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

книги / Основы математической теории термовязкоупругости

..pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
13.32 Mб
Скачать

причем амплитуда напряжения з^тп и фаза его относительно деформации (24.17) имеют выражения

$т« = ет»ЯШ, ЬёФ» = Л с»/Л . И . ;

= У Я* (со) + Я2$(со).

 

(24.22)

Частотный модуль В& = 26?^ и фаза фюнепосредственно измеряются в опы­ те, как отношение амплитуд 8тп1етп и времени запаздывания амплитуд­ ного значения 5ГПП= з^п относительно амплитудного^значения*деформа-

ции етп = втп- Опыты

повторяются с различными частотами со, и стро­

ятся частотные

зависимости В ш и

фо,

 

= /

И ,

^§фсо = 8 И -

(24.23)

Теперь находятся

 

 

 

п с(со) =

Я шз т

= Яш

?(<й) =

,

 

 

У 1 + ? 2(»)

(24.24)

В 3(со) =

С08фо — 7?о)

+ ё2И

.

 

 

У 1

 

После этого, используя интегральные соотношения Фурье, из (24.20) на­ ходим функцию релаксации материала по любой из формул

00

д

(*) =

оЛс(й>) С08(0*“^Г*

 

 

 

оо

 

д

(0 =

Д ,(® )зт ю * -^ р ,

(24.25)

 

 

О

 

 

 

оо

 

Я (*) =

Яш31П. (со* + <рш)

.

 

 

О

 

Для представления о характере зависимостей (24.23), которые изу­ чены для различных полимеров [40], рассмотрим экспоненциальную кри­ вую релаксации

Я (() = г20е~е‘.

(24.26)

Из (24.20) находим

2(2

=

со ^ е ^

со8 со*

_

со|3

 

 

Р2 +

со2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* .И

 

 

1

 

 

со2

 

 

=

со

^ зт(0%сН

 

 

 

~~

Р2 +

С02

2О,

 

 

 

 

Следовательно, на основании (24.22), (24.23) имеем

В «« = Д(ю) = 2Ссо/Ур2 + о>2,

^ > со! = ^ ( со)1=:р/ со.

(24.27)

9

( • '

На рис. 22 даны эти частотные зависимости модуля / (со) и фазы # (со) от периодов колебаний, точнее от р/со. При со —^ оо из кривых находят мгно­ венный модуль сдвига 20.

Рис. 22.

Частотная [зависимость модуля сдвига и запаздывания фазы для экспоненциальной функции ВЦ)

По аналогии с электротехникой в механике вязко-упругих колеба­ ний введено понятие импенданса; это комплексная величина

Ж (со) = А- [Е с(со) - Ш, (со)],

(24.29)

вполне определяющая вязко-упругие свойства материала. Если рассмот­ реть колебания с периодическим изменением скорости деформации ётп —

=ётпе1<*г, то легко находим

^тп^тп — И7 (СО).

Существенная роль

частотных

характеристик

материалов К* (со),

Е* (со) для сдвиговых и объемных

свойств обнаруживается в теории коле­

баний и распространения волн.

 

 

 

§ 25. Вязко-упругие колебания

и

волны

 

Три типа динамических

явлений

 

в вязко-упругой

среде могут быть

изучены сравнительно просто: явления на фронтах сильного разры­ ва, явления вынужденных установившихся колебаний и асимптотические свободные колебания.

На фронте волны сильного разрыва, возникающем в результате мгно­ венного приложения нагрузки или сообщения скорости на границе тела, деформации и напряжения изменяются скачком, т. е. скорость их изме­ нения во времени очень велика в бесконечно тонком слое, нормальном к скорости распространения фронта волны. В момент мгновенно изме­

няются

деформации

 

 

 

 

 

 

ей (к + 0) - еи (к - 0) =

Аеи ,

0 +

0) -

0 -

0) = Л0.

