Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Оптимизация подкрепленных цилиндрических оболочек

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.25 Mб
Скачать

В этом уравнении приняты следующие обозначения:

.

Х у - Х у

к

дХ„.

й Щ - у .)

 

V O

' - 1 Г ~ ^ V V 1'

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

(te n )

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

f i t

^ K P t

 

 

 

 

 

s x = 5х о +Д % - # ) [ ц -

 

 

— 7 ^ 1 .

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

dS{u-y.)

 

Sx .b .)},

W

 

Z

[S(<J-<JjHQx j+hjXx ,)- - - L

{ %

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1. 21)

 

 

M* = Mxo+J , 5(r V < /V

 

hJ Tx j):

 

 

 

v

 

__ r n д 8ц

. , _ .^ 6 6 .

 

 

\ d 2U +ip + r _

^ 0

 

^11 <3хг

 

ff6

Г

 

 

 

5^2

12

66

 

'

 

 

 

+

^

(C’ 2"

 

 

"

К» а ?

" 1К<г’ ' г '<« '

 

2

-n

sdiur

 

- r

llM . -

к

€М -

I

 

 

~

 

ЭхЭу1

CP

e t x

Kp a x d t* * '

 

 

X

yo

=-[(C

+C -

^ ) | 4

+ (C

 

+ Q i ) —

f(C

-

 

 

u 12 S6

f t ' S x d y

22

 

r i ' g y t

' ( 6

 

 

Ки \ Э г(г

1

_ K 2i

dor

 

 

aV

 

 

 

~г Т * Э х г

r ( C22

Г

dy

 

K2 2 dyS~l‘llt l * ZKSt

 

 

г

а л

 

1

//

<jy

 

 

оу

3

 

 

 

><-v

_ Я

 

 

*T>

0

 

 

>n

 

( 1 2 2 )

 

° 6 « ) 3 V . / C

+ J V l j V i K

® V 3« f 1

~ ^ a ^ ~ + r * g ? ‘ p ~ ’ Щ й ^

V

=

ri

г

* - * Ч х

 

4.IK

+9(f

 

2^И' 9*и

■^г®

 

И

 

* "

Эхъ ^'г 2A®‘ ~

г

 

гг'Эу

 

11ду*

п

 

 

 

г ^ } Л _

 

 

м

г

3хг3у

_ д £ к _ я i 4

 

 

+ в ) ^ V _ _

« * a V .

®11

а х 4

 

“ а ^ *

z

i2

г^ ’зх2ду2

г гг

дт,г

®И

 

I

^22.

2/f2z

 

# 2 2 1

 

 

 

 

~

 

^ \

_ г 7 * ' а £ * ' ' 7 *

 

7 1 ' 7 *

 

 

 

 

 

 

Т * ^ '

aV,®

а5ц

i(®_P/>,aV

,п ,9*ш

^

&*иг

~ с? №

* ке

Ш ' Н К Г

1

Я

^

1

+ ¥

ш

т

' + э ? э Р )];

 

'tr = -E F-

^

ui

|

л г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> > э х 1

р"

at*

 

 

 

 

 

v

- г т

? Ч . л

г * 4 . 4 . r i j L

 

 

 

*

 

■> z‘ g x *

* > e x 1

^ ^ a t * ’

 

(1.23)

 

^ т

* 4

 

^ г- аЧ

r

а2ил

 

 

 

 

 

х.г 1 ~ еА > л

e x *

*

ffx F4

3 x *

p j

Fj

e t *

 

£

 

= - 6 j l

9 У|' s t L + p i

 

i ^ a i -

 

 

 

K"

 

'

КРУ

^

2

 

 

J *P/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

г г

 

аг

 

yKPj, |

э Ч

 

 

 

^

 

a

 

*4

 

 

 

 

 

r

 

 

д у г *

 

 

Г

д у К$у

 

 

1

dU'i

 

 

d^U;

Укр /

 

 

 

э * ^ .

 

+ 1 — 4 J+ G; R ( £ - 2 й - - L I ^ M + O . F . — A

 

 

г

dy J

^ V

дуг

 

f

 

*

 

Ji s tl

У

- E

E - * A - ^ U f l

r

* V '<

 

 

( 1 2 4 )

*Ук

 

EJI JI dy'-dy

 

r

)

P j/j,~ d F ~

 

 

 

 

 

E;

Fy , dVj

 

Ufj

 

 

Л2Ш.

