваемого потенциалом Муни. Исследуются два случая: когда нижняя грань слоя после его преднапряжения жестко защемлена к когда нижняя грань слоя после его преднапряжения оперта о жесткое основание без трения. Считается, что дополнительные напряжения от действия на слой штампа малы по сравнению с начальными. Такое предположение позволяет линеаризовать задачи по определению дополнительных напряжений. В дальнейшем задачи сводятся к решению двумерных интегральных уравнений (ИУ) первого рода с симметричными нерегулярными ядрами относительно давления в области контакта. В качестве примера рассмотрен случай действия на слой плоского эллиптического в плане штампа.

Впервые пространственная контактная задача для предварительно напряженного упругого полупространства была рассмотрена в [1].

Ключевые слова: пространственная задача, преднапряженное упругое тело, вдавливание эллиптического штампа.

1. Постановка задачи. Рассмотрим слой толщины к из изотропного несжимаемого нелинейно-упругого материала Муни. Слой находится в однородном наряженном состоянии, создаваемом растягивающими силами, приложенными на бесконечности. Выберем декартову систему координат Ох1х2х3 таким образом, чтобы ось х3 была перпендикулярна поверхности слоя. Компоненты тензора напряжений в начальном состоянии имеют вид

00 0 п 0 0 0 п /11Ч = 02 = СТз = 0, ти = Т13 = Т23 = 0 (1.1)

Далее будем считать, что после предварительной большой деформации нижняя грань слоя х3 = 0 жестко защемлена (задача А), либо оперта на жесткое основание без трения (задача В), а в верхнюю грань х3 = к вдавливается жесткий штамп. Область контакта штампа со слоем определяется условиями х3 = 0, О = О.(х1, х2).

Предполагается, что вызванные воздействием штампа возмущения деформаций и напряжений относительно малы. Это позволяет линеаризовать задачи по определению дополнительных напряжений и перемещений на фоне основного напряженно-деформированного состояния.

В результате линеаризации уравнений нелинейной теории упругости [2] получим выражения для нужных в дальнейшем дополнительных напряжений

ди

СТз = 2 Ц-3 + д*, Т13 = ш

(ди1 ди3

дх

(дхз дхг

= (ди2 + ди-23 (дхз дх2-

(1.2)

а также уравнения Ламе и условие несжимаемости

^Аи1 - т цАи2 - т

( ~2 ~2 \

д и, д и2 -1 +-—

дх, д х1 дх2у

2

д и2

дх1 дх2 дх-

2

ди

+ дд* = о

дх1

+ дд* = о

дх2

(1.3)

д2 и2

+ дд* = о

Л ( ди,

цАи3 - т--+

(дх1 дх3 дх2д х/ дх3

д и1 /дх1 + ди2 / дх2 + ди3 / дх3 = 0

Здесь А — оператор Лавласа, ц — модуль сдвига, д* — дополнительное гидростатическое давление, ик — дополнительные перемещения вдоль осей хк. Граничные условия задач имеют вид

х3 = к: т13 = т23 = 0, аз = 0 при г > а из = -5(хь х2) = -[5 -/(х 1, х2 ], при г < а далее для задачи А:

х3 = 0: и1 = и2 = и3 = 0 для задачи В:

х3 = 0: т13 = т23 = 0, и3 = 0

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Здесь 8 — величина погружения штампа в слой, / (хь х2) задает поверхность штампа.

2. Сведение задач к решению ИУ. Рассмотрим сначала вспомогательные задачи с граничными условиями

хз = к: Т13 = Т23 = 0, аз = -д (х 1, х2)

(2.1)

Граничные условия (1.5) и (1.6) сохраняются.

Применим к уравнениям (1.3) двумерное интегральное преобразование Фурье [3]:

да да

= 2я И ик (а'Р' хз)

Кахъ вх2) , ,п

е аа ар

0 0 да да

(2.2)

О* = ^ ¡Р*(а, в, хз)

Хах1 + Рх2)

е аа ар

0 0

Подставляя (2.2) в (1.3) для определения трансформант Фурье ик и Q* получим уравнения

и

к

-( 112 их/йх23 - у и) + т(а2 и1 + ари2) + га0* = 0 -( 12 и2/ 1х3 - у и2) + т(ар и + р2 и2) + /р0* = 0

