Научная статья на тему 'НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ НА ОСНОВЕ УТОЧНЕННОЙ ТЕОРИИ'

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ НА ОСНОВЕ УТОЧНЕННОЙ ТЕОРИИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
46
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Труды МАИ
ВАК
Область наук
Ключевые слова
СФЕРИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА / ВАРИАНТ УТОЧНЕННОЙ ТЕОРИИ / ВАРИАЦИОННЫЙ ПРИНЦИП ЛАГРАНЖА / НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ "ПОГРАНСЛОЙ" / МЕТОД КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ / МЕТОД МАТРИЧНОЙ ПРОГОНКИ / ПОПЕРЕЧНЫЕ НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ / SPHERICAL SHELL / REFINED THEORY / LAGRANGE VARIATIONAL PRINCIPLE / STRESS-STRAIN STATE OF THE "BOUNDARY LAYER" / FINITE DIFFERENCE METHOD / MATRIX RUN METHOD / TRANSVERSE NORMAL STRESSES

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Фирсанов Валерий Васильевич, Фам Винь Тхиен

Предлагается вариант уточненной теории расчета напряженно-деформированного состояния изотропных сферических оболочек. Математическая модель построена на основе трехмерных уравнений теории упругости. Задача сведения трехмерных уравнений к двумерным осуществляется путем представления искомых перемещений полиномами по нормальной координате на две степени выше по отношению к классической теории. С помощью вариационного принципа Лагранжа получена система дифференциальных уравнений равновесия в перемещениях с переменными коэффициентами. Решение указанной системы проводится методами конечных разностей и матричной прогонки. В результате получены перемещения в узлах сетки, для аппроксимации которых используются сплайны. Деформации оболочки находится с помощью геометрических соотношений, тангенциальные напряжения определяются из соотношений закона Гука и поперечные напряжения получаются непосредственным интегрированием уравнений равновесия трехмерной теории упругости. В качестве примера рассматривается полусферическая оболочка жестко защемленная по нижнему контуру основания. Проведено сравнение результатов расчета, полученных в данной работе и по классической теории.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Фирсанов Валерий Васильевич, Фам Винь Тхиен

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRESS-STRAIN STATE OF THE SPHERICAL SHELL BASED ON THE REFINED THEORY

The classical theory does not produce a satisfactory compliance with practice while calculating the stress-strain state of structural elements in the areas of fixture and action of local and rapidly changing loads, as well as structural elements made of heterogeneous materials. To describe the volumetric stress-strain state, it is necessary to develop a refined, with respect to the classical theory of the Kirchhoff-Love type, theory based on the three-dimensional equations of the elasticity theory. The presented work proposes an option of the refined theory of the stress-strain state calculation of isotropic shells. The mathematical model is built based on the 3D equations of the elasticity theory. The problem of 3D equations reduction to the 2D equations is being solved by representing the desired displacements with polynomials over the normal coordinate of two orders higher relative to the classical theory. The system of differential equations of equilibrium in displacements with variable coefficients was obtained using the Lagrange variational principle. The aforesaid system of equations solution was being performed by methods of finite differences and matrix run. As a result, the displacements in the grid nodes were obtained, and splines were used for their approximation. The shell deformations are being found by dint of geometry relationships, and tangential stresses are determined from the Hook's law relationships. Lateral stresses are obtained by direct integrating of the equilibrium equations of the 3D elasticity theory. A hemispherical shell rigidly clamped along the lower contour of the base is considered as an example. Comparing the obtained results with the data of the classical theory allowed establishing that the refined theory should be used while studying the stress-strain state of the spherical shell near the zones of the stress state distortion. For example, it should be applied in the vicinity of a rigidly clamped edge, since the maximum stresses in this zone are being refined substantially. Neglected in the classical theory, the transverse normal and tangential stresses in the border zone are of the same order as the maximum stress values corresponding to the classical theory. Such high levels of additional stresses should be accounted for while assessing the shell structures strength and durability. With distancing from the edge the stresses, obtained by the refined and classical theories are practically concurring, which confirms the fidelity of the obtained results.

