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

книги / Решение нелинейных задач теории оболочек на ЭВМ

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
21.38 Mб
Скачать

Первая часть этой функции отвечает решению, полученному

разложением в ряд

по степеням х~п основного решения; за осно­

ву берется решение

для мембраны. Найденное решение может

быть

применено

к

средней части

пластины и

не подходит для.

краев

пластины.

Функция G(x, х)

представляет

собой поправку*

которая учитывает граничные условия (6.140). Эта' поправка важ­ на только для областей, близких к границе, для так называемого пограничного слоя. Ширина пограничного слоя не должна стре­ миться к нулю при х —*■оо. Введем переменную

Р = х (1 — * )=

ту, 0 < р < х .

(6.142)

Тогда выражение (6.141) можно записать в виде

 

С(х, у) = тСо (1 - (3/т) +

Ci (1 -

р/х) +

x->Ç2 (1 - |3/х) + ... +

+ Go(P) + x - ^ i (P) + x“ 2G2(P) -f

(6.143)

Аналогично:

 

 

 

 

/V1 = х2$о(1 — р/х) +

TÊI (1 — р/т)

Ç2(l — Р/х) +

... +

+ хЯ0(Р) +

Я 1(Р) + х -‘Я2(р) +

 

Я2X2TJO (1 —■р/х) + -Х101 (1 — Р/х)

TJ2(1 — Р/х) + . . . +

+ х/о(Р) +

I\ (Р) Ч -х-1/ 2(Р) +

(6.144)

Здесь Hi (Р), //(Р) — функции,

достаточно быстро

затухающие

при удалении от границы, другими словами, когда р становится

сколь угодно большой, эти функции стремятся к нулю.

Переходя

Подставим (6.143)

и (6.144)

в уравнение (6.114).

далее к пределу-

при

х -><»,. найдем уравнения нулевого при­

ближения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2G0

 

 

0;

 

 

 

 

+ 3 ( l - O S o ( l ) ^

 

 

 

 

~df

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.145)

Граничные условия

примут вид:

 

 

 

 

Go (0) = 0;

С?2(0) — h(c) = 0; /о (0) = 0,

G'0(оо)

0;

 

 

 

Я о (оо) = 0.

 

 

(6.146)

Из (6.145) с учетом

(6.146) находим:

 

 

 

 

=

—h(с) ег-Ч;

О, => i f

(e-W -

1 );

 

 

 

 

Яо(Р)=*0;

/о (P) =

0,

 

(6.147)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J - O

- v V f e ) .

 

 

1п

Первое приближение дает также уравнение и граничные условия ♦(при х->- оо):

 

d2H,

, , dQ0

i fdGÀ2

 

 

 

 

+

( ж )

 

“ 0;

d?G

 

 

 

 

= 0;

w +

T

) + 3 ( 1 -

* [ 5° O ж +El о

ж

 

 

 

/ , _

_2 — •

 

(6.149)

 

 

71 —

L ^ ’

 

 

Ci (0) s= 0,

—G,'(0) + 2c5/i(c)=0,

Й(оо),

Я ,(о э)=

0;

/i (0) + [(1 -

v)/i (c) +

2c/; (c)] B = 0.

(6.150)

Проинтегрировав уравнения (6.149) c граничными условиями

(6.150), получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.ft - -

(1 -

tr*V)p

4

eft4(c) Y (C)/i (c) +

4 h(c)] -

 

— [ y eft4 (c) y (c)fl (c) — J

A (c)] Y

 

T h (c) P2e~xp;

#, =

^

e- xP - ^

e

- 2^,

 

T (c) Л2 (c).

 

 

/ , —2 ^ ^ e*”xP__ —-

^ e~2Xp»

 

 

 

11 ■" ^ 1 2 ^

 

 

 

2

X

 

 

 

 

Y (c) =

[(1 +

v)/, (c) 4* 2c/i (^T*-

 

(6.151)

Прогиб и мембранные

усилия:

 

 

 

 

 

 

С(х, t) = т [g (c)xg(ex)] j t ( c ) h 2 (c)№ (cx) — & (c)ï +

 

+ Ш (е-И1-*> — 1) -f O

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7?,= T2 f i / ( « ) +

*/'(«<>] +

 

 

+ ' { - S T WA’W & I И

+

 

 

+

 

+ ;* ! Мс- м

м

_

 

5 ÿ e-a.(i-*>} +

° (^ ) .