{а1ТТ!А2тт, . ( йих пси2\ 110* п

-( 1 и3/1х3 - у и3) - гт а —1 + р —2 + = 0

V 1х3 1х3 ) 1х3

си, в 1^2^ 10* (2.3)

а и1 + ри2 + 5 и3/дх3 = 0, у л/а2 + р2

Можно показать, что характеристическое уравнение системы имеет трехкратные корни у и —у. Поэтому его общее решение нужно искать в виде

ик = (ак1 + х3ак2 + х2%3)еУх3 + (акА + х3й^з + х2акб)е № (2 4)

(2.4)

0* = (Ь1 + х3Ь2 + х3Ь3)еУ*3 + (Ь4 + х3Ь5 + хф6)е У*3

где amn и Ьп (п = 1, ..., 6), определяемые функции от а.

Удовлетворяя с помощью (2.4) уравнениям (2.3) и граничным условиям (1.5), (2.1), записанным в трансформантах Фурье, определим amn Ьп и для задачи А получим

и3(а, Р, к) = --1- 0 ( а- Р )( Уксу - уИ) (2.5)

4п-у[2-(сЬ ук + у2И2) - у2И:5]

Аналогично, удовлетворяя уравнениям (2.3) и граничным условиям (1.6), (2.1) для задачи В получим

из (а, Р, к) = - Л--0(а, Р ) ( сЪ2Ук - 1 )--(2.6)

4 п-у[ 2-( у к сЬ ук + ук) - у И5]

В (2.5) и (2.6) функция Q(а, в) является трансформантой Фурье функций q(xl, х2), т.е.

да да

0(а, Р) = И | |?(£, п)е'<а + (2.7)

-да-да

Удовлетворяя, наконец, с помощью (2.5), (2.6) и (2.7) граничным условиям основных задач (1.4), получим следующие ИУ относительно контактного давления q(x1, х2) для задачи А:

да

Г Г?(£,п) ^ Г-2и2- 2и 2 /(и^) = 4я-И5(х,, х2) (2.8)

■'сЬ2и + 2и + 1 -и 5 к

П 0

да

Г Г?(£,, п) 1п [ сЬ 2 и - 1 ЛГия) 1и = 4я-И5(х1, х2) (2.9)

J J + 2 и - и5 Кк )

П 0

Здесь (хь х2) е О; J0(x) — функция Бесселя, R = Л/(х1 - £,)2 + (х2 - п)2, = ^/(2ц) (штрих далее опускаем).

3. Асимптотический метод больших к [4]. ИУ (2.8) и (2.9) однотипны, их можно переписать в единой форме

¡¡д (^п) к(|\ ^ ¿п = 4 я^5( хь х2), (х1, х2 )еП (3.1)

п

да

к( о = ¡х (и) /0( и) аи (3.2)

0

где функция L(u) для задачи А равна выражению, стоящему в (2.8) при функции Бее-селя в интеграле с пределами (0, да), аналогично для задачи В — выражению, стоящему в (2.9) при функции Бесселя в интеграле с пределами (0, да). Для обеих задач функция L(u) удовлетворяет условию

Ь(и) = 1 + О(е~2и) и ^да (3.3)

ИУ (3.1), (3.2) можно переписать следующим образом:

¡¡д п) ^ = 4 пц5(хь х2) + к ¡¡д (х 1, х2) а^п (3.4)

пп

да

Д ?) = ¡[ 1 - Ь (и)] /0( и) аи (3.5)

0

Далее на основании оценки (3.3) функцию F(t) можно представить в виде ряда

да

Д 0 = V аат = ( 1 > Г[ 1 - Ь (и)] и2таи (3.6)

0 ( 2т!! )Ч

1=0 V ^0

который, как можно показать, абсолютно сходится при |Щ < 2.

Таким образом результаты, которые можно получить на основании ИУ (3.4), (3.6), будут иметь место при 2/1 < 2, т.е. при X > 1.