Текст научной работы на тему «НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ НА ОСНОВЕ УТОЧНЕННОЙ ТЕОРИИ»

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

УДК 539.3

Напряженно-деформированное состояние сферической оболочки

на основе уточненной теории

Фирсанов В.В.*, Фам В.Т.**

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия

e-mail: [email protected] e-mail: pvthien88@gmail. com

Статья поступила 21.03.2019

Аннотация

Предлагается вариант уточненной теории расчета напряженно-деформированного состояния изотропных сферических оболочек. Математическая модель построена на основе трехмерных уравнений теории упругости. Задача сведения трехмерных уравнений к двумерным осуществляется путем представления искомых перемещений полиномами по нормальной координате на две степени выше по отношению к классической теории. С помощью вариационного принципа Лагранжа получена система дифференциальных уравнений равновесия в перемещениях с переменными коэффициентами. Решение указанной системы проводится методами конечных разностей и матричной прогонки. В результате получены перемещения в узлах сетки, для аппроксимации которых используются сплайны. Деформации оболочки находится с помощью геометрических соотношений, тангенциальные напряжения определяются из соотношений закона

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

Гука и поперечные напряжения получаются непосредственным интегрированием

уравнений равновесия трехмерной теории упругости.

В качестве примера рассматривается полусферическая оболочка жестко защемленная по нижнему контуру основания. Проведено сравнение результатов расчета, полученных в данной работе и по классической теории.

Ключевые слова: сферическая оболочка; вариант уточненной теории, вариационный принцип Лагранжа, напряженно-деформированное состояние «погранслой», метод конечных разностей; метод матричной прогонки, поперечные нормальные напряжения.

Введение

Сферические оболочки в качестве элементов конструкций часто применяются в объектах машиностроения, в том числе, авиационной и ракетной-космической острасли. С помощью гипотез Кирхгофа - Лява построена классическая теория сферической оболочки, результаты которой приведены в [1-7]. Однако, при расчете напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкций в зонах крепления, действия локальных и быстро изменяющихся нагрузок, а также выполненных из неоднородных материалов, классическая теория не дает удовлетворительного соответствия с практикой. Для описания объемного НДС, в настоящее время применяется ряд подходов при построении уточненных теорий пластин и оболочек.

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

Один из подходов построения математически обоснованной теории состоит в

применении метода прямого асимптотического разложения компонентов НДС в

ряды по малому параметру - относительной толщине трехмерного тела и

последующем интегрировании уравнений трехмерной теории упругости [2]. С

помощью вариационного метода Власова - Канторовича соответствующие

результаты расчетов пластин и оболочек по уточненной теории [12,13] позволили

установить, что вблизи жестко защемленного края поперечные нормальные

напряжения, которыми в классической теории пренебрегают, оказываются одного

порядка с максимальными напряжениями основного внутреннего НДС,

определяемыми по классической теории.

В работе [20] предложена теория пластин и оболочек третьего порядка Reddy

J.N. при исследовании слоистых композитных пластин и оболочек. Перемещения

оболочки аппроксимируются в виде

U = щ + уфа+г20а + уъва, и2 = Vo +уфр+у20р+уъ6р,

U3 = wo-

где фа,ва,Ла,фр,Ор,Лр представляют собой искомые функции. Следовательно, в

соответствии с этой работе поперечные нормальные деформации принимаются равными нулю.

Другой подход к построению уточненной теории предлагается в [8]. При этом искомые перемещения раскладываются в полиномиальные ряды по нормальной координате и формулируются условия согласованности перемещений, которые

связывают между собой количество слагаемых в этих разложениях по

3

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

тангенциальным и поперечному направлениям. На основе энергетически

согласованного подхода в работах [14-17] построена уточненная теория расчета

НДС на случай произвольных ортотропных оболочек, а также подкрепленных

цилиндрических оболочек.

Следует отметить также работы [18,19], в которых рассматриваются другие методы уточненного расчета изотропной пластин и полосы из композиционного материала.

В данной работе в рамках подхода, представленного в [8, 14-17] исследуется НДС сферической оболочки жестко защемпленной по нижнему контуру основания под действием осесиметричной нагрузки. Искомые перемещения разлагаются по нормальной к срединой плоскости пластины координате в полиномы на две степени выше, чем в классической теории типа Кирхгофа-Лява. Применение вариационного принципа Лагранжа к уточненному значению функционала полной энергии оболочки позволяет сформулировать уточненную краевую задачу.

Уравнения теории сферической оболочки

Рассматривается сферическая оболочка постоянной толщины 2h из изотропного материала, отнесенная к ортогональной системе координат в, ф, % (рис. 1).