В окрестности I =

следовательно, е^ получают приращение

(25.1)

(2 — т^);

0 — приращение

Д0/г (I — *х),

их

дифференциалы

Аеи8 (2 — *х) ей,

Д06 (2 — ^)ей, и

потому приращения напряжений

от момента I — ^ —0

до I —

+ 0

 

 

 

 

 

 

 

^ П

( к — т) А ец б (т — к ) й х = Я (0) Де^,

Да = Я г(0) Д0,

(25.2)

т. е. для скачков имеет место идеальная мгновенная упругость с мгновен­ ными модулями Е (0) = 2 О и Е г (0) = К . Следовательно, существуют два известных типа волн — волны сжатия и волны сдвига, распростра­ няющиеся со скоростями

К + -О-0

С1 У

р

с2 = УО/р,

(25.3)

измерения которых используются, как уже отмечалось в § 3, для нахож­ дения (0) = К и В (0) = 20. Таким образом в вязко-упругом теле скорости волн такие же, как и в идеально упругом, но их интенсивность затухает, энергия фронтов рассеивается [41].

Установившиеся вынужденные колебания вязко-упругого тела под действием периодических нагрузок и перемещений границы подобны пе­ риодическим квазистатическим деформациям, рассмотренным в § 24, но они могут существовать в телах конечных и бесконечных размеров при неодноррднйх напряженных состояниях.

Перемещениям среды

Щ(2, х) = и\ (х) С08(О* + Щ(х) 8Ш со*

(25.4)

соответствуют деформации

8у (г, х) = е'ц(х) соз со* + еу (х) з т со*

(25.5)

и напряжения

С|? (*, х) = Су (х) С08(О* + Су (х) 31П (0^,

(25.6)

причем по прошествии некоторого времени, как уже отмечалось, <уу и (Ту не будут зависеть от времени I и будут выражаться через деформации

еу, еу законом Гука, в котором модули упругости будут зависеть от частоты со

 

 

+ (Гю- 4- гс) 0'*« -

[г,«ч,- + (г15—4 г*) Ы =

 

фус

бу$»

 

 

(25.7)

=

Г38у + (Г15---- ^ Г.) 0'6у +

^Гс8у + ^Г1с---- Гс^ 0"6у^ =

=

бу* Ч- буо

 

 

 

 

 

оо

 

оо

 

 

Гс =

^ Г (т) соз сот йт,

Гхс =

§ Гх (т) соз сот^т =

Я18,

 

 

о

 

о

 

 

 

оо

 

оо

 

- Л с

Г3 =

^ Г (т) (ОТ (2т,

Г15 =

^ Гх (т) 81П (ОТ д.%=

Я1с.

 

 

о

 

о

 

Внося (25.4), (25.5), (25.6) в уравнения движения и полагая, что массо­ вые силы отсутствуют, получим систему шести уравнений

— рсо2и- =

су, 5=

Ьс (щ) — Ь8 (щ),

(25.8)

 

 

 

Р(02^г =

=

Я8(Щ) + Ьс (щ),

 

причем Ь (и) — оператор статических уравнений Ляме, в котором по­ стоянные Ляме выражены либо через Гс (со) и Г1с((о), либо через Г8 (со) и Гц (со):

Ь (и) = (X + ц) 0Д+ рДиь

К = Т1С---- |- Г с,

\1С=

Гс для

Ьс(и),

(25.9)

1

Щ=

1

Ь$(и).

 

^8 = Г«1 ---- з“ Г8,

~2~Г8для

 

Граничные условия должны быть заданы в виде иг = и'ю созсо2 + иг0зто)^

на 2 и и 8 г =

соз о>2 4-

з т ю2 на 2<д, т. е.

щ = и[о (х), щ = щ0(х) на 22,

(25.10)

*5*г0 (х), 0^1^ = 4$*го(х) на 2§,

следовательно, на каждом элементе поверхности задано 6 граничных ус­ ловий

В системе уравнений (25.8) можно исключить любой из векторов щу после чего получим для любого из них уравнение

II (щ) + Ь\ {щ) + 2рсогЬс(и*) + (рсо2)2 щ = 0.

