Труды МАИ. Выпуск № 102
http://trudymai.ru/
УДК 539.3
Моментно упругая полуплоскость под действием поверхностных нестационарных нормальных перемещений
1а 1 i**
Чан Ле Тхай , Тарлаковский Д.В. '
1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский
университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия
1 2
, НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Мичуринский проспект, 1, Москва,
119192, Россия e-mail: tranlethaivvk@gmail.com e-mail: tdvhome@mail.ru
Аннотация
Рассматривается упругая однородная изотропная полуплоскость, заполненная средой Коссера. В начальный момент времени и на бесконечности возмущения отсутствуют. На границе полуплоскости заданы нестационарные нормальные перемещения. Все компоненты напряженно-деформированного состояния полагаются ограниченными. Разрешающая система уравнений включает в себя три гиперболических уравнений относительно скалярного потенциала, ненулевой компоненты векторного потенциала и вектора поворота. Решение задачи ищется в виде сверток заданного нормального перемещения с соответствующими поверхностными функциями Грина. Для построения последних применяются преобразования Фурье по координате и Лапласа по времени. Оригиналы изображений находятся с помощью совместного обращения преобразований Фурье
и Лапласа. Приведены примеры действия различных нестационарных нагрузок на границу полуплоскости.
Ключевые слова: среда Коссера, полуплоскость, поверхностные функции влияния, интегральные преобразования Лапласа и Фурье, совместное обращение преобразований.
Введение
В последнее время отмечается возрастающий интерес к моделям сред, позволяющим учитывать микростроение вещества [1 - 4]. Это вызвано необходимостью детального исследования напряженно-деформированного состояния при проектировании элементов различных современных конструкций, и, в том числе, новых изделий авиационной и ракетной техники.
Одна из моделей, описывающая механическое поведение тел с учетом их микроструктуры - среда Коссера. Общая теория моментной упругости впервые была разработана братьями Коссера (Э. и Ф. Коссера) в 1910 г [5]. В ней в отличие от классической теории упругости, например в [6 - 9], кроме перемещений также учитывается и вектор поворота. Краткие обзоры публикаций по тематике упругих сред с микроструктурой представлены, например, в работах [10 - 17]. Линейная теория среды Коссера рассмотрена в статье [18], а дополнительный учет температурного поля приведен в книге [19]. В статье [20] введена функция напряжений и потенциалы для изотропной центрально-симметричной среды.
Ниже дается решение одной из неисследованных плоских нестационарных задач для полупространства, заполненного средой Коссера. Оно представлено в виде сверток возмущения с ядром - поверхностной функцией влияния. Такая форма позволяет определять напряженно-деформированное состояние полуплоскости при любом поверхностном возмущении. Разработан и реализован алгоритм аналитического построения ядра, основанный на применении метода малого параметра в сочетании с совместным обращением интегральных преобразований Фурье и Лапласа [21].
Рассматривается задачу полуплоскость, заполненная упругой однородной изотропной средой Коссера, при отсутствии массовых сил и моментов. В прямоугольной декартовой системе координат 0x2 (ось О2 направлена вглубь полуплоскости, а Ох
- вдоль ее границы 2 = 0) движение среды описывается следующими соотношениями [19]:
- уравнения относительно скалярного потенциала ф, ненулевой компоненты у векторного потенциала перемещений и угла поворота ю (точками обозначены производные по времени т)
1. Постановка задачи
(1)
со = у22Аоо - 2арЛ\|/ - 4а|Зоо, А = —^ +
дх2 522 '
связи касательного и и нормального w перемещений с потенциалами
дф дш 5ф
и = -1---— 5 w = -!- + —!-
дх 52 52 дх
- связи нетривиальных физических компонент тензоров напряжений и моментов ц^. с;} = {г, г}) с перемещениями
ды ^
а =--+ к—, а = к
д! д2 ^
(ды дw ^ дw ды
— + —I, а = — + к— дх д2 ) д2 дх
аХ2 = (у-2 + а)^ + (у-2 - а)^ + 2аю'
ды / о \дw
(3)
а2Х = (уг2 + а)ды + (уг2 - а)~ - 2а®.