Рис.1. Сферическая оболочка. Здесь в представляет собой угол между осью оболочки и нормалью к поверхности оболочки, ф - угол, определяющий положение точки на соответствующем параллельном круге, а ось % направлена по внешней нормали к срединной поверхности радиуса К

Принимается, что на лицевых % = ±к и торцевых поверхностях оболочки

заданы следующие граничные условия:

О3(±к) = д;ъ, I = 1,2,3,

(1)

где д±3 обозначают нагрузки, действующие на верхней и нижней поверхностиях оболочки.

Будем предполагать в дальнейшем, что искомые упругие перемещения и, и2

и имеют асимптотические представления вида:

и (9, р, 4) = и- (9, р) + щ (в, р)4 + ^ (9, р) 4 + иъ (в, р) 4, и2 (9, р, 4) = V- (9, р) + у (9, р)4 + (9, р) 4 + Уз (9, р) £,

(2)

из (9, р, 4) = ^ (9, р) + ^ (9, р)4 + w2(вр)4,

где индексы 1, 2, 3 соответствуют осям 9, р, и 4- Для варианта классической теории типа Кирхгофа - Лява в формулах (2) отбрасываются по два последних слагаемых.

Подставляя разложения (2) в геометрические уравнения трехмерной теории упругости, получим выражения для компонентов деформаций оболочки:

е11 = г

ди0 ~дв

+ wn

ди

г—- + ш» дв 0

2г2 ди- + 2г2^ - 2г^ - 2™ +ди2 + w.,

ди ~~дв ~ ди

w1

4 +

V дв

ди

дв

1 дв

4 2!

г

6г3 ди- + 6г3ж - 6г2 ^-¿л» ~ди2 ■ * — -диз

V

дв

дв

ди ди ^ 4^

6г V, + Зг—2 + 3г^0 3

1

дв

дв

3!

^22 г

w0 + и0 ctgв +

1 дУ-

Бтв др

гw0 + гщ ctgв + г

1

Бтв др

- и ctgв

1 а^

Бтв др

4+г

2г2ъ0 + 2г 2и0 ctg в + 2г2

1 ду Бтв др

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

-2 г ^ - 2гщ ctg в — 2г

1

Бтв др

+ ^ + и ctgв +

1 ^

Бтв др

42 2!

+

—I

6г3 ^ - 6г Зи0 ctgв - 6г3

1 ду-

Бтв др

+ 6г2 ^ + 6г 2щ ctgв +

2 1 дУ1 +6г 1

Бтв др

езз = ^ + ^24,

- зг^- зги2 ctg в - зг—

1 дУ

Бтв др

2 + щ ctgв + —

1 ду

Бтв др

4_ з!

е12 = г

дв

1 ди,

\

Бтв дф

г

ду „ 1 ди

+ —1 - у +--1

дв Бтв дф

+ г

У V

с

дв

+ гу0 сХ%в- г—

% + г

ду

2г2 —0 - 2г V + 2г2 дв 0

1 ди0 Бтв дф

1 ди0 Бтв дф

■ +

ду 1 ди ду 1 ди

-2г —1 + 2гу ctg в - 2г--- + —2 - у2 ^ в +--2

дв Бтв дф дв Бтв дф

л%2

+

з ду0 3 3 1 ди

-6г —0 + 6г\ ctgв - 6г -

дв Бтв дф

0 + 6 г2 ^ - 6г 2у ctgв +

дв

+6г

2 1 ди1 о. 1 ди2 , дУ3 1 ди3

Бтв дф дв

- 3г —2 + 3гу в- 3г

бш в дф дв

+ —3 - у +

е13 =-гио + г■

д^о дв

+ и +

г щ - г

2 дж0 дж1 л

дв

щ + г

дв

■ + и

% +

бш в дф

Л%3

3!

+

дж

джх

дж

-2г и0 + 2г —0 + 2г щ - 2г —1 - ги2 + г—2 + и3 )— +

дв

дв

дв

2!

.3 л- 3 дж0 2 ¿2 дм, дж2 .%3

6г и - 6г —0 - 6г и + 6г —1 + 3ги - 3г—2 - и )—

0 дв дв дв 3!

е23 = -гУ0 + г

1 дмо бш в дф

+ у +

2 2 1 д^о

г у - г 0

бш в дф

+

2гЧ + 2г"ж. + 2гV - 2г2 1 дж

о

бш в дф

1

бш в дф

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

гу + г

гу2 + г

1 джх

бш в дф 1 дж

+ у.