(25.11)

Векторная форма оператора Ляме позволяет переписать систему урав­ нений (25.8) в виде

Ьс(и') + р«>2и' = Ь, (и"),

(25.12)

Ьс (и")+рсо2и" = ; - ! ,> ') •

Поскольку

 

 

 

у Ь (и) =

(X + 2|х) Д0,

0 =

сИу и,

тоЬ Ь (и) =

2[хАЯ,

262 =

го1 и,

то, применяя эти операции к (25.12), получим уравнения для 0

(г1с +

4 Гс) Д0' + рю20' =

(г18 + |-Г в) Д0",

(Гю +

1

Гс) Д0" + Р®20" =

- (Г18 + 4 Г.) Д.0'

и для 62

 

 

 

 

ГсАО' +

2рсо2Й' =

Г8Д62'\

(25.14)

ГСАЙ" +

2рсо2й" =

 

— Г8Д62'.

Для примера рассмотрим задачу о периодических сдвиговых колеба­ ниях слоя (рис. 21). Граничные условия для перемещения и2 = и (2, у) = = м'соз со2 + и " зт 0)2 принимаем в виде

у =

0,

и' = и" — 0,

 

у =

а,

иг = 0,

и" = 2ае\^ = и0,

(25.15)

и =

2ае\2зш 0)2 =

щ з!п со2.

 

Так как другие компоненты вектора и равны нулю

(иг = и3 = 0), та

у и = у и'

== <Ну и", и потому уравнения (25.8) принимают вид

 

+ Р * и = - §

а2и"

 

<1у*

йу1

(25.16)

(Ри*

 

р и =

<Ри/_

 

 

&УЪ

 

Лу2 в

 

 

 

 

Здесь обозначены:

ГЯ

Решение, удовлетворяющее условиям (25.15), имеет вид

и' =

 

 

 

3Й_Р*»8

Ь

^ ** С08 ^ с Ь ртузщРгЦ

и" =

«>аг0 8Ь Р1а

Р*8ЬР1У сов р*у + сЬргазшргаСЬ

 

(25.18)

 

 

где обозначены

 

 

 

 

8 Ь*/>1« + зт* ръа

 

~

■-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р1~ Р

у щ

г г &

У Т + у г ^ '

Рг =

Р-3^1 +

У* + Е-

 

 

,

 

 

 

 

 

 

>^2(1 + г2)

(25.19)

 

 

 

 

 

составляющие

о[~

 

Напряжение

а12 (25.6), т. е. его

В ы ч ^ ™ «

формулам (25.7) на основе

значений перемещений (25 Ш

при у = 0, для чего находим сначала деформации

 

'

' Ь1ЧИСЛИМ их

е;2 |у=0 =

1

( ^ 1 \

 

=

ае°12

Р}

Р* зш Рга + р^

ь р1аС03

,

1

 

2 \ * / / у = о

 

12

 

8Ь2р 1а + з т 2^ --------- —

4 |у=0 =

4

(% г)

=

йео„ .^ Ь р 1а соврга + р.сЬ^ ав1п р,а

(25.20)

 

 

 

2

\ ау /у=о

12

 

зЬ2 р\а -(- 81п2 р^а

------ •

 

. после чего имеем при у = 0

 

 

 

 

 

 

 

012 ^

 

“Ь

= -^в (^12 Ч” #^12)»

 

 

 

(25.21)

^12 =

*^се12 Ч“ «^8е12 ^

^8 (— 8^12

4" ®12)«

 

 

 

 

 

 

 

Производя вычисления

и

обозначая

 

 

 

 

 

 

зЬ2 />1Д 4 - з т 2/>га

У 2

__

^ /лЛ#

 

д

 

г («).