 

W2 =

£

f(cx)- * |

T(c)h?(«) +

/■ И

+ ° ( ,0>-

(6.152)

 

Прогиб в центре пластины

 

 

 

 

 

 

C(0) =

xg{c) -\’ ^ f( c ) h i (c)gi (c)-*-

+

° ( v l)*

(6,153)

 

Этот прогиб легко подсчитать: пользуясь зависимостью v

от с,

находим для заданного v величину с, а далее находим

функции

g (с), gi{c), h (с).

соотношение (6.153) относительно

t и

Разрешив

последнее

использовав

обозначение

для

т из (6.104), для случая

v = 0,3

получим

 

 

 

 

 

 

0,611С3(0) +

0,01850С2(0) + 0[С(0)].

(6.154)

Аналогично могут быть по формулам (6.152) и (1.101) подсчита ны тангенциальные и изгибные напряжения:

ô,M (0)= 1,O10C2(O)-O,454Ç(O) + O[Ç(O)1;

о,м

(1) -

0.780С2 (0) -

0,735С (0) +

О[С (0)1;

 

ô,„

(0)=

1,264С2 (0)— 0,606С(0) -h О[С (0)];

 

Ô,H (1) =

3,680С2(0) +

1.987С(0) +

О[С(0>].

(6.155)

Полученные данные хорошо согласуются с экспериментальными

данными Макферсона и других авторов.

Как известно [74], линейная теория для данной задачи дает

Ш = 64£^<'-,- в2)2'

(6-,56)

Переходя здесь к безразмерным координатам, для г = 0 (лг = 0) находим

1 р = С ( 0).

(6.157)

Мембранная теория, как нетрудно проверить, дает выражение

i p = = 0,611Ç3(0).

(6.158)

Глава 7

МЕТОДЫ СВЕДЕНИЯ ДВУМЕРНЫХ ЗАДАЧ

КОДНОМЕРНЫМ

1.ИДЕЯ МЕТОДА ПРЯМЫХ

Метод прямых является одним из методов, которые позволяют привести двумерную задачу теории оболочек к одномерной путем замены производных по одной из координат конечными разностями. Метод применяется, как правило, .для областейпрямоугольной формы.

Идея метода заключается в следующем. Выбираются восемь неизвестных разрешающих функций (в соответствии с порядком основной системы уравнений), относительно которых можно сфор-

мулировать различные граничные условия. Такими переменными в теории пластин и оболочек являются перемещения и, v, ш, угол

поворота Ь\, нормальное Ni, обобщенное перерезывающее Qi, обоб­

щенное сдвигающее Si усилия и изгибающий момент М\. Систему исходных уравнений и соотношений теории оболочек: уравнения равновесия, уравнения совместности деформаций, соотношения упругости — приводят к нормальной по одной из независимых переменных форме. Затем частные производные по другой пере­ менной заменяются с помощью формул численного дифференци­ рования. В Зависимости от способа замены производных получают те или иные системы нелинейных обыкновенных дифференциаль­ ных уравнений метода прямых. Далее эта система решается одним из известных методов (см гл. 3 — 5), чаще всего применяют метод квазилинеаризации. Линеаризованные уравнения на каждом этапе решают методом Дискретной ортогонализации Годунова [16, 30].

Ниже изложим метод прямых для определения напряженнодеформированного состояния оболочек вращения с переменной в двух направлениях жесткостью.

2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ МЕТОДА ПРЯМЫХ ДЛЯ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ

Рассмотрим деформацию тонкой ортотропной оболочки с коор­ динатной поверхностью в виде поверхности вращения с перемен­ ной в двух направлениях жесткостью, предположим; что оболочка находится под действием неравномерных поверхностных и краевых нагрузок и неравномерного температурного. поля..

Уравнение срединной поверхности в декартовой системе коор­ динат, ось oz которой совпадает с осью вращения оболочки, имеет вид

х =

r(s) cos 0, г/ =

г (s)sin0, z = z(s),

(7.1)

где г (s) — радиус

параллельного

круга; z (s) — расстояние

по оси

вращения от начальной плоскости; s — длина дуги меридиана, 8 — центральный угол в параллельном круге.

Приращения дуг координатных линий (меридиана и параллели)

в этом случае

будут:

 

 

 

 

ds = Rid<?’,

dl =

sin çdô = rdb,

(7.2)

где <р— угол

между осью

вращения и нормалью к оболочке; Ri

и #2 — главные радиусы кривизны, причем Ri = Ri (s), R 2 — Rz(s)- ^ Однако длины координатных линий, как известно [58], связаны

соотношениями:

ds = Ada, dl — Bdp.

(7.3)

»

Исходя из (7.2) и (7.3), положим:

a = s; (3 = 6; А 1; B = # 2 sincp = r.

(7.4)

Для вывода основных уравнений метода прямых в качестве исходных примем уравнения (1.83), полученные при х — 0.