дю дю дю дю
—, Цух = , =—, =Л —
дх дх дг дг
Отметим, что при а = 0 второе и третье уравнения в (1) становятся независимыми, т.е. поля перемещений и поворотов не связаны между собой.
В соотношениях (1) - (3) использованы такие безразмерные величины (при одинаковом начертании они обозначены штрихами, которые в них и далее опущены):
. ы . w . х . г сЛ . ф . ш
/ =—, w = —, х =—, г =—, х = —, ф =—г, ш = —т
ь ь V ь ь ь2 Ь
0, = ^, ц',= У2 = % У 2 = Р = ^, (4)
X + 2ц У+ 8 с2 сз У + 8 J
а 2 Х + 2ц 2 Ц 2 У + 8 X ч о -2 а =-, с1 =-—, с2 = —, с3 = --, к =-= 1 - 2у- .
X + 2 ц р р J X + 2ц
Здесь ? - время; Ь - некоторый характерный линейный размер; X, ц - упругие постоянные Ламе; а, Р, у, 8 - физические параметры моментной среды; р - ее плотность; J - мера инерции среды при вращении (плотность момента инерции); с, с2 и с3 - скорости волн растяжения-сжатия, сдвига и кручения соответственно. Считаем, что в начальный момент времени среда находится в покое:
ф|т=0 = ф|х=0 = ш|х=0 = Ш|х=0 = Ю|х=0 = Ю|х=0 = 0. (5)
Все искомые функции предполагаются ограниченными. На границе полуплоскости заданы нормальные перемещения, а касательные перемещения и угол поворота равны нулю:
ик=0 = 0 Мг=0 = (х.т) , Ю| 2=0 = 0 (6)
Искомые компоненты напряженно-деформированного состояния как решения начально-краевой задачи (1) - (3), (5) и (6) записываем в виде сверток по времени и координате х (они обозначаются звездочками):
и (х, 2, т) = (х, т) * *ГУ (х, 2, т). (7)
Здесь под функциями Ц (х, 2, т) понимаются компоненты напряженно-
деформированного состояния и, w, ю, а22, ах2, а2х, , цух, или цу2, а под Г( (х, 2, т)
- соответствующие им поверхностные функции влияния:
Ги = и, Г w = W, Гю=ю, Г 22 =^22 , Гх2 = ,
Г = ст , Г = и , Г = и , Г = и , Г = и ,
2х 2х ' ху "ху? ух ~ух? 2у " 2у ' у2 " у2 '
которые есть ограниченные решения уравнений (1) с начальными условиями (5) и следующими граничными условиями:
и|г=0 = 0, ^=0 =5(X, у )5(т), Ю| 2=0 = 0 , (8)
где 8(£) - дельта-функция Дирака [7].
2. Изображения поверхностных функций влияния
К начально-краевой задаче (1) - (3), (5) и (8) применяем преобразование Лапласа по времени т и Фурье по координате х (значки «Ь» и «Р» указывают на
соответствующие изображения; s и д - параметры этих преобразований) переходят
в следующие соотношения [7]:
2„ жь
д 2ф
д2 2
- к2 (д,5)фЖЬ = 0,к0 (д,5) = ^Jg-+уУ (у0 = 1)Де/ > 0
2.. .жь
(у-2 + - Г(у-2 + а) д2 + 52 ]уЖЬ + 2аюЖЬ = 0.
д22
(9)
2__жь
у
- 2
д2 ю
2,. .жь
2
- 2ар—^ - (у-2д2 + 52 + 4ар)юРЬ + 2аРдVЖЬ = 0
д2 2
д2
Изображения необходимых для отыскания функций Грина перемещений и напряжений, а также граничных условий (8) записываются так:
ЖЬ ■ ЖЬ ду иЖЬ = -дф - ■ ^
жь
д2
wя = дф
жь
д2
гдуЖЬ;
(10)
жь дwfь . рь а ,„ =--щди ,
д2
а
.жь
(у-
2 а)ди--(у-2 + а) + 2аю
жь
д2
а Ж=(у-2+- (у-2 - а) - 2аю
жь
ц РЬ = -дюЖЬ, црЬ
ух
РЬ РЬ дюРЬ РЬ дюРЬ щкюРЬ, црЬ =-т-, црЬ = к-
д2
у2
д2
(11)
и
жь
г=0
= 0, w
жь
г=0
= 1, юЖЬ1=0 = 0.