(25.22)

У Т + Т г + 7

ра

~

{*0)'

 

1 + У Т+72

 

 

 

 

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Он/ (<»)/Л8е?2 = г сЬрхозгпр2а + зЪрха созр2а,

 

 

(25.23)

Он/ (®)/^8812 = сЬрха зш р2а — г зЬрха соз[р2а.

 

 

 

 

 

При условии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ра =

аю у^р/Я , <

1/3

 

 

 

 

 

 

(25.24)

выражения

(25.23)

совпадают с квазистатическими,

найденными в § 24,

с ошибкой не более 3%, так как амплитуда напряжения а®2 = У а^ + о^,

вычисляемая

из (25.23) при условии (25.24) с указанной точностью, будет

($12 — ^12^6 У*1 4“ §2“ 812 У-Йз +

= в?2Л<0*

(25.25)

Это следует из точного выражения

амплитуды напряжения при у = О

°12 _

д

а р у / Т + ё Г 2

 

 

(25.26)

<3®2

8

К зЬ2/>1« + 81П2 Рга

*

 

 

 

если с точностью ра2/3 сравнительно с единицей заменить синусы аргу­ ментами.

На плоскости у а деформации, соответствующие перемещению (25.18), имеют выражения

(е12 )у—а

(^12)у=1 =

аи \

о

^ ) а ~ агП'

/ Ли”\ _

а&12

V йу /а ~

 

зЬ2 р га +

з т 2 Рча

(25.27)

р \ зЬ р гд сЬ р га 4 , р 2 р 2д соз р 2а

зЬ2 р га +

з т 2 рча

 

напряжения выражаются формулами (25.21).

 

 

 

 

Для неограниченно

толстого

слоя,

заменяя амплитуду перемещения

2аЕх2 = и0 (25.15) и полагая

а =

оо, получим из (25.27) деформации

 

(е12)а =

МоРг/2,

(ец)в =

и0рг/2

 

 

 

(25.28)

и из (25.21) напряжения

 

 

 

 

 

 

 

(ви)а =

у

+ в'л) =

1 +

У 1 +

ег,

 

 

(би)в =

у Н °и <>( - 8Рг + Рх) = —

2 1^2

8

~ ~ г .

^

^

 

1

 

 

 

/ 1+ТЛ1 + ^

 

 

Их амплитуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А = - У * Г +7[1 =^ у Т + Т г^^гр-У П :-

(25.30)

 

Как видно, например, из рис. 22, амплитуда напряжения достигает мак­

симума при

некоторой частоте сош, определенной

равенством

© =

©т.

(25.31)

Это — резонансная частота, измерение которой в

опыте является не­

сложной задачей, если такие резонансные частоты, определяемые для раз­ личных конечных толщин слоя а, позволяют определить характеристики

•йсо, Я (О* Свободные затухающие колебания. Пусть некоторое время на тело

действуют силы Рг, после чего тело совершает свободные затухающие колебания. В таком случае силы, перемещения, деформации, напряжения будут иметь интегрируемые квадраты в бесконечном интервале времени

и потому могут быть представлены интегралами

Фурье

 

 

 

 

со

 

 

 

 

 

ип(I, х) =

-У- ^ ип(со, х) е~ш й<й,

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

 

етп (*, х) =

- у

^ е*шп(®, х) е~^<Зсо,

 

 

(25.32)

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

 

®тп (г, Х) =

4 "

^ ° ”1П

Х)

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

П р И Ч е М

— 1^7п ,П

^71,777? ^

= ^771 ,771? & Т П П

®771П

^

^ Д Л Я Н З “

пряжений, например $тп, получим

 

 

 

 

 

г

 

 

оо

 

 

к(*, X) = ^ Г(т) <?тп (< — г) с/т =

§ Г (со, I) етп(со, х) <г*"'Ло,

где при достаточно больших I

 

со

 

Г (со, I) —з- Г* (со) =

^ Г (I) е™41,

 

 

О

(25.33)

 

оо

 

 

Гх (со, *)-► Г1 (со) =

Л 1\ (I) е**А.