%+

бш в дф

%2

2 + у) % + 3 2!

, 3 ^ 3 1 дж 2 ^2 1 дж1 6г у - 6г--0 - 6г у + 6г 1

о

бш в дф

1

3

+ 3гу, - 3г--2 - у) %,

бш в дф бш в дф 3!

где г = — - главная кривизна срединной поверхности оболочки.

К

Выражения для напряжений определяются из физических уравнений. Подставляя эти выражения в уравнения теории произвольных оболочек [14] и используя вариационный принцип Лагранжа, после преобразований получим следующую систему дифференциальных уравнений теории сферических оболочек в

перемещениях:

I

т=0

ки + к^т — + к/и?^-+кг- , 0 1 ев 11 ев2 22

V

2 е™

е2

е

2

+1К1

п=0

3 г

I

т=0

ев е

ев2 22 ер х

п = К/91'39+ - К/91"39", / = 1,2,3,4

2

к+1

к=0

3 е е2 л кг2к—+Щ-^-ер евер

V

к

У

е2

ер евер

+ 1

к=0

е

е2

к/'2* + к/1к— + к/ц^ + к/

е

2 Л

IV -у- у к=0 V

+1^ ^ = к/9239+3 - к/9-3, / = 5,6,7,8

ев 11 ев2

22 ер2

2к +

(3)

п=0

ер

3

е

л

т=0

е;.

2

/

II к" + Щт— и 2 IкСк ^ 2 I

11 0 1 ев/т I1? 2 ер 1

к%п + № — + к

е2

V

0 1 ев 11

ев2

2 к/

е

2

22 2 22 ер 2

к/9+339з+3 - к/9339", / = 9,10,11

Здесь к/ представляют собой переменные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров, упругих постоянных материала оболочки и угла в; а

, 2к, - коэффициенты разложений искомых перемещений в выражениях (2).

п

к

п

п

Расчет сферической оболочки под действием осесимметричной радиальной

нагрузки

Одним из наиболее распространенных случаев в расчетной практике сферических оболочек является осесимметричное радиальное нагружение. В этом случае все компонеты НДС оболочки не зависят от угла р и перемещения в

окружном направлении 2 ., ] = 0,3 обращаются в нуль. Тогда система

дифференциальных уравнений в перемещениях (3) принимает вид:

ъ ( р, Я2 Л

кст + ки—+кс

Е

т=0

10

V

1 дв

дв2

и. + Е кСх" ^ = 0, 1 = 1,2,3,4

п=0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

дв

г

Е Гк/0'т + к^^-Х + Е к.0

т= 0 V дв) п=0 V

= к/33 4з+з - кг133 , 1 = 9,10,11

21 д д кс + кс—+кс-

2

1 дв

11

дв2

w,„

(4)

Граничные условия на жестко защемпленном краю оболочки представляются в форме

ит = 0,(т = 0,3); ж = 0,(п = 0,2) при в = +в0 (5)

Система уравнений (4) решается конечно-разностным методом [9]. Производные 1-ого и 2-ого порядков аппроксимируются центральными разностями второго порядка точности:

с1в 2s ' dв2 я2 '

Из системы (4) с учетом граничных условий (5) получим следующую конечно-разностную систему:

Е

т=0

2

п= 0 V

3 /

Е3

т=0 V

2 Г

п= 0 V

кг™ ксл !

11

2 5

иТ1 +

т

г -2 и л '

2 + к10

и]„ +

т

кс кс л л

25

и

7+1

т

у У

+

к1! 7 -1 к1! 7 +1

1 'Ж + -— Ж

п

2 5

2 5

п

0, 1 = 1,2,3,4

? ? ? ' ?

-кс и

и7-1 + кСит + ки7+1

т 0 т

2 5

'ксхп

2 5

2 5

г

+

(6)

У

Ж-1 +

2кС

2к<11 + кс 2 + к10

V

ж +

к/Ли кг л л

25

ж

7+1

у У

= к11331з+з - к11331з-з, 1 = 9,10,11, т= 1, " -1 и0 = и" = ж0 = ж" = 0, т = 0,3, п = 0,2,

т т п п

где s, (N+1) - соответственно шаг конечно-разностной схемы и число узлов.