(12)
Общее решение первого уравнения в (9) с учетом его ограниченности имеет вид:
фЖЬ (g, 2,5 ) = С0 (g, 5) Е0 (g, 2,5), уЖЬ (g, 2 5 ) = £ С1 (g, s) Е1 (g, z, s) 3
/=1
ю
-жь
1 2
(g, 2,5 (g, 5)С/ (g, s)Е/ (g, z, **),
2а /=1
В] (д,2,5) = ^(д5)2,Т/(д,5) = (у-2 +а)Гд2 - к2(д,5)] + 52,
где С (Ч, я) - постоянные интегрирования; а к12 (д, *) - корни биквадратного уравнения, приведенного в [22].
Подстановка (13) в (11) и использование условий (12) позволяет определить постоянные интегрирования:
С0(^ь-М, С1 м=- 1Щд4> с2м=Щд4- (14)
' Ъ (д, *) ' Ъ (д, *) 7 Ъ (д, *) ' '
где
(g, *) = д2 Ъ2 (д, *)+К (д, *) К (д, *), я2 (g, *)=Т1 (g, *)- т2 (g, *), К (g, *)=к1 (g, * )7 (g, *)- К (g, * )7 (g, *).
Поскольку вид корней к12 (д, *) не позволяет находить оригиналы аналитически, то
аналогично [22] используем разложения в степенные ряды по малому параметру а, а именно, ограничиваясь линейным приближением, перемещения и угол поворота записываем так:
Гу (х, г, х) = Гу0 (х, г, х) + Гу1 (х, г, х) а (15)
Соответствующие (15) равенства для к12 (д, *) получены в [22]:
к1 (д,*) = кы (д,*) + акп (д,*) (/ = 1,2),кы (д,*) = ^д2 + у/*2,
к"(д * }=- 2кус^'к'2 (д * }= мЬ)'71 (д * }=712 (д *)а 2
7 (g, *) = т20 (g, *)+аТ21 (g, *) Т (g, *) = - 4р У1У 1
У2 -У2
(16)
т10 (д, *) = у-2 (у1 - у2) *2, 7ц (д, *) = -у-2у2 (4р + у2*2),
Использование (10), (11), (13), (14) и (16) позволяет найти изображения искомых коэффициентов в (15). Например, для нормального напряжения они имеют вид:
уЖЬ( Ч у-2кз2 ( g, 5 ) к01 ( q, 5 ) -к0 (д, 5 )^ЖЬ / Ч_ у2 5 2д 2кз2 ( g, 5 ) -^(д, >
1 22 00 ( g, ^ 5 )= к ( д, 5 ) * , 1 2201 ( g, ^ 5 )= 2^ ( д, 5 ) Я 2 ( д, 5 ) ^ ,
Г ЖЬ0 (д, 2,5 ) = - 2 у-2 ддк01 , 5) *"к01(д 5 )2, Г ЖЬ2 (д, 2,5 ) = 0,
Я(д, 5) (17)
2 2 2
Г Жп (д,2,5 )-у2'д
Я (д, 5)
д2
к01 (д, 5) Я(д, 5)
е~ к01( д^
Я(д,5) = д2 - к0 (д,5)к01 (д,5), к32 (д,5) = 2д2 + у^2.