 

 

о

 

Следовательно, для достаточно больших I

 

°тп (СО, X) = (Г! -

Г*/3) 0*бтп + Г *8*тп,

(25.34)

и уравнения движения принимают вид

 

 

Р* (нп) ~Ь рсо2ип

рВп = 0.

 

(25.35)

Оператор Ляме

 

 

 

и (и1) = (г; + Г/6) е;п + Г /2Ьип.

 

(25.36)

Граничные условия в напряжениях имеют обычный вид

 

Зтп^п — ^Ш|

 

 

(25.37)

причем силы Рп (I, х), З т (г, х), как уже

говорилось, исчезают при неко­

тором 1 = 10 и потому

 

и

 

оо

 

 

Рп (со, х) = - ^

Рп (I, х) е~ш (к =

(*> х) е~ш <И,

 

о

 

о

(25.38)

и

 

 

Рп(со,х) = 4 ^ « ( г ,х ) е - - 'А 0

конечны. Из (25.35) при <Иу Р = 0 и го! Г = 0 получаем уравнения Гельм­ гольца для дилатации 0* и вихря го! и* = 2Й*

де* + (^.уе* = о,

< ■ ,= ]/} ( г ; + | г ) ,

(25.39)

А&*+(— |2Й’= 0, \ с2/

В качестве примера вновь рассмотрим полупространство, на границе которого в момент I = 0 приложен импульс (ось хх = х в глубь полу­ пространства)

 

 

оо

 

51 =

а11 = Ф (0>

«1 = я ^ б (I) еш й1 =

(25.40)

 

 

о

 

причем их = их (I, х),

0 = и1л (I, х), Оц = Оц (со, х) = (Гх

2Г73) 0*

и потому из

(25.39)

 

 

Решение этого уравнения

гоох

гоох

 

Оц - А е ~

+ Ве~ ~ ,

(25.42)

удовлетворяющее условию (2.40) и исчезающее при х —> оо, имеет вид

ах з!п ср

шх соз <р

 

---------+1

----;—~

(25.43)

Оц = че

 

где с — модуль с1, фс — аргумент сх с обратным знаком

с1 = се

с(со)= ] / } } / ( п и + ^ п е}2+ ( п 1 с + * .всу .

(25.44)

Как видим, Фурье-образ ап,— убывающая функция со. Картина рас­ пространения волн по глубине х и по времени ^ дается обращением (25.43)

оо

Оц (*, х) =

Ке ^ о*х (ю, х) е-*“Усо =

 

 

о

 

 

 

 

ОО

ХОО 31П ф

/

 

= Л - П е [ е

с

4Г '”

=

я

^

 

 

 

 

о

 

 

 

оо

хоо 31П Фс

 

хлосоз ф

 

= ~ ^л\е

с

003 (ю*----

(24.45)

йа>.

В случае пропорциональных экспоненциальных ядер релаксации

Л(1) = Л0е~^,

Лг = Лые ^ ,

(25.46)

входящие в (24.25) величины имеют следующие явные выражения через со:

 

 

 

 

1 /

Лю>Н“-

2

И,. -= Л„ ~ ш,

 

=

(ЗСО

-д~ Ло

с0= К

-----

 

0 со2 + р2

 

со9- + З2

 

 

 

 

 

^2срс =

со

 

 

(25.47)

 

 

 

Т ’

 

 

 

< В 3 1 П ф

Уо

 

Переходные процессы. Периоды образования стационарных вынужден­ ных колебаний, рассмотренных выше, и перехода к предельному процес­ су, описываемому уравнениями (25.35), (25.39), являются более слож­ ными для исследований и могут быть изучены, в частности, тремя мето­ дами. Первый — прямой метод решения системы уравнений рйг = + + Рг вместе с основными соотношениями между напряжениями — дефор­ мациями — временем — температурой, записываемыми в конечных раз­ ностях.

