Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

АНАЛИЗ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ УПРУГИХ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ

Терентьев А.В. 1
1 СПбГМТУ «Санкт-Петербургский Государственный морской технический университет»
Выведено вариационное уравнение, эквивалентное преобразованной системе уравнений осесимметричного деформирования оболочки вращения. В системе уравнений исключены осевое усилие и осевое перемещение и, которая за счет этого имеет четвертый порядок, в то время как исходная полная система уравнений имеет шестой порядок. Это позволило снизить количество кинематических переменных с трех до двух, что в конечном итоге дает возможность существенно уменьшить временные затраты компьютерных вычислений. Полученная матрица хорошо обусловлена, и все ее компоненты конечны. Реализована возможность перехода к теории Лява непрерывным образом. Введены перемещения, осевые и меридиональные усилия, внешние распределенные нагрузки, для того чтобы снизить размерность уравнений. В качестве неизвестных используются растягивающие усилия, изгибающие моменты и деформации растяжения и изгиба.
упругая оболочка
численные методы
вариационное уравнение
кинематические переменные
1. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. – 428c.
2. Гольденвейзер А. Л. Теория упругих тонких оболочек. - М.: Наука, 1979. - 512с.
3.Гуляев В.И., Баженов В.А., Лизунов П.П. Неклассическая теория оболочек и ее приложение к решению инженерных задач. - Львов: Вища школа, 1978. - 192 с.
4. Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И. Линейная теория тонких оболочек Ленинград: Политехника, 1991. – 656 с.
5. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. – 392 с.

Постановка задачи. Среди задач об осесимметричном деформировании упругих оболочек вращения аналитическое решение допускают лишь простейшие – обычно относящиеся к оболочкам правильной формы [4]. Зачастую необходимо применение численных методов: конечно-разностных (и связанных с ними) или вариационных (методы Ритца, Бубнова-Галеркина, конечных элементов (МКЭ), вариационно-разностные). Наиболее распространенными являются вариационные методы, основанные на вариационном принципе Лагранже, в первую очередь – МКЭ [1]. Обычно они связаны с определением трех кинематических переменных: продольного и поперечного перемещений , и угла поворота . Возможно осуществить некоторое преобразование уравнений, при котором вместо , определяются радиальное и осевое перемещения , . Это дает ряд преимуществ, в том числе: более простое описание геометрии, менее строгие требования к гладкости дуги меридиана, аддитивность переменных в нелинейной задаче и др. Порядок системы, однако, при этом не изменяется. В то же время в статически-определимых задачах, когда несамоуравновешенная нагрузка априорно известна, удается выразить осевой усилие через известные величины, получить системы 4-го порядка относительно , и отдельно формулу для (подобный прием используется при выводе уравнений Мейснера [4]).Полученная система, как и исходная система уравнений, обладает всеми необходимыми свойствами, чтобы сформулировать эквивалентный ей вариационный принцип. Любой вариационный метод, основанный на нем, приводит к разрешающей алгебраической системе меньшей размерности, что позволяет существенно уменьшить вычислительные затраты. Такой подход применим фактически к любому корректному варианту теории оболочек: классическому (типа Лява [4]), с учетом сдвига (типа Тимошенко) [2], [3] поперечного обжатия и перекрестных слагаемых в соотношениях упругости, для оболочек сложной внутренней структуры [5], анизотропных и т.д. Конкретная реализация ниже осуществлена на примере простейших уравнений типа Тимошенко.

Вывод вариационного уравнения

Запишем в наиболее общем матричном виде уравнения осесимметричного деформирования оболочки вращения, согласующиеся с любым вариантом теории:

(1)

Здесь – радиус и меридиональная координата; – векторы обобщенных усилий, перемещений и деформаций; – векторы распределенных нагрузок и навязанных деформаций (вызванных, например, начальными напряжениями); – матрица жесткости; – матрица присоединенной жесткости (при наличии упругого подвеса); – некоторые геометрические матрицы. Символ означает транспонирование. Будем считать, что на краях заданы нулевые кинематические граничные условия или для некоторых компонент в общем случае – ненулевые граничные условия:

(2)

Системе (1) совместно с граничными условиями (2) соответствует вариационный принцип Лагранжа, который формулируется следующим образом. Среди всех векторов , удовлетворяющих кинематическим граничным условиям, решением задачи является тот, который доставляет функционалу минимальное значение:

(3)

где

(4)

– (5)

удельная внутренняя энергия, удельная работа распределенной нагрузки, работа краевых сил. Слагаемое в формуле для является постоянным и может быть исключено из рассмотрения. Выражение под знаком интеграла в (3) может быть переписано в виде:

где

(6)

Конкретизируем вид матриц для простейших уравнений типа Тимошенко. Предварительно введем обозначения для недостающих геометрических, а также физических характеристик: – осевая координата; – угол между ортами и ; – радиусы меридиональной и широтной кривизн; – толщина; – модуль Юнга; – коэффициент Пуассона. Будем считать, что заданы продольная, поперечная и моментная распределенные нагрузки , полная осевая сила на краю и, возможно, другие краевые усилия. Неизвестными являются меридиональные и окружные растягивающие усилия и изгибающие моменты , соответствующие им деформации растяжения и изгиба , перерезывающее усилие , сдвиг , перемещения , поворот . Они подчиняются известным уравнениям [2], для которых матрицы и векторы, входящие в (1), равны

(7)

(8)

Традиционное вариационное уравнение вытекает из (3), где использованы формулы (5), (6) и, согласно (7), вычислено

(9)

Для построения уравнений пониженной размерности введем осевые и меридиональные усилия, перемещения и внешние распределенные нагрузки:

(10)

Это позволяет записать два уравнения равновесия:

а из третьего уравнения

и условия вычислить осевое усилие

(11)

в простейшем случае, при

Далее, свяжем новые перемещения с компонентами деформаций:

Наконец, соотношения упругости перепишем в виде

Подставив в уравнения равновесия и в выражения для производных от перемещений все выписанные формулы, получим систему уравнений относительно двух усилий и двух перемещений:

(12)

и отдельно формулу для перемещения (для определенности будем считать, что ), выраженного через них

(13)

где обозначено

(14)

Система (12) записывается в виде (1) при

(15)

Следовательно, ей соответствует вариационный принцип (3), в котором использованы формулы (5), (6), и, согласно (15), вычислено

(16)

Обсуждение результатов и выводы

Таким образом, задача об осесимметричном деформировании оболочки вращения свелась к модифицированному вариационному уравнению, имеющему ту же структуру, что и традиционное, но пониженную размерность. Отметим условный характер присущих ему понятий: внутренняя энергия, упругий подвес и т.д. – которые в данном случае являются характеристиками уравнений, но не исходной конструкции как таковой. Подчеркнем, что например, при использовании традиционного метода конечных элементов с переменными исключение узловых значений не позволяет прийти к модифицированным конечно-элементным уравнениям. Наконец, укажем ряд дополнительных преимуществ полученного модифицированного уравнения, кроме тех, которые связаны с выбором переменных в неподвижных осях (они указаны в начале статьи) и пониженной размерности. К ним относится значительно лучшая обусловленность матриц и возможность непрерывного перехода к теории типа Лява, связанная с тем фактом, что все компоненты матриц остаются конечными при (кроме тех точек, где ).

Рецензенты:

Картузов Е.И., д.т.н., профессор кафедры теоретической механики Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета, г. Санкт-Петербург;

Сорокин С.В., д.т.н., профессор кафедры сопротивления материалов Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета, г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Терентьев А.В. АНАЛИЗ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ УПРУГИХ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20760 (дата обращения: 19.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074