и/.

 

й2

r ^ V +^ w V ,+7 *>Wap

a^-itr

X

 

 

 

 

 

 

 

Э'% - й т

02

,

\

 

 

 

1 > A .

 

 

= - * L № ( _ ? b - ^ ! ) - 6 , I . - ^ . («

. 3 , . . г

 

 

 

!*

 

 

г

 

 

ду1 I

J\

 

d*W

 

 

^+А

 

кр^1

я 3 '

 

 

5u

 

av

 

 

KJ(t Uf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3*м/’

 

д2ЦГ

 

 

X -с — +с — -ИС

Т ^ Т "

%

 

 

 

то

max

Lt t ^

+ 'l'i2

5х«

" « 'а у 7

;

 

 

 

 

 

 

K-

'

C

 

.

a«r

 

D.

 

 

 

Я ,я V

5

=(C

 

 

 

 

^

 

 

+(Г

-

fifi\ ^

,/ *

+ ? -J? + - ^ £ \ —

 

 

 

 

DX0

 

^6 6

2

r

 

 

Г 2 Ъ х

^66

 

ду "V’6B' 7 ^2% 1

 

 

 

 

 

“ 2 № e

 

)

 

Q = -.£> ^

 

 

,-n +

S* Ц'

f , * + ^12 x

f

f

wxo

4i

 

 

 

Щ

 

г * чЪ * Ш у %

 

 

. b

r

 

 

 

 

 

r l K12

 

7" /a x

 

 

a2«и и

 

 

.

 

 

 

а2#

 

 

 

 

д *

а V

+ *« -5Л + 2

 

V

 

 

— V

1 +(V

ZiV

* г W

 

_ *

д2и

 

 

 

а V

_g~x ft

 

ааг.

 

 

 

 

 

 

^

а * 2

~

 

>** г а * 2

г

 

 

а х

 

 

 

 

 

 

 

 

a *u f

 

 

 

a V

 

 

а</

 

«г

 

 

 

 

 

 

д х г

 

 

 

 

 

 

дх

 

 

<?</

 

>•

 

 

 

г

- F e

h

t i

 

«

- - Г Т

*з.

 

< **> •

 

*«■

 

 

W

 

/

дх

V

 

 

^

дх*~~

 

7F-

 

^ Х 'Г

V w

дХг

+

 

 

2

^0 * ^нр] s g IKp7 ^

 

Р;

*

0

26)

о я. г Т .ife - .

х; j У дхъ 2

M+W

Здесь.

i s „

_ г т А . М

дх,W,i

^Л/ах2 2 ^ ‘

M+N

о 'з

 

A/+/V

 

 

V 1 ? „ р, , с »,1 ^ - г з м

^ ^ з М ^ д .

8

 

(127)

В силу независимости и произвольности вариаций перемеще ний из (1.19) получаем, что это вариационное уравнение удовле­ творяется, если:

^ = 0 ,

(1 2В)

а на краях оболочки x-Q, х= L выполняются следующие грзнич

ные условия:

 

 

 

 

 

 

 

Тх =0 или U -

U ,SX =Q,

или

У”*

У,

Qx - 0 или

и / - йг; (129)

М z = 0 или ^

= </>,,

= 0 ,

или

у

* =

4>Zj

 

Здесь и , V] и/, ф - компоненты вектора перемещений и угла

поворота, заданные на торцах оболочки;

у

d l/j

угол пово-

. = - ---------

рота торца у-го

 

 

 

 

J

д

х

ребра при его изгибе в плоекос-ти, касательной

к срединной поверхности обшивки; Ф2 - - такие же углы поворота, заданные на торцах ребра.

После подстановки (1.22) и (1.23) в (1.20), а (1.20) в (1.28) с уче­ том (1.2) можно получить систему уравнений движения в переме­ щениях. Далее, однако, вместо этой системы используется более простая система уравнений, которая может быть получена из вы-

.веденной указанным способом, если принять, что пакет слоев, со­ ставляющий многослойную обшивку, симметричный

( W * 22^ 6 = KP = a)

и что в первом и втором уравнениях движения можно пренебречь

слагаемыми, содержащими произведения 83г

на производные от

UT, а в третьем уравнении - произведения 8^

на производные от

и и гг, отбросить величины порядка

j r z по сравнению, с Css<1

а также U jfr, U jjr по сравнению с i!

