УДК 539.3
Упругие тонкие оболочки по несимметричной теории упругости
со
стесненным вращением
(Представлено академиком Л.А. Агаловяном 31/I 2005)
В последние десятилетия наряду с классической
теорией упругости интенсивно развиваются математические модели микрополярных
упругих сред с учетом вращательного взаимодействия и моментных напряжений. С
использованием методологии континуума на основе микрополярной (несимметричной,
моментной) теории упругости рассматривается влияние микроструктуры материала тел
на напряженно-деформированное состояние и динамические характеристики; изучаются
эффекты концентрации напряжений вокруг отверстий и трещин, задачи механики
разрушения. Актуальна проблема построения теорий микрополярных упругих тонких
стержней, пластин и оболочек [1]. В [1] с использованием достижений
общеизвестной уточненной теории пластин и оболочек [2,3] по трехмерной
несимметричной теории упругости с независимыми полями перемещений и вращений [4]
на основе метода гипотез построена микрополярная теория пластин и оболочек. На
основе метода гипотез по трехмерной несимметричной теории упругости со
стесненным вращением [4-8] выведены уравнения тонкой цилиндрической оболочки
[9]. где sij, mij -
соответственно контравариантные компоненты силового и моментного тензоров
напряжений;
- вектор перемещения;
- вектор поворота; gji,
kji
- соответственно ковариантные компоненты тензора деформации и тензора
изгиба-кручения; l, m, b, g, e -
упругие константы материала оболочки.
Отметим, что НТУ с СВ имеет некоторые
особенности [5]: а) в этой теории Коссера можно считать инвариант моментного
тензора напряжений m11 + m22 + m33 равным
нулю: m11 + m22 + m33 = 0, что
в свою очередь означает, что упругая константа b входит
в физические соотношения (1.2) формально и не играет никакой роли; б) число как
силовых, так и геометрических граничных условий равно пяти, а не шести, как
формально было представлено формулами (1.4), (1.5) где R - некоторый характерный
радиус кривизны срединной поверхности, p,l - целые числа, удовлетворяющие
неравенствам l > p і 0, а l
- большой постоянный параметр, определяемый формулой h = R · l-l.
где c = 0 при 2p Ј l и c = 2p - l при 2p і l;
- несимметричный тензор силовых напряжений
[7],
-
аналогичный тензор для моментных напряжений [15]. Здесь Tii,
S12, S21 - усилия; N13, N23 -
перерезывающие силы; Gii, H12, H21 - моменты
силового происхождения; Lii, L12, L21 - моменты
моментного происхождения; Gii, G12, G21 -
компоненты тензора деформации в точках срединной поверхности оболочки;
Kii, K12, K21 - компоненты тензора изгибных
деформаций и кручения, связанные с моментами силового происхождения; cii, c12,
c21 - компоненты тензора изгибных деформаций
и кручения, связанные с моментами моментного происхождения; ui, w -
перемещения точек срединной поверхности оболочки; Wi, W3 -
компоненты вектора вращения точек срединной поверхности оболочки. После решения
основной разрешающей системы уравнений (1.9)-(1.11) остальные искомые величины
будут определяться по соответствующим формулам. (1.9)-(1.11) представляют собой
уравнения разрешающей системы прикладной-двумерной теории микрополярных упругих
тонких оболочек, когда в ее основу положена трехмерная НТУ с СВ. где величины R,l, l,p имеют тот же смысл, что и в (1.6). где числа r,q назовем показателями интенсивности плоского и антиплоского
погранслоев, которые пока произвольны. Считается, что погранслои локализуются
вблизи бокового края оболочки. С учетом (2.3), в результате подстановки
(2.2) в условия (1.5) и ограничиваясь асимптотической точностью 0(lp-l), получим, что
граничные условия трехмерной теории НТУ с СВ (1.5) расщепляются между внутренней
задачей (прикладной-двумерной теорией оболочек) и погранслойными задачами. Уравнения (1.9)-(1.11) и граничные условия
(2.4) составляют граничную задачу прикладной-двумерной теории микрополярных
упругих тонких оболочек, когда в ее основу положена трехмерная НТУ с СВ. Гюмрийский государственный
педагогический институт им. М. Налбандяна 1. Амбарцумян С.А. Микрополярная теория оболочек и пластин. Ереван. Изд-во НАН Армении.
