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

книги / Обобщенная теория анизотропных оболочек

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

(27.15)), получим следующую систему уравнений:

AAF а — liia+JWft [и и1; си

ЛД“ — ■ й г ( Л - ^ г ) [?- “1 - ^ г ( Л — & ■ ) « <2716>

Аналогично можно получить соответствующие уравнения для по­ следующих приближений.

ГЛАВА 7

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ ОБОЛОЧЕК И ПЛАСТИН

Вэтой главе излагаются некоторые задачи собственных колебаний

иустойчивости оболочек и пластин.

$ 28. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБОЛОЧЕК И ПЛАСТИН

1. Цилиндрическая оболочка. Рассмотрим задачу определения частот собственных колебаний ортотропной цилиндрической оболочки постоянной толщины. Цель этой задачи — показать возможность при­ менения к полученным уравнениям метода разложений искомых функций в ряды по собственным функциям [56].

Пусть оболочка представляет собой цилиндрическую панель, имею­ щую вдоль образующей длину а и b по дуге поперечного круга. Пред­

положим, как и в п. 2 § 11, что по криволинейному краю она шарнирно закреплена, т. е. при хх = 0, х2 = а

 

aff = 0;

 

1#' = О,

 

= 0,

 

Jfe^rO, 2л +

1].

 

(28.1)

Условия на прямолинейном крае уточним далее.

 

 

 

 

Примем систему

уравнений движения

оболочки

в

виде

 

 

д Ц к)

д2и\к)

 

d2u f

+

м\К=

р

д2и\к)

 

Сп ~ Ц ~ + с“

 

+ (Cl* + с,,) 1

®

dt*

*

 

 

 

 

 

.

д2и\к)

 

d2d k}

дЦ*>

 

. м

 

 

d2u f

лч

(Cia +

CM) - g jrg j-

+

см

 

}- с2я

^

 

+

M 2

=

p

5

(2 8 -2)

 

 

 

 

 

 

дх^

 

 

 

 

 

 

 

д2и$]

* * + М Р - , " *

 

 

 

 

 

иБ5 dxf

+ с,

 

 

 

 

 

44'

dd

 

 

 

 

а/‘-

 

 

 

 

где М 1® (i = 1, 2, 3) — дифференциальные выражения (11.4), (11.7).

Очевидно, уравнения (28.2) получены из (11.3) путем замены в них на­ грузочных членов инерционными. Если же в (28.2) учесть силовые

нагрузки F\k), то получим уравнения вынужденных колебаний оболоч­

ки. Однако они рассматриваться не будут.

Для решения системы уравнений (28.2) воспользуемся известным методом разложения искомых функций в ряды по собственным функ­ циям. Положим

« Р - £ Y v X ^ . x ^ v a ,

(28.3)

I m

SHI

где (й[т — частота колебаний, и введем безразмерные величины

х =

/, » У

_

*2

Ло)

(28.4)

 

и »

,/------ *

 

п

 

п

У <w р

 

Подставляя значения (28.3) в уравнения (28.2) и принимая во вни­

мание обозначения

(28.4), получаем относительно функций

и$т си­

стему уравнений,

которую запишем таким: образом:

 

дхдудЮ

+ с дЮдуа

дх.

 

 

 

 

(28.5)

где со2 = o»L;

 

 

 

г/ =

(tff \ *Л0), и ? ,

U[N\ и 1? \ и?*у,

(28.6)

причем U\k) =

(/' = 1, 2, 3);

штрих обозначает транспонирован­

ную матрицу. Отметим, что Л, В, С и аъ Ьг > — квадратные матрицы

размера

6 (в +

1) х

6 (я +

1),

причем А,

В,

С — блочные

матрицы:

 

 

 

 

А

0

0 •

 

 

А

0

0 '

 

 

 

А = ’ 0

Л3

0

 

 

С =

0

С3 0

 

в которых

 

 

_0

0

А .

 

 

.0

0

^3-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С11

0

0

 

 

 

0

с12+ с«я

о

 

 

сЯв

 

 

 

 

 

‘-ее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

-

О

 

1

о

 

 

 

+ свя

О

о

 

 

 

 

 

 

 

 

с«в

 

 

 

о

 

о

СЯ5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ссе

 

 

 

 

О

 

о

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ея =

о

с28

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

О

Си

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(W

Имея формулы (II.4) и (11.7), нетрудно записать матрицы blt cit

однако они имеют более сложную структуру.