Далее ограничимся рассмотрением функций влияния на поверхности = 0 . При этом, вводя обозначения
2
ГЖЬ (д, 5) = Г ЖЬ (д,0,5) = £ г£ (д, 5),Г- (д, 5 )=Г ЖЬ (дА 5),
7=0
из (17) получаем:
ГрЬ, (д, 5 ) = *2ГРЬ (д, 5), (, = 0,1), (18)
где
Гр30 (д, 5 ) = , ГЖЬ (д, 5 ) =--/45ч2д* ч. (19)
33Ц } Я (д, 5) 331 7 2^! (д, 5) Я2 (д, 5) V У
Тогда оригиналы функций влияния определяются следующий образом (штрих соответствует производной по координате х ):
Отметим, что знание оригиналов функций ГрЬ (д, 5) в соответствии с (7), (15) и (18)
при учете свойств преобразования Лапласа и свертки позволяет записать нормальное напряжение на границе полупространства так:
= Ч * *Гзз Гзз = Г330 + осГ331 (*,т). (20)
3. Оригиналы функций влияния
Чтобы найти оригиналы функций влияния используем алгоритм совместного обращения преобразований Фурье и Лапласа [7, 21, 23]. По этому алгоритму, выполняя замену аргументов д = Xs, из (19) получаем:
Г3Ь (д,*) =1 ¿33, (X) (, = 0,1),
¿330 М= к°1 ^у1, ¿331 (X) = -
4л 2
y14X
2к01 (X 2,1) 52 (X2)
5 (X) = X - к0 (X,!) к01 (X,1);
X = -х
У + х1 / ч IX —-г, 11Ш X = Xo ( х, х) =--,
х + У У^±0 х
Тогда искомые функции определяются так:
Г33, ( х, х)
2тх
Нт ^ М^Нт К, (X) (] = 0,1).
(21)
Выделение однозначных ветвей функций к0(X2,1) и к01 (X1,l) проводится с помощью разрезов комплексной плоскости X вдоль мнимой оси:
11Ш к0 (X 1'1)
у ^±0
У11Ш0 к01 (X 2,1) =
-х21 х2 ±/б1§П (х)^2/х2 -1
4
У1 -х7 х2
±/$1§п (х
■х1 - у1
(VI х <1) •
(VI х| * 1),
(VI х1 < У11 > (VIх| ЙУ1).
(22)
Выполняя предельные переходы (21), с учетом (22) получаем следующие выражения для оригиналов: - при х/| х| < 1
Г330 (х, х) = Г331 (х,х) = 0,
(23)
1
- при 1 < х/ х < У1
(х2-у1 х2, л _ у1
Г330 (х,х)= л 2\ 2 ( 2 2 2\ =Г3300 (х,х), = I-т <1,
я(1 + У2)х2 (х2 х2) + у2
г ^ ч_ У1 х у х -х , V
1331 (Х, х) Л 2\2 2/ 2 2 2\2 13310 (Х, х),
л(1 + У1 ) х (х - V1 х )
- при х/| х| > У1
д (х2, х2 ^д/х^ттцх1
Г330 ( Х, х) = д( ,2 4 2/ 2 - 12 ^ = Г3302 ( Х, х) , д ( Х х) = х + Vх-Х ^х - У2 х,
л (1 + у ^ ) х (х Vх )
4 2 и г г\ (25)
Г (хх) =_У (Х ,х1)_= Г (хх)
ГВ1 (Х'х) 1л(1 + у,1 )2 х2 (х2 -V1 х2 ^ТТ-^Х1 3,11 (Х'х)'
Учитывая, что для известных моментно упругих материалов [11] имеет место неравенство у> 1, формулы (23) - (25) представляем так (Н- единичная функция Хевисайда [7]):
1
Г33, (х, х) = ХГ33,/ (х,х)Н(х - У/ |х|) (] = 0,1), (26)
/=0
где
Г3301 (х, х) = Г3302 (х,х) — Г3300 (х,х) _
Г3311 (х,х) = Г3312 (х,х) Г3310 (х,х)
л(1 + у2)х2(х2 -V2х2)' У4х2[х4 +(х2 -х2)(х2-у12)]
„ Г-,-—/ о о оЧ2
2л(1 + у2)2хУх2 -У2х2 (х2 - VIх2)2 Отсюда следует, что функция Г330 ( х, х) непрерывна всюду, а Г331( х, х) непрерывна
везде за исключением точек х = у |х|. При этом имеют место соотношения:
г» ; *хт)=0 (у=0Д), Л'ш» (х т)=
1 , Нш Г331( х, т) = +го.