Предположим далее, что

ребра работают на растяжение-сжатие, изгиб в радиальной плос­ кости и кручение. Примем также, что при учете влияния закручива­ ния ребер достаточно ограничиться учетом соответствующих сла­ гаемых только в третьем уравнении движения, но не учитывать ине цию их закручивания. Ограничимся изучением колебаний и устойчивости оболочек, усиленных регулярной сеткой ребер (гео­ метрические и механические характеристики всех ребер одного направления равны, равны расстояния между ребрами, рассто­ яния от торцов оболочки до ближайших кольцевых ребер равны расстояниям между этими ребрами). После приведенных упро­ щений и введения безразмерных параметров и безразмерных ко­ ординат система уравнений движения в перемещениях записыва­ ется в виде*

*Аналогичная постановка задачи, но с использованием для описания движения обшыки теории оболочек типа Тимошенко, приведена в [20]. Поскольку далее рассматриваются оболочки, усиленные регулярной сеткой ребер, вместо индексов j, введены соответственно индексы „с” (стрингеры) и „ш” (шпангоуты), лучше, по нашему мнению, отража­ ющие существо задачи.

U

д2а

йги

,

 

д^д9 + h

дШ

~

дг И

 

 

д%2 + ^

 

+ Ч +

 

 

d t ]

 

 

 

 

дги

 

 

д и/

- -

 

д2и

 

 

 

 

д2и

 

дъкг

дг\Г

диг

д

If

 

 

д$дв + ^ З в г * * Ч $ г Ч 36

d t f

 

Ь <*,

 

a fy

г

5 V

 

 

-

_

#V

1

л

/^1

 

£ 0 1 +

ш

З 0 3

«70

Л и / ш < ? * г ) ~

J

ди

d i r

д^Ш

п

д ^ Ш

 

д * Ш

,

 

дгигv w .

h -37 Ч Те Ч

 

Ч а р й * Ч

 

 

 

 

 

+ р ( £

! ^

+ u /i + ^

+ | [S (s - e .;(o - ^ +

4 / W

2

1 d t *

j Yc <?g4

s

- ^

- +

C

3 f

}

- -

_

#

V \

b^C^C

+PT^C ^

2

' ^ (

с1&19-в/) d3ur

Лв B$23B } +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_ с*

С/3l Ц/uf

/

a/"+ у

dv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 0 -------* +

 

 

: | >

*

, 4 -

t , , «

)

. w

 

*

ш

 

,2

tfm

*i1Ш

<?0

 

 

0 0 ‘

 

 

 

d

V

-

_

 

# г о /\

_

 

, d2w

 

 

 

+ Rai д в ъ + Яш / ш ^ 2 Г ру / ш 1 5 е г

 

 

 

 

 

of& (f - t i- )

0 V

]=o,

 

 

 

(1 .3 0 )

 

IйUJ

d*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3^38'

 

 

 

 

 

 

 

f= z/r,e=y/r,

 

*, = ur01,

6(9-8j)= —

S(у-ц)'

S1 ^ ' ^

,= ^

T

5(X4 . ) . V

 

V

r '

*/ Ч / ' * '

 

Л

 

_

Се,

 

 

С ..

 

 

Со.

 

Я «

£

С.Ц

 

^66

 

 

_^_

 

 

 

 

 

 

%

^r*Cp ' *1

С „ '

 

 

C 11

*

 

c „ ■ A

'

r V 11

 

3)12 + 2 Д66

 

 

Ц

 

 

 

(Jx

h

 

6

h

 

 

 

^2Z

 

 

 

r.

 

г г г

'

*sл =гг г

°ц

гp~г

=

с

 

Р„ = - * ----

 

г

 

 

 

г

 

 

 

иц

 

11

 

Et Ft y

^ „ _ ^ £ »

„ = £ са УС +

р с) ^

 

 

fc

?Jгг Г.

 

с

-

_?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гГ

f c '

 

2ТП'ьС

 

 

27ГГ С11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

-

hFc

-

Р с П

 

'r * C j ^c _ 2 n r h 1 F c ~

 

|J

-

 

1

Wui ”

r*

у

 

•ш

l_Q

 

*Ul 1

 

» _ £ u llTim

+ Ai

f ui><,tj + 1 )

 

^ и Л р и П У 11

^ii

 

/ t*2P

 

1

■ ш

i . r 2C^

 

 

L r * £ i i

 

 

 

 

 

V

V ' 1*

Л«

 

 

 

 

/ш“

t

*

 

£ уз

 

 

L h

 

 

 

 

 

Далее система уравнений (1.30) будет использована для решения конкретных задач.