1999. 214 с.
соотношения упругости
Сjsji = 0,
Сjmji + eijk · sjk = 0; (1.1)
геометрические соотношения
м
п
н
п
о
1
2(sij + sji) = 2m · gij + l · gkk · dij,
mji = (g + e)kji + (g - e)kij + b ·
kkk · dij; (1.2)
®
w
=
1
2·
rot
®
u
, gji =
1
2· (Сjui + Сiuj),
kji = Сjwi
(i,j = 1,2,3), (1.3)
s3i = -±qi±, m3i = -±mi± при
a3 = ±h (i = 1,2,3)
(1.4)
sjinj = pi*
(i = 1,2,3), mjknj = mk*
(k = 1,2,3) при a1 = a10. (1.5)
ai = R · l-p · xi, a3 = R · l-l · z
(i = 1,2), (1.6)
(1.7)
Тогда из полученной системы уравнений на
уровне асимптотической точности 0(lp-l) часть величин можем получить интегрированием по
переменной z:
м
п
п
п
п
п
п
н
п
п
п
п
п
п
о
ж
и
(x1,x2) + l2p-l-cz ·
(x1,x2)
ц
ш
,
·
(x1,x2),
= ll
ж
и
(x1,x2) + l2p-l-cz ·
(x1,x2)
ц
ш
,
= lp
ж
и
(x1,x2) + z ·
(x1,x2) + l2p-l-cz2 ·(x1,x2)
ц
ш
,
wi = lp+l-c ·
(x1,x2),
w3 = ll
ж
и
(x1,x2) + l2p-l-cz ·
(x1,x2)
ц
ш
,
= l2p-l-c ·(x1,x2),
= l2p-l-c ·
(x1,x2),
(i = 1,2, j = 1,2),
(1.8)
(x1,x2) и
(x1,x2);
остальные величины будут определяться через указанные функции по соответствующим
формулам. Остальная часть расчетных величин поставленной трехмерной задачи
выражается через вышеотмеченные величины и через величины
, для определения которых
приходим к дифференциальным уравнениям (относительно координаты z) с соответствующими граничными условиями при z ± 1.
м
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
н
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
о
1
Ai·
¶Tii
¶ai+
1
AiAj·
¶Aj
¶ai· (Tii - Tjj) +
1
Aj·
¶Sji
¶aj+
+
1
AiAj·
¶Ai
¶aj·(Sij + Sji) - (qi+ + qi-) = 0,
1
A1·
¶(G11 - L12)
¶a1+
1
A1A2·
¶A2
¶a1· ((G11 - L12) - (G22 + L21)) -
-
1
A2·
¶(H21 + L22)
¶a2-
1
A1A2·
¶A1
¶a2· ((H12 - L11) + (H21 + L22)) -
-N13 + [h(q1+ - q1-) + (m2+ + m2-)] = 0,
1
A2·
¶(G22 + L21)
¶a2+
1
A1A2·
¶A1
¶a2· ((G22 + L21) - (G11 - L12)) -
-
1
A1·
¶(H12 - L11)
¶a1-
1
A1A2·
¶A2
¶a1· ((H21 + L22) + (H12 - L11)) -
-N23 + [h(q2+ - q2-) - (m1+ + m1-)] = 0,
T11
R1+
T22
R2+
1
A1A2·
й
к
л
¶
¶a1(A2N13) +
¶
¶a2(A1N23)
щ
ъ
ы
+(q3+ + q3-) = 0; (1.9)
м
п
п
п
н
п
п
п
о
Tii = 2h ·
4m(m + l)
2m + l·
ж
з
и
Gii +
l
2(m + l)· Gjj
ц
ч
ш
,
Sij = 2mh ·
ж
з
и
Gij + Gji
ц
ч
ш
,
Gii = -
2
3h3 ·
4m(m + l)
2m + l·
ж
з
и
Kii +
l
2(m + l)· Kjj
ц
ч
ш