Уравнение (28.5) с соответствующими условиями на границе пред­ ставляют собой задачу определения собственных чисел и собственных

функций.

на границе хг = 0,

хх =

а выполнены условия (28.1). Эти

Пусть

условия

будут удовлетворены,

если функции

(i = 1, 2, 3; k £

£ [0, //])

представить в виде

 

 

 

 

 

 

и Um =

У и т (У) COS В Д

U & , = У $ т (у) SH1 ЩХ\

(28.7)

 

 

 

 

 

Inh

 

 

utim =

У ш (У) sin а:х,

а; «

 

 

 

а

'

 

 

 

 

 

 

 

Внося значения (28.7) в (28.5), получаем такую систему уравнений!,

+

+ -V im +

<0гК;,„ = °,

(28.8)

где А\%Въ Сх— квадратные матрицы, a Ytmвектор-столбец

Уы = Л ,

Y&,, y ft,.......... yffl,,

rtta, Kffi)'.

(28.9)

Решение системы обыкновенных дифференциальных уравнений

(28.8), очевидно, зависит от вида граничных

условий, заданных

на

кромках у = 0, у =

ЫН. Пусть на них выполняются условия

 

cr$ =

0,

0,

w f =

О,

ЛЛ].

(28.10)

Согласно (28.10) функции

У\%г примем

в виде

 

 

 

 

 

 

 

S 4/m C 0samy;

 

 

 

 

 

 

m

(28.11)

YfL = £

Аъ1тsin amy\

_ _

mnh

 

 

«m —

t *

 

 

 

m

 

 

 

 

А ш

 

Если внести (28.11) в

(28.8), то

относительно

постоянных

по­

лучим однородную систему алгебраических уравнений. Для нетри­

виального решения этой

системы

необходимо,

чтобы определитель

ее был равен нулю.

 

 

 

 

щ+ы (i = 1,

Обозначая коэффициенты при постоянных

через

2, 3; k = 0, 1........2п -f- 1),

получаем систему уравнений

 

 

det | CLrs

(Dim| —• 0,

 

 

(28.12)

из которой определяем собственные числа <в/от. При этом

необходимо

отметить, что постоянные ars (г, s =

1,2,

.... 6 (л -Ь 1)), кроме

упругих

постоянных и геометрических размеров

оболочки, зависят

от чисел

/ и т, обозначающих количество полуволн в продольном и поперечном

направлениях.

Замечание 28.1. Ограничиваясь рассмотрением лишь поперечных

колебаний оболочки, пренебрегая инерционными членами вращения, придем к уравнению вида (28.12), порядок которого относительно

a>im в три раза меньше исходного уравнения.

 

 

 

В качестве

примера

рассмотрим

случай

приближения

порядка

N = 1

(п — 0). Система

уравнений

(28.12)

в этом случае

имеет вид

О-ц

(Dim

а 12

 

а 13

 

0

 

0

а и

 

а 21

а 22

(D im

 

^23

 

0

 

# 25

#26

 

а 81

 

 

#33 —

2

 

 

 

 

 

 

°3 2

(Dim

#34

 

#35

#30

 

0

 

0

 

#43

# 4 4

 

#45

#40

 

0

 

а б»

 

а ьз

а ь4

#вв

(D im

#50

а п

 

а 63

 

Лез

 

а п

 

а ев

Две

(D im

где

“u = - ~ - a l + о£; a

 

iia ± 3 l а/аяп

Ci*h

12

aia ------- ~cUp~ at*

С«в

Canu0fl

c«eK

° 21 = а д

< h .- a ?

д —

3C«'1 .

 

^ T '

 

 

 

 

Зс<

 

 

 

а1й

 

(3

 

 

 

 

4».

 

 

 

 

 

 

 

 

+

- £ - « i +

- f £ ;

eM =

_ J e n ± M i am;

#26

3c<2 3

 

am;

aQ1 =

a

 

 

ceo

 

31

*13» ^32 — 023?