Соотношения Кодацци в этом "случае запишутся в виде

4 - = coscp.

(7.5)

С учетом (1.70), (7.4), (7.5) уравнения

равновесия (1.83) при*

мут вид:

 

as

 

 

 

 

drNx

 

 

1

дН

= —rqi;

“5Г

+ '3Ô—

cos 9^2 +

дО

.

1

dr2S

+

ds9 (sin<ptf) +

l0Sf

H + - J Ç = —W

ав

т

ds

 

Ni

N2

i l arQ,

dQ2\ _

 

 

Л, + R2

r \ à s + d0 y Qv

 

 

drM.

 

ян

 

_*

 

 

ds

 

---- cos <pM2 — rQi = 0;

 

 

 

 

 

 

dM

JL. 1

dr*H

—1

 

ae

' r ds

Q; = Q , _

rQl = 0;

+ (т|г + - ^ ) я ] |«

<3, = Q i — (jVa +

» i — ( s + ( - i - + - ^ -jw ]9 r ,

(7-в)

Соотношения для деформаций (1.65) запишутся следующим об­ разом:

 

диг

.

duz

1

п2.

е, = cos(p-^---- sm cp-^-4-т

 

»ь

62 =

( *

+

* ) +

*

*

 

Ш= г

л

1 f

диг

 

(7.7)

8г= — H sintp-«-

Y '

где «2, ит— осевое и радиальное смещения.

 

Последние связаны с перемещениями и, v зависимостями

 

 

ur =

cos<pu -f- sin<po>;

 

 

Uz — —sin (pH +

COSсрW.

(7 .8)

Иногда составляющие вектора перемещений иг, иг более пред* почтительны.

Соотношения упругости ортотропных оболочек, согласно (1.145) и (1.150), имеют вид:

N\ = С\\ (б) +

V2Ê2) N \ T \

N2 =

(?22 (®2 + v I 6 l) —

N 2Т\

 

 

 

S = С66<|>;

 

VlX|) — М 2Т]

М \ —D П (*1 +

V2*2) — М\т\

М 2=

D22 («2 +

где

 

 

Н = 2£>ббх,

 

 

(7.9)

 

ft/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NI T =

jl

5ц (ajr + V2a2r) Tdf]

 

 

 

 

—h/2.

 

 

 

 

 

 

h/2

 

 

 

 

 

M \T =

J

B\ \ (air +

 

 

 

 

 

-h/2

 

 

 

 

 

 

 

0 ,

2);

 

 

(7.10)

Su = —

 

> B22 =

 

= G;

 

CU=

Bah,

Djj =

 

(/ = 1, 2,

6,);

(7.И)

ai г, агт — коэффициенты линейного теплового расширения в нап­ равлении координатных'линий; Т — температура оболочки.

В качестве основных разрешающих функций выбираем функ­

ции: иг, v,

иг,

d],

N 1,

Si,

QI, MI, где

 

 

 

 

 

 

Si = S - f

 

 

 

 

 

 

R 2‘,

 

й

-

в

н -

^

- д а

+ г ^ - с о . ^ , ] .

(7.,2)

Именно через эти функции могут быть сформулированы раз­ личные граничные условия на крае s = const.

Из. уравнений равновесия получаем следующие уравнения:

WV1

COS<p . . .

дт ч I aS, .

2sm <р

дН

 

 

+

г2

00 ~

+ W (N‘ + "Sr) + Р1+ (яг ~ ^ ) Я ] 4 —

dSl

1 dNz

^2 , sin«p ЭЯ

,

2cosy ц

2cos<p ?,

ds “ —

“S ---- -R7 + -T "

+

'R,

— S' - K

* -* « * )+ * + £ -‘ +*[(*'+тЬ+

ds

 

+ s * + ( - в ;— Й » * • ] + ^ К * 1 + " т ) * 1 + S A

+

 

 

 

 

 

 

 

2 dH

 

dM1 = - ^ ( М , - М 2) - т ж + < ? .-

 

ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- [ ( W' + T r ) 8 i + S '82+

 

 

 

 

<s - <ь -

(-v *+ ж

) 92 '

s ,e ' “ (*г • - * ) т

 

 

 

1

дМг

1 dr2H

 

(7.13)

 

 

«* = 7 " Г

+ ?2

 

ds

 

 

 

 

Соотношения

упругости

(7.9)

разрешим относительно е„ »,

*1, N2, М2, Н. Получим:

 

 

 

 

 

 

 

6i =

 

 

 

 

'•

“ = c«i(Si— 2 R2);

 

 

(Ni -b N IT)-" V262»

 

 

 

 