Представление (3.6) показывает, что решение ИУ (3.4), (3.5) нужно искать в виде

да

д (хЬ х2) = V Рк( хЬ х2) - (3.7)

кк

к = 0 п

Подставляя выражения (3.6), (3.7) в уравнение (3.4), приравнивая в нем члены одинаковой степенью 1/Х, придем к бесконечной системе ИУ:

¡¡Р0 (^,п) dRгп = 4 ПИ5(хь х2), (х1, х2

п

¡¡Р1 (^,п) dRгп = а0 ¡¡Р0 (^,п) ап, (х1, х2

пп

¡¡Р2 (£,п) ^ = а0 ¡¡Р1 (^,п) ^ ап, (хь х2 )еП (3.8)

п

да

п

Таблица 1

s 0 1/2 1 3/2 2

X = 2 14.9477 14.4656 13.9631 13.4355 12.8816

X = 4 10.6214 10.4606 10.2877 10.0998 9.8946

X = 8 9.0464 8.9829 8.9135 8.8369 8.7618

Таблица 2

s 0 1/2 1 3/2 2

X = 2 11.6635 11.2706 10.8423 10.3683 9.8334

X = 4 9.4938 9.3424 9.1719 8.9762 8.7452

X = 8 8.5890 8.5241 8.4498 8.3630 8.2582

Црз (^П) = JJ[ aoPi + aiPo (^П) R ] d% (xi, x2)

Q

JJp4 (%,n) = JJ[ а°Рз (%,n) + fliPi (%,n) R2 ] d% dn, (xi, X2)

Q

Предположим, что известен оператор С, переводящий любую функцию 8(x:, x2) в функциюp0(x1, x2), т.е. известно решение первого ИУ (3.7). Тогда вся схема построения асимптотического при больших X решения ИУ (3.4)—(3.6) может быть реализована. Такая возможность предоставляется, если область контакта штампа со слоем является эллиптической. В монографии [4] по схеме (3.7) построено решение задачи для эллиптического в плане плоского (т.е. когда 8(x1, x2) = 8 = const) штампа.

Приведем формулу, связывающую вдавливающую штамп силу Р с осадкой штампа 8 [4]:

p = jjq (%,n) =

4 п [а 5 а

R (Ь)

Joo

R (Ь) = 1 + SpL +

SooЬ

oo

+

oo

+ 2 а1( 2 - е )(1 + 2ао

3 S°° Ь3 ^ S°°

п/2

S°° = J

+

d ф

o

(Л 2.2 Л/2

(1 - е sin ф)

= K( е)

+

oo

(3.9)

Здесь Ш(е) — полный эллиптический интеграл первого рода, е — эксцентриситет эллипса, a — большая полуось эллиптической области контакта.

п

п

п

п

п

Таблица 3

s 0 1/2 1 3/2 2

X = 2 12.9581 12.5779 12.1795 11.7587 11.3138

X = 4 9.4949 9.3644 9.2237 9.0704 8.9025

X = 8 8.2054 8.1528 8.0955 8.0302 7.9614

Таблица 4

s 0 1/2 1 3/2 2

X = 2 10.3548 10.0369 9.6885 9.3005 8.8592

X = 4 8.5758 8.4512 8.3105 8.1486 7.9567

X = 8 7.8264 7.7723 7.7104 7.6379 7.5503

Таблица 5

s 0 1/2 1 3/2 2

X = 2 8.5187 8.3390 8.1431 7.9431 7.7221

X = 4 6.7954 6.7266 6.6520 6.5700 6.4796

X = 8 6.0980 6.0688 6.0367 6.0012 5.9614

Таблица 6

s 0 1/2 1 3/2 2

X = 2 7.2547 7.0911 6.9090 6.7024 6.4623

X = 4 6.3039 6.2355 6.1578 6.0675 5.9595

X = 8 5.8853 5.8546 5.8193 5.7778 5.7274

В таблице приведены значения величины Р/(ц8а), подсчитанные по формуле (3.9). В первых двух таблицах даны значения, найденные при е = 0.3. В первой таблице даны значения, найденные для задачи с жестким сцеплением нижней грани слоя с основанием, во второй таблице — значения, найденные для задачи с опиранием нижней грани слоя без трения. Следующие две таблицы (3 и 4) подсчитаны для е = 0.6 и повторяют ту же последовательность задач. Таблицы 5 и 6 даны для е = 0.9.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Филиппова Л.М. Пространственная контактная задача для предварительно напряженного упругого тела // ПММ. 1978. Т. 42. Вып. 6. С. 1080-1084.

2. ЛурьеА.И. Нелинейная теория упругости. М.: Наука, 1980. 512 с.

3. УфляндЯ.Я. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. Л.: Наука, 1967. 402 с.

4. Ворович И.И., Александров В.М., Бабешко В.А. Неклассические смешанные задачи теории упругости. М.: Наука, 1974. 455 с.

Москва Поступила в редакцию

E-mail: alexand@ipmnet.ru 6.12.2010

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