Другой метод основывается на представлении решений в виде рядов или интегралов Фурье (25.32), причем не делается предельного перехода

(25.33), а выражения напряжений

ОО

«тп (*, х) =

г (со, I) етп (со, х)

 

 

О

 

 

 

оо

 

 

5 (*>х) =

§ Г1

е*

(25.48)

 

о

 

 

г (со, I) =

г

 

г

^ Г (х) е'^йх,

1\ (со, I) =

^ Гх (г) е1а>Чх,

и перемещения ип (2, х) (25.32) преобразовываются к двукратным интег­ ралам с помощью замены Г (со, *), 1\ (со, I) на

 

оо

Т(со, Ь) = Г* (со) — Г (со, I) =

\ Г (т) е^Чх,

 

ч

 

оо

Гх(со, I) = Гх(со) — Гх (со, *) =

$ Г1(т) е™Чх,

 

г

это — функции с интегрируемым квадратом модуля, и потому они мо­

гут быть представлены интегралами

Фурье

 

 

 

оо

 

г (со, I) е~ш

=

 

^ ё' ((о, р) е-^Чр,

 

 

 

О

 

 

 

 

оо

 

Гх (со, 0 е~ш =

1 -

(со, р) е^Чр,

оо

 

 

О

оо

 

 

 

§(<■д,р) = 5

Г(<М)е1(р"“)*<#,

§1(<*>’Р) = ^ Г1(со,

О

 

 

 

о

Врезультате можно получить систему уравнений, аналогичную (25.35),

скоэффициентами, зависящими от у (со, р).

Распространен метод преобразования Лапласа, непосредственно при­ водящий основную систему динамических уравнений к виду, внешне сов­ падающему с (25.35), (25.36), если положить со = 1р. Решения этой сис­ темы могут быть построены для многих случаев, но переходы к оригина­ лам будут достаточно сложными, хотя формально решения и записыва­ ются в виде интегралов Мелина.

Нелинейные задачи линейной теории термовязко-упругоети

К таким задачам мы, во-первых, относим так называемые связные зада­ чи, в которых температурное поле не определяется независимо от поля напряжений и деформаций вследствие нагревания вещества за счет дис­ сипации энергии, а поле механических величин вследствие зависимости ядер ползучести и релаксации от температуры не определяется независи­ мо от температурного поля; во-вторых, контактные задачи с переменными границами площадей контакта, зависящими от времени как вследствие ползучести релаксации, так и вследствие изменений нагрузок во времени. В этой главе дается также одна специальная линейная задача — о рас­ чете выгорающего полого цилиндрического заряда, заключенного в упру­ гую тонкостенную оболочку.

§ 26. Связные задачи термовязко-упругости. Метод последовательных приближений

Здесь мы дадим только постановку квазистатических связных задач и принципиальную схему общего метода решения, отличного от конеч­ но-разностного, который с помощью счетных цифровых машин также позволяет решать некоторые простейшие задачи [42]. Допустим, что не­ стационарное неоднородное поле температуры О = Г — Г0 задано функ­ цией координат х г и истинного времени ^и, а значит и приведенного мест­ ного времени I (§ 5). Уравнения медленного ползущего движения среды

+ 9^г = 0 и законы связи напряжений с деформациями в приведен­ ном времени

— X) йец (т),

о =•§ К г (* — т) Й0Т (т)

О

о

лишь постольку содержат явное выражение Ф (^, х), поскольку массовые силы Р ь и поверхностные силы *5’^0 или перемещения и 10заданы как функ­ ции истинного, а не приведенного времени.

Предполагая пока заданные внешние параметры *, 8 иь) и 6* изве­ стными функциями координат и приведенного времени I, мы с помощью преобразования Лапласа — Карсона получим в изображениях обычную задачу термоупругости: решение дифференциальных уравнений

2 + со* Зсо*