3

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

Система (6) представляет собой систему линейных алгебраических уравнений.

Она имеет семидиагональную матрицу и решается методом матричной прогонки

[10,11]. Представим систему (6) следующей системой векторно-матричных

уравнений:

АХ-1 +В1Х1+С1Х1+, = Г, 7 = 1,N -1

7 7-1 7 7 7 7+1 7

X = XN = 0

Здесь 0 - нулевая матрица;

X , Г, 7 = 1, N -1 - векторы искомых перемещений и векторы правых частей

соответственно

х7 = [ и]0, ^, и/, , "2, ^2," ]7,

Г = [0,0,0,0, к9933 93+3 - к99-3 93-3, к1093+3 93+3 - к109-3 93-3, к1 1933 93+3 - к1 1933 93-3

А ., В, С, 7 = 1, N -1 - матрицы коэффициентов размером 7х7, для которых справедливы представления

7

К!"0 К1"0 -К1°

КГ1 К 111

К1"1 -К1°

К1"2 К111

К1"2 -К1°

К1"3 К111

К1"3

£ 2 2£ ' 2£ £2 2£ 2£ £2 2£ , 2£ , £2 2£

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

К 2 0 К 211 К2"0 - -К2°0 К2"1 К2"1 -К2°' К2"! К 2"2 -К 2 °2 К 2 3 К 211 К 2"3

£ 2 2£ ' 2£ £2 2£ 2£ £2 2£ , 2£ , 2 £2 2£

К3 0 К 311 К3и - -кз°° кз"1 кз"1 -кз;1 кз"2 К 3"2 -К 3°2 К3 3 К 311 К 3"3

£ 2 2£ ' 2£ £2 2£ 2£ £2 2£ , 2£ , 2 £2 2£

К 4 0 К 411 К4"0 - -К4°0 К4"1 К4"1 -К4° К4^ К 4"2 -К 4 °2 К 4 3 К 411 К 4"3

£ 2 2£ ' 2£ £2 2£ 2£ £2 2£ , 2£ , 2 £2 2£

-К 9"0 К 9°; К 9°0 -К 9"1 К 901 К9° - -К 9"2 К 9° К 9°2 -К 9"3

2£ ' 2 £ 2£ 2£ £2 2£ 2£ ' £ 2 2£ , 2£

-К10"0 К10° К10°0 - кЮ"1 К1001 К10° - -КЮ" 2 КЮ"2 К10°2 - К10" 3

2£ , 2 £2 2£ 2£ £2 2£ 2£ , 2 £2 2£ , 2£

-КЦ"0 К11000 К11°0 -К11"1 К11°{ К11° - -КИ"2 К11°2 К11°2 - К113

2£ , 2 £2 2£ 2£ ' £2 2£ 2£ ' £ 2 2£ ' 2£

В =

2К1"о -2К1Щ -2К1"2 -2К1Щ

+ №, 0, -2К11 + К1"1, 0, + К1"2, 0, -К1 + К13

2 ' 2 ' 2 ' 2 £ £ £ £

-2К2"0 л -2К2Г; л -2К2"2 л -2К2"

3

+ к 2"0 0 11 + К 2"1 0 11 + К 2й2 0 11 + К 21

2 + К 20 , 0, 2 + К 20 , 0 2 + К 20 , 0, 2 + К 20

£ £ £ £

+ К3"0, 0, -2К311 + К3?, 0, -2К311 + К3"Л 0, -2К31 + К3"3

2 ' 2 ' 2 ' 2

£ £ £ £

—2К 4"0 — 2 К 4"1 -2К4"2 -2К 4"з -^К41 + К400, 0, ^^ + К401, 0, ^К4^ + К402, 0, -2Кр3 + К40з

£ £ £ £

- 2 К 9°0 - 2 К 9° - 2 К 9°

Т^С\и0 11 . К а°0 уГа^ + К 0°1 . к П°2

0 ' 2 0 ' 0 ' 2 0 ' 0 ' 2 0 ' 0

£2 £2 £2

- 2 К10^0 ^ К10001 -2 К10" 2

К10"0, 2К 11 + К10°0, К10"1, 2К 11 + КЮ^, К10"2, 2К 11 + К10°2, К1003

£ £ £

-2 К11"0 -2 К1Г1 -2 К11°2

К11" 0, 2К 11 + К11°0 , К11"1, 2К 11 + К11° , К11" 2, 2К 11 + К11°2,К11и

0 £2 0 0 £2 0 0 £2 0 0

С, :=

к\\\ Kit Kill Ml ML Ml K1H кг,'1

2s 2s

2s 2s

K1w

2s 2s

K2'" K2' K2w" K2' K2'1 K2w K2Ц K2'2 K2;