#33

~

a.; +

S !-a m‘

+

^22^

#84 =

 

3CcS

 

^ 35 =

ЗСяЯ

 

 

 

 

■'0(1

 

 

cMR*

 

CQQ

 

~ C W

СС/И*

 

_

3c2f/i

e

#4 3

— З л 34;

#44

-11

 

Щ “f - &m +

3c,65 .

(28.14)

Дао

^

»

 

;

 

 

CrtO^?

 

 

 

 

a

 

 

 

 

^60

 

 

 

 

c66

 

 

#45 =

a12»

#40

 

13»

#62 — Здоя»ь26»

#пя53 — 3a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*85»

 

#64

#45*»

#65 — a / +

*7&m+

 

3c44_

 

,

C44fl2 .

 

— л

 

CQQ

 

Г

D2 ’

a60 — u

23’

 

 

 

 

 

 

 

 

CM

 

'

 

 

'

CflB/?2

 

 

 

 

3aGi =

a10;

3#e2 =

#20*

3aG =

a36;

 

ac4 =

—:a46;

 

 

 

 

 

st

_

 

сы>

 

* I

u44

'«m +

 

ЗС33

C22^2

 

 

#65

— # 56»

aee —

^

 

+

 

 

 

Ce« 4"

cmR2

 

Если же пренебречь инерцией вращения, то в уравнении (28.13) под­ черкнутые параметры необходимо положить равными нулю.

2. Пластина. Частоты собственных колебаний пластин опреде­ ляются из уравнений (28.12). если в коэффициентах afi положить равными нулю члены, содержащие множитель hJR. Однако в этом слу­

чае (28.12) распадается на два уравнения, описывающие соответственно частоты симметричных и кососимметричных колебаний пластины. Это легко увидеть на примере уравнения (28.13). В самом деле, частоты симметричных (относительно срединной плоскости) колебаний опре­

деляются из уравнения

 

 

 

 

 

Яц — <й?/п

 

Я12

Сц

 

 

#21

#22

 

#20

0,

(28.15)

# 6 1

 

# 6 2

# в б

 

 

а кососимметричных — из такого уравнения

 

 

2

 

 

 

 

 

#88

 

#34

#35

 

 

#43

#44

®1т

#46

О,

(28. 16)

#53

 

#64

#55

 

 

в которых

 

 

 

 

 

 

Я ц = ■ 11 ' 4 ” ®Л1»

п

_

с<2 4" С6в

a .

О м *

 

aU —

^

aiam>

с»

сев

 

 

 

 

 

.Аналогично получаем уравнения частот колебаний пластин для последующих приближений. На рис. 22, 23 представлены кривые изменения частоты поперечных колебаний пластины в зависимости от изменения поперечного модуля сдвига и относительной толщины пластины.

§ 29. СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ОБОЛОЧЕК

ИПЛАСТИН

1.Линеаризированные уравнения оболочек. Используем получен­ ные в § 5 нелинейные уравнения к исследованию устойчивости анизо­ тропных оболочек и пластин. Для этого проведем линеаризацию дан­ ных уравнений. Обычно в качестве начального напряженного состоя­ ния используют безмоментное или же моментное напряженное состоя­ ние оболочек [7]. Поэтому сохраним в уравнениях (5.21) нелинейные члены, содержащие произведения моментов компонент тензора напря­ жений нулевого и первого порядков и моментов компонент тензора деформаций произвольных порядков. Согласно сказанному будем счи­ тать, что

= o i? + 4- £ [ о й е й (И) + З о й е Й Г “ («)],

(2 9 .0

т=1

 

где

Представим, следуя ПО], компоненты напряженно^деформирован­ ного состояния оболочки в виде суммы начального и возмущенного состояний. Обозначим через а</ и щ составляющие начального поля напряжений и перемещений, а через хц и и( — возмущенного, т. е.

= оц +

и>= «i + vf.

(29.3)

Компоненты внешних усилий представим в виде (10, 13]:

Pi = Pi 4- ДЛ 4- Л;

(29.4)

Ф ( — Ф,- Д Ф ( - f Ф/1

где через ДР( и ДФ, обозначены изменения начальных поверхностной

иобъемной нагрузок, вызванных возмущением. Переходя к моментам напряжений и перемещений

„Ф)

=

оц

, (ft).