,
Hij =
2
3mh3 ·
ж
з
и
Kij + Kji
ц
ч
ш
,
Lij = 2h ·
ж
и
(g + e) · cij - (g - e) · cji
ц
ш
,
Lii = 4gh · cii; (1.10)
м
п
п
п
п
п
п
п
н
п
п
п
п
п
п
п
о
Gii =
1
Ai·
¶ui
¶ai+
1
AiAj·
¶Ai
¶aj· uj -
w
Ri,
Kii =
1
Ai·
¶bi
¶ai+
1
AiAj·
¶Ai
¶aj· bj,
Gij =
1
Ai·
¶uj
¶ai-
1
AiAj·
¶Ai
¶aj· ui,
Kij =
1
Ai·
¶bj
¶ai-
1
AiAj·
¶Ai
¶aj· bi,
cii =
1
Ai·
¶Wi
¶ai+
1
AiAj·
¶Ai
¶aj· Wj-
W3
Ri, cij =
1
Ai·
¶Wj
¶ai-
1
AiAj·
¶Ai
¶aj· Wi,
bi =
1
Ai·
¶w
¶ai+
ui
Ri,
Wi = (-1)i · bj,
W3 = -
1
2·
ж
з
и
1
A1·
¶u2
¶a1-
1
A1A2·
¶A1
¶a2· u1-
1
A2·
¶u1
¶a2+
1
A1A2·
¶A2
¶a1· u2
ц
ч
ш
. (1.11)
a1 - a10 = Rl-l · x1, a2 = Rl-p · x2, a3 = Rl-l · z, (2.1)
(НДС)полн = (НДС)вн + l
r · + l
q ·, (2.2)
r = 2p - c, q = 2p - c. (2.3)
м
п
п
п
п
н
п
п
п
п
о
T11
к
к
к
a1=a10 =
h
у
х
-h p*1da3,
S12
к
к
к
a1=a10 =
h
у
х
-h p*2da3,
ж
з
и
-N13 +
1
A2·
¶
¶a2
ж
и
H12 - L11
ц
ш
ц
ч
ш
к
к
к
a1=a10 =
h
у
х
-h
ж
з
и
p*3 +
1
A2·
¶
¶a2
ж
и
a3 · p*2 - m*1
ц
ш
ц
ч
ш
da3,
ж
и
L12 - G11
ц
ш
к
к
к
a1=a10 =
h
у
х
-h
ж
и
m*2 + a3 · p*1
ц
ш
da3. (2.4)
2. Амбарцумян С.А.
Теория анизотропных пластин. М. Наука. 1967. 266 с.
3. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. М. Наука. 1974. 446
с.
4. Новацкий В. Теория упругости. М. Мир. 1975. 862 с.
5. Койтер В. Т. - Механика. Период. сб. перев. иностр. статей. 1965. N3. С. 89-112.
6. Миндлин Р. Д., Тирстен Г. Ф.
- Механика. Период. сб. перев. иностр. статей. 1964. N4. С.
80-114.
7. Савин Г.Н.
Основы плоской моментной теории упругости. Киев. Изд-во
Киевск. ун-та. 1965. 162 с.
8. Морозов. Н.Ф. Избранные двумерные задачи теории
упругости. Л. Изд-во ЛГУ. 1978. 182 с.
9. Бабич Д. В. - ПМ. Т. II. В. 12. 1966. С.
41-48.
10. Гольденвейзер А.Л.
Теория упругих тонких оболочек. М. Наука. 1976. 510
с.
11. Агаловян Л.А. Асимптотическая теория анизотропных пластин и оболочек. М. Наука. 1997.
414 с.
12. Агаловян Л.А.
- ПМ. 2002. Т. 38. N7. C.
3-24.
13. Саркисян С.О.
Общая двумерная теория магнитоупругости тонких оболочек.
Ереван. Изд-во АН Армении. 1992. 260 с.
14. Саркисян С.О. В: Сб. науч. трудов, посвященный
80-летию академика НАН РА С.А. Амбарцумяна. Ереван. Изд-во НАН РА. 2002. С.
285-296.
15. Никогосян Г. С.,
Саркисян С. О. - Изв. НАН Армении. Механика. 2005. Т. 58.
N1.