« .“ BTTW +

A J i r ) - ^ ;

 

N> = E M

+

' N , - ( N n - n N u ) \

М г = Щ . XJ +

 

n M, - (MÎT -

ъМхт);

 

 

 

H = 2Dt t ( .!, +

^

) '

 

<7I4>

где

 

 

i

a»,

 

i

5

 

 

 

 

 

 

 

(7.15)

 

 

X2I = 7

 

+ 7Г

dO'

 

Из второго

соотношения

(7.14) с учетом (7.7) имеем

 

 

 

" 12= c b '(S l“

2 ^ )

— 0,“2'

 

С помощью

 

шестого равенства (7.14) из последнего находим:

(>+- щ ) н “ 2£>и(«2i-

^ 8,92+ w

 

, _*1\

1 о JL » 2 1 — »1»2-

<7-'в)

('1 + l H r i2 = c n s ' - W

21

 

Оставаясь в рамках тонких оболочек, пренебрегаем величиной

по сравнению с единицей. Получим:

ш,2 =

Si

 

h2

 

 

 

 

 

или, G учетом (7.15):

 

 

 

 

( 1 5ul

,

_L £Ü

Я = 2Я66\ r

as

^

r2

ao

S,

h2

(-L ÏL +

0012 = ~п-----

1

'66

со

Vг ao

^

 

MC

 

 

 

(7.17)

Si

«2 j

^2^*66

1 ди г \

1O2;

r2 50 У

du .

du ,

дг !— T (sincP“ôTÎI

(7.18)

+ costP' ÔO -Sincpü')•

Из уравнений (7.13) и (7.14) исключим функции Q2, Л4г, N 2, величины 62, «г, О2 заменим их -значениями через перемещения, а функции Н и 0)12— их выражениями (7.18).

Окончательно находим:

%

=C0S,f[c7;(w' +

л,'1 - ) - - г ( з г +

 

 

^ ( sinT

^

+

 

 

 

du,

 

\ 2 1

 

 

 

.

 

 

 

 

 

4- cos ---- sintpüj J sin cp&! —•2 cos <pdf;

 

 

 

¥

:---- sin 'f [c ^ (JV| +

Wlr) ~ "Г (ж

+

 

~

-p : (sin f -Ж- +

 

 

 

du

 

\ 2 1

 

 

 

.

 

 

 

 

 

+

C0s 'p‘ ô6---- s in t P°J J

c.oscpdi +

ysincp&i;

 

 

 

dv

I

c°s ?

! ..

dur

f l

d»i

-

1

диг

 

 

 

w

<66

r

г

SR,

[ r

ao

"i" rz ao .

1

5и„

 

 

, |

J .

 

du

 

du ,

 

 

\

 

 

 

 

 

+ T

lsin * "âT + cos ? ~âô—

 

sin ?®)î

 

 

 

Ô»!

Dil (M\ +

M IT) +

-Д- ^siri cp

 

-f cos tp

d \ ,

 

 

э*Л

HT

 

 

 

 

aa2

sin{P - â ô j-

 

 

 

 

 

------ cos

 

 

 

 

 

 

 

(7.19)

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

dNx

(1

v2) cosy jy

1 âSj

^1 1

 

C0S(P17 U (

dv

.

\ .

ds

Ri + ~ ^ ~ E2hydiï + Ur]~^

+

T

- x ( !to *

T + C0Sf^ - S i H

+

+

ж

( г ж

+ - 7 % )]'+ *7 iN ' +

T?r)

^1

S, Д / . du,

rK{ \R {

K2 / \ r

^ j (

sm ? T r +

диг

диг

duz

 

\

2D66

 

 

Ж

+ COS <P “ô T -

Sin cpoj -

R 2 f2 ^

 

—sincpo^ — (N2T

£

- -

Т

ы

[

Щ+ “ ') +% « * ' - C.V.r-i*W,r» +

 

Eoh

l

диг

диг

J \2]

2cos ? j,

+

- 5 r ( sin<Pâ5- +

COSÏe Ô ~ 5m‘p0) J

T

S ' ~

 

_1_

A Г

£ 9й 3 (

д \

д \ .

ô ü \ .

 

I

 

/■ £0

 

 

 

+ '“ " « ‘ “ “ “ ' И Г

 

E h 3 cos ?ih + V2M 1 (Mvr — V2-^Wir)1I 92

1

[EJi/dv

.