■ +

2s 2s

+

2s 2s

+ ■

K3'" | K3'" K3w" K3'1 | K3'1 K3w

K 3' 2 K 311

2s 2s

2s

K4'" | K4'" K4w K4'г | K4'1

2s K 4w

+

2s 2s K3' K3w

2s 2s

K 9'" 2s

2s 2s K 9w K 9w"

2s 2s

K 4'2 K 4'

2s

K 9'1

K 9w K 9w

2s

K10'" K1"w K1"w"

2s

2s

K1"'1 K10L + K1"w

2s

2s

K 9'2 K1"' 2

K1'3 K1'3

2s

K 2'3 K 2'3

2s

K 3' K 3'3

2s

K 4w

2s 2s

K 4'3 K 4'3

K9"2 K 9w

2s

2s

K11'" K11w" K11w 2s s2 2s

K11'1 Km K11w1 K11'2 K11w K11w

2s

2s

2s

2s

2s

K1""2 K1"w2 .—^ + ■ 1

K 9'3 2s K1"'3

Km

2s

Векторы искомых перемещений X находятся в виде

X=РМ+Qj. J=1> -1

Здесь

Х0 = = 0,

Р = -( Вт)"1Q, Р, = -(В, + А,РМ)"1С

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

-1,

01 = (BJ10, = (В, + 4Р.-1)-ЧF. - AQ,-1),j = 2,tf -1

-1,

-j v J J J

j J^-J -

Расчеты проведены с помощью программы "Maple 2018". В результате получены перемещения в узлах сетки, для аппроксимации которых используются сплайны. С помощью ранее приведенной схемы из уравнений теории упругости определяются деформации и напряжения оболочки.

Результаты расчетов и их сравнение с классической теорией

На рис. 2 - 7 показаны результаты расчета НДС полусферической оболочки,

жестко закрепленной по нижнему контуру основания и имеющей следующие 12

параметры: радиус Я = 1м, относительная полутолщина к / Я = 1/100, коэффициент Пуассона ¡и = 0.3. Оболочка находится под действием нагрузки, равномернораспределеной на внутренней поверхности. Графики рис. 2-7 иллюстрируют изменения нормальных и касательных напряжений в краевой зоне оболочки.

\< \

ГГ лг.

V Л

\ N

ч г

эю -0. 005 0 0.( 05

1 <711 ~~ " "" о! 1кл

Рис. 2. Изменение < по толщине на Рис. 3. Изменение < по толщине на

22

л п краю в = —

п ж

краю в = —

/ V

/ \

\

/ \

/

/

! >

I

/

/ 1 г

/ 1_>

/

/ е.

/

1 1 П ■

/

1

1

1

1 _

/ 5

/

/

/

010 -0. 005 0 э.о

3

-0.

/ \

/ \

\

\

\

\

\ I

по -0. 005 о 0.< 3 05

1 А .

1 J

1 ср

1

\ го 1 л

\

\

\

\ /

\ / 1 *

\ / — 1"

ЧУ

10

Рис. 4. Изменение <гъъ по толщине на Рис. 5. Изменение < по толщине на

13

краю в =

п ~2

краю в =

п ~2

Рис. 6. Изменение < по углу О Рис. 7. Изменение &22 по углу О

Отметим, что аббревиатура «кл» соответствует результатам расчета по

классической теории.

Анализируя графики на рис. 2 - 5 можно установить следующие:

1. Максимальное нормальное напряжение <, определяемое по уточненной теории, превышает значение этого же напряжения, соответствующего классической теории, на 50%.

2. Максимальное нормальное напряжение &22, соответствующее уточненной теории, превышает напряжение, определяемое по классической теории, на 45 %.

3. Максимальное поперечное нормальное напряжение <гъъ составляет 35% и максимальное касательное напряжение <13 - 22 % от основного изгибного напряжения <.

Из рис 6, 7. следует, что при удалении от края напряжения, полученные по уточненной и классической теориям, практически совпадают, что подтверждает достоверность полученных результатов.