Л X х1+»
Нш Г„,(х,т)
4. Примеры расчетов функции влияния
Полагаем, что материалом, заполняющим полупространство, является зернистый композит из алюминиевой дроби в эпоксидной матрице, со следующими физическими характеристиками [11]:
X = 7,59 ГПа; ц=1,89ГПа; а=7,45МПа; у+е=2,64кН; 3=0,429 • 1»-3 кг/м. В качестве характерного линейного размера принимаем Ь = 1 м. При этом безразмерные параметры в (4) таковы:
у = 2,45; у2 = 0,92; а = 0,66 • 10-3; р = 5,1 • 106 На рис. 1 и 2 представлены построенные с помощью формулы (26) зависимости функций влияния Г330 ( х, т) и Г331( х, т) от времени т при различных значений координаты: сплошная кривая соответствует х = 0,2, пунктирная - х = 0,4, а штрихпунктирная - х = 0,6.
Гззо
0.5
-0.5
-I
■1.5
.............. > у у / у
~ / 1/0 А 5 \ „ ----1 5 т 2
/1 /
Гзл
15
10
1 1 1 / ¡
.................1 1 ...... /......1 / ! ! .................>
1 — ! \ |
^— \ г"............... ¡4.
Г 1 |
0.5
1.5
Рис. 1
Рис. 2
На рис. 3 и 4 изображены зависимости тех функций от координаты х при различных значений времени: сплошная кривая соответствует т = 0,15, пунктирная - т = 0,3, а штрихпунктирная - т = 0,45.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 х 0.5
Рис. 3 Рис. 4
Отметим, что поскольку порядки функций Г330 ( х, т) и Г331( х, т) одинаковые, то в
соответствии с формулой (23) влияние учета моментных свойств среды имеет порядок коэффициента а.
5. Примеры действия нормальных перемещений
В качестве первого примера рассмотрим действие на полуплоскость сосредоточенного в начале координат возмущения вида (х, т) = т^ 8(х)/2.
Учитывая, что при этом щ) (х,т) = /У (т)б(л') из формулы (20) получаем
^ (X т) = ^о (X т) + (X т) (27)
Здесь
1 т
(x,т) = XН (т - У/ |х|) | Г33л (хг)Л (л = 0,1)_
/=° Т/|х|
Входящие сюда интегралы находим численно. Результаты расчетов зависимости функции нормальных напряжений ст^0(х,т) и ст^(х,т) от времени т при
различных значений координаты х представлены на рис. 5 и 6 (где сплошная кривая соответствует х = 0,2, пунктирная - х = 0,4, а штрихпунктирная - х = 0,6).
Рис. 5 Рис. 6
Второй вариант возмущения - распределенное по оси Ox перемещение вида W (x, т) = т+f (x) H (a - |x|), где f (x) = (a2 - x2) , a > 0. Учитывая, что в этом случае w0 (х,т) = /(х)б(т), из формулы (20) получаем равенство (27), в котором нужно положить (j = 0,1)
i
CTzz/ (x, X)=Sa j (x, T)
l=0
где
Gzzji (x,т) = |h(a - |x - ^ f (x - у H(т - уi ß ($,т)d$,
bi
Ь = min (x - a, -т/у;), c = min (x + a, т/у,),
Входящие сюда интегралы находим численно. Результаты расчетов зависимости функции нормальных напряжений ст^0(х,т) и ст^(х,т) от координаты х для различных значений времени т при а = 0,5 представлены на рис. 7 и 8 (где сплошная кривая соответствует т = 0,2, пунктирная - т = 0,4, а штрихпунктирная -т = 0,6).
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 х 0.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 х о.б
Рис. 7 Рис. 8
5. Заключение
Построено аналитическое решение задачи о распространении нестационарных поверхностных кинематических возмущений в моментно упругой полуплоскости, позволяющее с помощью квадратур находить напряжения для любого закона изменения нагрузки. Установлено, что поправки, вносимые в решение учетом моментных свойств среды, имеют порядок коэффициента, связывающего поля перемещений и поворота. Показано, что поверхностные функции Грина в этом случае имеют интегрируемую особенность на фронте волны сдвига.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 18-08-00471).
Библиографический список
1. Аэро Э.Л., Кувшинский Е.В. Основные уравнения теории упругости с вращательным взаимодействием частиц // Физика твердого тела. 1960. Т. 2. № 9. С. 1399 - 1409.