(ft)

~ к) , (ft)

 

4- хц,

щ = щ + Vi

и внося их значения

в равенства (29.1),

имеем

o ff = o ff + ТЙ*.

где

/п0 г\

(zy.o)

(29.6)

 

W

 

+ 4-

2

 

(«) + З М Г (о) +

 

 

 

 

 

 

/7 1 = 1

 

 

 

 

+

тЙ 1«Й) (и) +

С

(о)] +

тЙ (eSf1" (и) + « 2 ?” M l).

причем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

I

ад

 

 

 

e f t W

-

•а

^

4'-

АаА$

а ор

 

 

Щ

 

 

 

р(*>

 

___ 1

 

 

1

дА,

 

р§5 /п'1 =

-L „*«.

 

 

 

 

0Аа ..(*).

(

)

~

да

а |а

 

дад р

dgp

еза( J

л а ’

(ft)

ч

 

1

 

+ М з ’;

 

 

./(*)

 

sLi(») =

*&а

B8 ( I») = -7-OJ

 

 

 

 

 

 

 

(а, р = 1, 2; а=?^Р).

(29. Я

(29.8)

Если принять допущения 113], что возмущения малы и произведе­ нием (v) можно пренебречь, линеаризируя таким образом со­

отношения (29.7), а начальные перемещения настолько малы, что про­ изведения т(т&т/ (и) можно опустить, то равенства (29.7) примут вид

ii? -

+ 4■ S

[5М , (О) + 5МГ11(0)1.

(29.9)

 

m=l

 

 

Подставляя выражения (29.5),

(29.6) в уравнения (5.21), получаем

следующую систему

уравнений:

 

 

dAjsj/f

 

дАх “ (ft)

дДо “

 

+ “ Ж + Ala Т‘2

а&х

 

А ХА2(fcaTi(3

+

-J- тз1(А>) +

A^AJifP ~ ф А хА^}?

(1

2);

 

 

 

 

л

л

И

 

+ * , » - Ч

^

А)) +

 

 

+

A iA J iff =

рАЛЛ®?»

k £ [О, ЛГ],

 

(29.10)

где

Л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДФ,)Р» (0 4 з + - Н - й -

( -

1)‘ *57 +

 

/?> - J (® , +

 

1—А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ -j-

t ,

faLefc (») -

( -

■I)*:Й а Г( (»)]}.

 

(29.11)

причем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* ( » ) ■ = £ ( ' +

- г ) <&

* ( » )

=

Ё ( - 1 ) ' ( н - 4 - ) е а .

(29.12)

 

ро 4

 

'

 

 

 

 

/=о

4

 

'

 

Напомним, что в (29.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И Н

 

 

 

 

(ft—2/—1)

 

 

(29.13)

 

тзГ =

2

(26— 4/ — 1)т/з

 

 

 

 

 

 

1=0

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия

(5.22) преобразуются к виду

 

 

 

 

 

 

Й Ч

+ Й Ч

=

Р|и +

ДР!И.

 

 

(29.14)

После линеаризации соотношения упругости (5.25) запишутся таким образом:

* !? =

£ h c ,iJ S (С),

(29.15)

где

 

 

 

ей (v) = 4 -

[ej? (о) +

(»)].

(29.16)

Упростим уравнения (29.10). Сохраним в равенствах ^29.9) лишь

г(0)

тангенциальные моменты напряжении crip совместно с моментами нор­ мальных перемещений v3k). Кроме того, опустим члены, содержащие нормальные кривизны k a (a = 1, 2). Тогда уравнения нейтрального

равновесия принимают вид

,

^

i Tl2

,

дЛ{ (ft)

дА2 _(ft)

~ а ь - +

1 Г

+

" ^ ‘ 1'| 2 _ 'в1Г Т а -

- > 4 A (V 5 + - f T^ ) = °:

яд

М 1Т22 . дА3 (A) dAi rt)

о л 2Т 12

аь

+' dtt~ +“а1ГТ12% •“ — ~а|атЬ ~

- Л Л ( А а $ Н - т ^ * ’) = 0;

dli

+

 

 

 

 

 

 

2

d

^2

 

 

+

d v p

+

56,

л,

ж

5|2

1

d

Ф4

 

<4*

+

=

0

+ 2

56a

 

56i

 

 

 

 

 

(k =

0,

1, . . .