1.3. ТОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ

Точные решения уравнений движения получены только для оболочек,усиленньо< ребрами в одном направлении. Для оболочек с изотропной обшивкой они приведены в [2; 3]. Здесь аналогичные решения получены для ортотропных многослойных оболочек, уси­ ленных регулярной системой продольных ребер, нагруженных осевыми сжимающими (растягивающими) силами и внешним (внутренним) давлением. Принимается, что крал оболочки шарнир­

но оперты, т. е. при f

=: 0, ^

= Ц г )

 

\ = м

х =0,

(Г = ш = 0 .

(1.32)

Решение системы уравнений движения, удовлетворяющее ус­ ловиям (1.32), определяется в форме одинарных тригонометриче­

ских рядов:

оо

U = C0SW|t 1С05 ^ 2Г0 (и л1 cos П б + Un 2 S in n Q ),

tr = cos ^

t l sin d m $ f

s in Я 0 1- \rn 2C03 h в ),

(1.33)

a r= co sci)il-t1cosc(m ^

2 J t ir n 1 CQsn0+ urn z s in n Q ).

З д е с

ь m=1tZ, i r - i 0),= n)/iJo , w - круговая

частота.

После подстановки (1.33) в (130) задача сводится к решению двух бесконечных систем линейных алгебраических уравнений:

а т п и п 1+ ^ т п ^ ш + а m ti ^п 1 + j + (jon rci« * > .. ,) ♦

+ C2m<P"(u/nti}l = 0,

( Ш )

 

21

 

2.2

 

+ a "

ur 4

= o,

 

 

m n щ

 

mn

n i

 

 

 

 

/71/1

r t f

'

 

C

A

.+С

л

.+C

A

I-

i T v &

W * > V f

*

C2m

* >

/ . , ' ,] + rt

 

1П< “ ! * , « > "

0i

аптипг~ a mntrm +amnu

 

l

^U»

 

■Qm nu n I+ttm nlrH J ' a'm KUrre2 = 0.

“ « >

4amn**/tl

 

^mnurnZ + ^3m^z

^

+

+ * * « * * " < * • “ V

s ° .

дв

 

 

 

 

 

 

 

= i i 3'

= . , d

,

 

 

 

mn

! z m

'

 

 

a m n = /idm +/5', , - < -

Qmn = a m n = / s rt-

a m « = f t rfm + 2 fc rfm " ’ V t * ’ + Л

~PX d m ~Pyn K *> l

 

“ Л ; 7c “ * i •

 

 

0 .3 6 )

n

m ~ P c / o ® ^

 

 

 

'

o ^

Pirn

 

 

2fT/l.

84w -

символ Кронёккера. Нетрудно проверить, что суммы

(1 ^)

и Ф ^ Г ^ ) обладают такими свойствами:

1

С Ч ,> = ФГ Х ,> = ♦ Л Х ,)-

kп - к , к - п

O v =ФГ Х ) = - « Г Х ,> = * Х , ) .

пользуясь которыми можно доказать следующие тождества:

о<чг>v =

% П ^ гП ' У п г ) Х п ^ Ф “ (Уп ,) K {X n J -

Используя эти соотношения, нетрудно получить точные решения бесконечных систем линейных алгебраических уравнений (1.32) и (1.33) так.же, как в [2] получены аналогичные решения для изо­ тропных оболочек. Поскольку далее нас будут интересовать толь­ ко задачи собственных колебаний и устойчивости, выпишем транс­ цендентные уравнения, полученные как условия нетривиальное™ указанных решений бесконечных систем линейных алгебраиче­ ских уравнений (1.34) и (1.35):

+

т п

1= О, &*г s 1—1,3,4, (П=1,2г »уП'= 1,2, • Н ;

 

(1.37)

 

 

+1С С

-£г

)\Фп( Хтп1)Фп(— п±)-m/y £rr,nMf l- 0

 

 

l 1+S0„ / r i 11+Б0„ /

( 1+ 6 0J

) ; '

 

/7 7 = 1 ,2 ,3 ,..., /1 = 0 , * " ;

 

(1.38)

 

 

 

uCim(K ,^

Fm n)=0‘ m = 1 - 2A

- >

* = M "