2. Пальмов В.А. Основные уравнения теории несимметричной упругости // Прикладная математика и механика. 1964. Т. 28. № 3. С. 401 - 408.
3. ^нин И.А. Теория упругих сред с микроструктурой. - М.: Наука, 1975. - 416 с.
4. Eringen C.A. A unified continuum theory of liquid crystals // ARI - An International Journal for Physical and Engineering Sciences, 1997, vol. 50, pp. 73 - 84.
5. Cosserat E., Cosserat F. Theorie des corps deformables. Paris: Librairie Scientifique A. Hermann et Fils, 1909, 226 p.
6. Нгуен Нгок Хоа, Тарлаковский Д.В. Нестационарные поверхностные функции влияния для упруго-пористой полуплоскости // Труды МАИ. 2012. № 53. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29269
7. Горшков А.Г., Медведский А.Л., Рабинский Л.Н., Тарлаковский Д.В. Волны в сплошных средах. - М.: Физматлит, 2004. - 472 c.
8. Старовойтов Э.И., Локтева Н.А., Старовойтова Е.Э. Деформирование трехслойных композитных ортотропных прямоугольных пластин // Труды МАИ. 2014. № 77. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=53018
9. Белов А.А., Игумнов Л.А., Карелин И.С., Литвинчук С.Ю. Применение метода ГИУ для решения краевых задач трехмерных динамических теорий вязко- и
пороупругости // Труды МАИ. 2010. № 42. URL: http: //trudymai .ru/published.php?ID=22862
10. Михайлова Е.Ю., Федотенков Г.В. Нестационарная осесимметричная задача об ударе сферической оболочки по упругому полупространству (начальный этап взаимодействия) // Известия РАН. Механика твердого тела. 2011. № 2. С. 98 - 108.
11. Ерофеев В.И. Волновые процессы в твердых телах с микроструктурой. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - 328 с.
12. Кулеш М.А., Шардаков И.Н. Построение и анализ некоторых точных аналитических решений двумерных упругих задач в рамках континуума Коссера // Вестник Пермского государственного технического университета. Математическое моделирование. 2001. № 9. С. 187 - 201.
13. Шкутин И.Л. Обобщенные модели типа Коссера для анализа конечных деформаций тонких тел // Прикладная механика и техническая физика. 1996. № 3. С. 120 - 132.
14. Лай Тхань Туан, Тарлаковский Д.В. Распространение нестационарных осесимметричных возмущений от поверхности шара, заполненного псевдоупругой средой Коссера // Труды МАИ. 2012. № 53. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29267
15. Eremeyev V.A., Zubov L.M. On constitutive inequalities in nonlinear theory of elastic shells // ZAMM, 2007, vol. 87, no. 2, pp. 94 - 101.
16. Савин Г.Н., Лукашов А.А., Лыско Е.М. Распространение упругих волн в твердом теле с микроструктурой // Прикладная механика. 1970. Т. 6. № 7. С. 48 - 52.
17. Пальмов В.А. Основные уравнения теории несимметричной упругости // Прикладная математика и механика. 1964. Т. 28. № 6. С. 1117 - 1120.
18. Аэро Э.Л., Кувшинский Е.В. Континуальная теория асимметричной упругости. Учет внутреннего вращения // Физика твердого тела. 1964. Т. 6. № 9. С. 2689 - 2699.
19. Новацкий В. Теория упругости. - М.: Мир, 1975. - 872 c.
20. Миндлин Р.Д., Тирстен Г.Ф. Эффекты моментных напряжений в линейной теории упругости // Механика. 1964. № 4. С. 163 - 176.
21. Слепян Л.И., Яковлев Ю.С. Интегральные преобразования в нестационарных задачах механики. - Л.: Судостроение, 1980. - 344 с.
22. Чан Ле Тхай, Тарлаковский Д.В. Нестационарное осесимметричное движение упругого моментного полупространства под действием нестационарных нормальных поверхностных перемещений // Ученые записки Казанского университета. Сер. Физико-математические науки. 2017. Т. 159. Кн. 2. С. 231 - 245.
23. Горшков А.Г., Тарлаковский Д.В. Динамические контактные задачи с подвижными границами. - М.: Наука. Физматлит, 1995. - 352 с.