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

Выводы

На основании полученных результатов, можно сделать вывод, что, при исследовании НДС сферической оболочки вблизи зон искажения напряженного состояния, например, вблизи жестко защемленного края, действия локальных и быстро изменяющихся нагрузок, следует использовать уточненную теорию, так как максимальные напряжения в этой зоне существенно уточняются.

Поперечные нормальные и касательные напряжения, которыми в классической теории пренебрегают, в краевой зоне оказываются одного порядка с максимальными значениями напряжений, соответствующих классической теории. Такие высокие уровни дополнительных напряжений необходимо учитывать при оценке прочности и долговечности оболочечных конструкций.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 17-08-00849)

Библиографический список

1. Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И. Линейная теория тонких оболочек. - Л.: Политехника, 1991. - 656 с.

2. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. - М.: Наука, 1976. - 512 с.

3. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. - М.: Наука, 1966. - 636 с.

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

4. Образцов И.Ф., Булычев Л.А., Васильев В.В. и др. Строительная механика

летательных аппаратов: учебник для авиационных специальностей вузов; Под ред. И. Ф. Образцова. - М.: Машиностроение, 1986. - 536 с.

5. Авдонин А.С. Прикладные методы расчета оболочек и тонкостенных конструкций. - М.: Машиностроение, 1969. - 402 с.

6. Бояршинов С.В. Основы строительной механики машин. Учебное пособие для студентов. - М.: Машиностроение, 1973. - 456 с.

7. Горшков А.А., Астахова А.Я., Цыбин Н.Ю. Основы теории упругих тонких оболочек. Учебное пособие. - М.: НИУ МГСУ, 2016. - 231 с.

8. Васильев В.В., Лурье С.А. К проблеме уточнения теории пологих оболочек // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1990. № 6. С. 139 - 146.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М: Наука, 1983. - 616 с.

10. Самарский А.А, Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. - М.: Наука, 1978. - 532 с.

11. Формалев В.Ф, Ревищников Д.Л. Численные методы. - М.: Физматлит, 2004. -400 с.

12. Фирсанов В.В. Об уточнении классической теории прямоугольных пластинок из композиционных материалов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2002. Т. 8. № 1. С. 28 - 64.

13. Фирсанов В.В. Исследование напряженно-деформированного состояния прямоугольных пластинок на основе неклассической теории // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2016. № 6. С. 35 - 43. (V.V. Firsanov. Study of

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

stress-deformed state of rectangular plates based on nonclassical theory // Journal of

machinery, manufacture and reliabitity, 2016, vol. 5, no. 6, pp. 515 - 522)

14. Фирсанов Вал.В., Доан Ч.Н. Энергетически согласованный подход к исследованию упругих оболочек произвольной геометрии // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 1. С. 194 - 207.

15. Фирсанов В.В., Чан Н.Д. Энергетически согласованная теория цилиндрических оболочек // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 6. С. 49 - 54. (V.V. Firsanov and Ch.N.Doan. Energy-cousistent theory of cylindrical shells // Journal of machinery, manufacture and reliabitity, 2011, vol. 40, no. 6, pp. 543 - 548.

16. Фирсанов В.В. Напряженное состояние пограничный слой в цилиндрических оболочках на основе неклассической теории // Проблемы машиностроения и надежности машин // 2018. № 3. С. 44 - 51. (V.V. Firsanov. The stressed state of the "boundary layer" type cylindrical shells investigated according to a nonclassical theory // Journal of machinery, manufacture and reliabitity, 2018, vol. 47, no. 3, pp. 241 - 248)

17. Фирсанов В.В., Во А.Х. Исследование продольно подкрепленных цилиндрических оболочек под действием локальной нагрузки по уточненной теории // Труды МАИ. 2018. № 102. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=98866

18. Зверяев Е.М. Выделение уравнений типа Тимошенко из пространственных уравнений теории упругости для пластины на основе принципа сжатых отображений // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=53459

Труды МАИ. Выпуск № 105_http://trudymai.ru/

19. Зверяев Е.М., Олехова Л.В. Итерационная трактовка полуобратного метода Сен-

Венана при построении уравнений тонкостенных элементов конструкций из композиционного материала // Труды МАИ. 2015. № 79. URL: http: //trudymai .ru/published.php?ID=55762

20. Reddy J.N. Mechanics of laminated composite plates and shells. Theory and analysis (2nd ed.). New York: CRC Press, 2004, 831 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.