0 -Э 9 )

ЗдесьК= “

-1 приЛчетномили К =

при К нечетном; К * -

при Н четном (при к нечетном соответствующие уравнения в си­ стемах (1.38), (1.39) отсутствуют;

С ^ т Ф,п ^ С 2 т Ф "(Р т п -),

ia

C

В*«Ф, Х Л

U ,< -

С .^ з тФ> / т П^ С2т<^/™ «() . С а д ^ У -

^

1

 

Гл22

л33

 

/„23

%2,

 

f

/л12

rt33 _

^m r?” j) _ ,n

^ / w

i^ f m

 

f ^ °я т .) I#

m n ”

2)/пл

 

m n

 

flm n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%3

je

 

 

 

 

 

23

 

13

22 л

 

 

 

^ mnam n ^

 

^m n~l?tT1n^ m iia mn

^tn n ^m n )1 ^m n

*~

- i ( C C

- O S

* i

*

'/w/»

 

 

 

(1.41)

7?

=»ass

ra,!

GM -(a*2

)2]+2 fl18

a13

a2S

-

^mn

umnv mn

mn 1amnJ J

с

гтт тп

тп

 

 

-a”

 

 

.11

 

23

,2

 

 

 

 

 

(a1* )2-a"

 

(a” „)

 

 

 

 

(1.42)

 

/TZ/2

 

f7l/i

winwr? *

mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В соответствии с терминологией, принятой в [2; 3; 4], уравне­ ния системы (1.37) определяют собственные частоты колебания общего случал деформаций оболочек, соответствующего формам колебаний прогиба с длинами волн в окружном направлении, не кратными расстояниям между продольными ребрами, а уравнения (1.38) и (1.39) определяют собственные частоты колебаний при первом и втором частных случаях деформации соответственно, при реализации которых длина волны прогиба в окружном направ­ лении кратна расстоянию между рёбрами. При этом частотам, оп­ ределяемым из уравнения (1,38), соответствуют формы колеба­ ний, для которых ребра находятся в пучности прогиба и работают на изгиб в радиальной плоскости и на растяжение-сжатие, а часто­ там, определяемым из уравнения (1.39), - формы колебаний, при которых ребра лежат в узле прогиба и работают на кручение.

Следует отметить, что уравнения (1.37) - (1.39) при Ш1»0 - не что иное, как уравнения для вычисления критических напряжений для оболочек, подверженных совместному действию осевых сжи­ мающих (растягивающих) сил и внешнего (внутреннего) давления.

Принятая форма представления уравнений (1.37) - (1.39) удоб­ на для решения одной из задач оптимизации подкрепленных оболо­ чек. Действительно, при заданных значениях осевых (ях ) и окруж­ ных (яу ) напряжений, собственных частот колебаний ){), а также параметров обшивки (t\ L, f t , f t ,f t , f t , ft, f t ) и числа ребер 0c) не­ известными остаются только жесткостные параметры и плотность

материала ребер Рс, 1ус»-Г«рс» ^с- ^сли ВЬ|бран мате­ риал ребер, то (1.37) - (1.39) - алгебраические уравнения относи­ тельно параметров поперечных сечений ребер. Решение последних

позволяет выбрать минимальные размеры указанных сечений, при которых оболочка терлет устойчивость под действием заданных нагрузок или работает в резонансном режиме при заданной ча­ стоте колебаний.

Точное решение уравнений движения, аналогичное приведенно­ му, может быть получено и для оболочки, усиленной только коль­ цевыми ребрами.

1.4. ПРИБЛИЖЕННЫЕ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ

Точные решения уравнений движения для оболочек, усиленных перекрестной системой ребер, в настоящее время не Получены*. В связи с этим для решения задач оптимизации используются раз­ личные приближенные подходы. Ниже приводятся расчетные фор­ мулы, полученные с использованием метода Бубнова-Галеркина и одночленной аппроксимации перемещений. Рассматриваются оболочки, шарнирно опертые по краям. Компоненты вектора пере­ мещений далее представляются в виде'

Г = г.в ( Ь в ) № ы

+

*

(U3)

О

1 ^

 

После подстановки (1.43) в (1.30) задача приводится к следующей системе дифференциальных уравнений:

*Исключением являются стрингерные оболочки с навесными шпанго­ утами (см., например, [2]).

Соседние файлы в папке книги