\ ,

E2h ! . ди

 

диг

. \ 2

Щ i“

Ы

+

7 +

^Ь (&Ш^ ao- +

cos ŸЖ ~

sin **7 +

"

/,r

I /

дм,

4

 

+ УйЛ^! — (#2T — V2#

IT )] (sin <p ■

я2

5zu, r E2hz ( . d\ , ^ 4 ^ ( s m , - 2 + c o sc p ^

 

диг

.

i

+coscp ^

—sm ?^

 

 

 

")*

.

\

E2h?

 

sm<?vJ +

-jfyrCOS<i>'

rR?

i ^

2

 

 

 

 

 

 

 

i l

 

 

dur

. диг

.

\

 

 

 

 

 

 

1

+ V2M i — (M 2T

vaAlir)1/(siny вг +

С05’’ж

- * **> ]+ *

 

 

 

 

 

 

 

ft2

A

,

 

 

 

 

 

 

 

•w ;Sl +

 

 

2Dftfi

/

5Mu,

 

ÔM,du,

sin ©Ü]];

 

 

+ T*2 0,

(sin9-55

+ COS?ж

 

 

 

6PA. I c

m -- -

L r>r»0«>-- 2

 

 

 

5$i

ЛГ,

 

 

(1—v2)cos?

Af,\

 

 

 

 

 

 

i (

Mi

 

 

 

%

 

 

 

 

\ N' + - i

 

 

J79

_ i 2 |ï - S I (sin t Щ + cos <P — sin T») —

.

U -

-

щ ! (sin f + cos <p)

+

T 1

S -

(sin <p ^

+

co s< p '^ -

Sin ï» )] (sin Г i r +

cos » Ж

+ ^ (sin ï То +

cos<p' ^

~

Sin *")] (Sin т Ж

+

cos т Ж

+ №

*.

/~

*

\

%

E*u !

да_

 

p_

_

$

+

) +

; (•*»

+

c°s ^

-

•N2 L -

J ' Sl +

-sin f v) + ~ sin *”) +

. \ 2

+

smTt,j

sm , 0)

+

+

V2W ,-(JV ST-V2WI,) ] +

 

JVI9I | ( ^ ) - ^ | ( ^ - ^

) 9

IS . +

+

V2N 1---{NîT"

■---•-/j

 

 

■ •

osy']/

6K2 \*4

 

 

 

 

+ 9,

 

^

*

— H

r

+

 

^

 

®

+

“') +

 

 

 

-

 

7

Т Г + т * * * ©

 

 

 

 

+

- ¥ - ^ ( s i n

^ + c o s

 

-s in < p o ) +

 

 

 

 

^

(sin » ^

 

+

COS

1 t^

-

sin va)

 

 

 

 

4--

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Щ * ê [ ° “ в| (sin • p w + c o s r w

~

sin <pt')]-

 

 

- ^

; ( sin'p^ r + c o s,’^

_ sin ? ,’) - , , '} +

[^ri

x

 

 

 

 

d2u

 

 

 

 

 

 

 

 

d

V

 

 

M V I /

(Af-i 4- M IT) 4* •^•(sin T'-- g

r

+

 

co s ? - 3 g

sincpuj

 

 

 

r

M - <

 

 

E2hz ( .

 

d

 

\

 

d

\

sin

 

 

i 2,

\ sm 9 ~ W + C0S(?W

 

+ * F

 

 

 

l ^

 

 

 

 

E2hz

 

 

 

 

"'

 

$S,i /

 

 

да.,

 

cos

диг

 

+ T 2 TCOSÏ»!5çdi — {MÎT — v2M 1Tr))

— r

 

 

 

^ ■90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

”\S111sin? 00- +

COS(pao*

 

 

 

 

 

1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ж

 

 

du.

 

Ml

I (

 

 

 

-

 

 

?ar +

д Г^2£ 2 ^ fdv

 

4 - cosf^PôT-2—- s msin ÿO4v)]}\) -+ - 2{2cosf5 j +

 

ge[T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ц т Ч з в

 

 

 

 

 

 

£•„/1

/ .

 

du,

 

 

 

5U2

 

 

 

 

 

 

 

 

ZT2/i

 

 

 

 

 

 

 

4- V2NI — (Л^2т<W<>T — voWi rl -J—

 

 

Isin ф

 

4“ cos cp -яг -

 

 

 

 

 

 

V2^

I r) 4- - p (sin ? w

 

+ cos ? Ж

 

 

 

+ ± 1

/7

1*3

 

52а3/ .

 

^ /?2д0

 

uZ1

 

l£r~ \

P

z ~~L

* Г Т

^ Г 1*

да2Ч,\.

<7UI P +

**

д \

s i n ^t/i

COS? 1P

 

0" *

 

4 * - f ô r cosip «fy-f. V2A1J{M ÎT V2M 1T sin «p<!

Соседние файлы в папке книги