,

W).

 

2. Устойчивость ортотропной цилиндрической оболочки. Рассмо> трим в качестве, примера задачу статической устойчивости ортотроп­ ной цилиндрической оболочки. Допустим, что оболочка находится

под действием сжимающих усилий о«’ = —2р (р = const), распре­

деленных по торцам, на которых выполняются условия шарнирного опирания. В этом случае система уравнений нейтрального равновесия оболочки (29.17) при условии осесимметричной потери устойчивости сводится (при N = 1) к такой:

 

А®

п

 

 

— т(0) — я

dM°>

 

 

 

 

___!1_ = fi­

ds

ds*

~

0;

 

 

 

ds

U|

 

ТФФ

р

 

 

(29.18)

 

 

 

* 8

_

^ 1 т(«_ L

 

р ■

«М*

ds

=

0;

 

0.

ds

 

Т<рф

^

Тзз

 

ds2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь

# — радиус

срединной

поверхности;

 

т^1,

 

 

— моменты

напряжений, определяемые

равенствами

 

 

 

 

 

 

 

 

г = л |

'n

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

diA1'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T'SS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T$$, =

Л (С

 

g22

„(Ф

I

 

ЗС23

(I)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)■

« * » - * ( « « -те- +

(29.19)

4* - + - ¥ - • ? + - ^ » р );

Т33=

_.(0)

=

d v f

dv^

TS3

АСбБ( - ^ + 4 ^ > ) ;

t } - he,

 

 

 

66 “ ds-

Полагая Оз* = 0 и пренебрегая последним уравнением (29.18) (исклю­ чая таким образом эффект поперечного обжатия оболочки), из (29.18),

<*Ч°1

с

dt/Я

 

- w-

Чь

 

3<?58

 

_

Л.

 

 

 

 

 

 

 

 

dV‘’

 

ds

 

^2

Vs

— U,

 

 

'“ “ 2P - +

“i

r

~

e 0 ;

С\1—&

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(29.20)

 

/ .

 

 

 

Cf2

 

,

3ci66

d S

 

^22

 

 

 

 

 

Нса

ds

 

oP =

0.

 

 

 

(сбб

Р)

R

1

h

ds

 

R3

 

 

 

 

 

 

dsa

ds

 

 

 

 

 

 

Условия

шарнирного опирания

торцов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т® = 0;

тй1= 0 ;

оГ =

0

 

 

 

 

(29.21)

при s =

0; s =

/,

где I — длина оболочки, будут удовлетворены,

если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции оР, 1/з°\ oiL)

предста­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вить в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=s»=*a^=

 

(0)

я

 

/пns

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о* =

Л* cos —j— ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

up = A2sin

/ПЯ5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v? = Ла cos

mns

 

(29.22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

д а -

W

 

0,0/5

0,020

2h/R

Здесь

m — число

полуволн.

 

 

Внося

(29.22)

в

(29.20),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

24.

 

 

 

получаем однородную систему

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнений

относительно

по­

стоянных А{. Из условия нетривиального

решения

ее получаем урав­

нение, из

которого находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р =

аКг + btin + с

 

 

 

 

 

(29.23)

 

 

mnR

 

 

 

 

tin (a ltin

+ bl)

 

 

 

 

 

 

 

где =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а — сцс55-^5-;

Ь — Сц [сп с22 — с?г)

Аа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Яа

 

 

 

(29.24)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Аа

 

 

 

 

 

 

 

® —

^ 5 8 (с 11с 33

^1з),

 

 

— 3 C j|С Б5.

 

 

 

 

 

Й2 — Сц -^ а J

 

 

 

Минимизируя обычным образом [88] р по параметру

 

получаем урав­

нение

 

 

 

 

 

tin— АХ2т — В = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(29.25)

и величину критической

силы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р*9

 

 

 

+

(ffiic2a — ^12)

 

 

“^ 2")

 

 

(29.26)

 

 

 

 

 

£?ud* |зсв5-+• cltd*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В =

 

cbtR2

 

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{abt — Qlb) h?