книги2 / 337
.pdfФизико-математические науки
СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАДАЧА МОРАВЕЦ ДЛЯ ОБОБЩЕННОГО УРАВНЕНИЯ ТРИКОМИ
Акимов Андрей Анатольевич
кандидат физико-математических наук доцент кафедры математического анализа
Агафонова Алена Александровна
институт педагогики и психологии
Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета
Аннотация. Рассмотрена задача Моравец, ко- |
Рассмотрим уравнение |
|
торая является математической моделью сверх- |
|
|
звуковых течений. Найдены собственные значения |
(1) |
|
и построена соответствующая система собствен- |
|
|
ных функций спектральной задачи для обобщенно- |
где |
в области D, ограниченной |
го оператора Трикоми с однородными смешанными |
|
|
граничными условиями. |
кривой |
лежащей |
Ключевые слова: задача Моравец, уравнение |
|
|
Трикоми, уравнения смешанного типа, спектраль- |
вполуплоскостиy>0сконцамивточкахK(-1,0)иB |
|
ная задача, собственные функции. |
(1, 0) отрезком AK оси OX где A = (0, 0), и характери- |
|
|
||
|
стиками g1 и g2 |
уравнения (1) при y < 0: |
Для уравнения (1) в области D изучим спек- |
(6) |
|
тральную задачу (задача Mλ), соответствующую |
||
задаче типа Моравец. |
|
|
ЗадачаMλ.Найтизначенияλисоответствующие |
где |
|
им функции u (x, y), удовлетворяющие условиям: |
Частные решения задачи Mλ построим методом |
|
|
||
(2) |
разделения переменных соответственно в обла- |
|
(3) |
стяхэллиптичностиигиперболичности.Вобласти |
|
D перейдем к новым переменным |
||
(4) |
Тогда уравнение (1) примет вид
(5)
Разделяя |
здесь |
переменные |
(8) |
|
u(r,j ) = R(r) (j ), |
получим |
два обыкновен- |
||
|
ных дифференциальных уравнения
|
(9) |
|
(7) |
ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023 |
(10) |
41 |
||
|
|
|
|
|
|
Физико-математические науки
Построим общее решение краевой задачи (9) и (10). Для этого в (9) введем новую переменную t = cos2(j /2). Тогда уравнение примет вид
(11)
Уравнение (11) является известным гипергеометрическим уравнением, поэтому его общее решение определяется по формуле [1]
|
1 |
|
j |
|
|
|
2j |
1 |
b |
1 |
|
1 |
|
3 |
|
2j |
|
|
||
|
|
|
+ |
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
(j ) = C1+ F b + g,b g, |
|
+ b;cos2 |
|
|
+ C2 |
cos |
|
|
|
|
F 2 |
+ g, |
|
g, |
|
b;cos |
|
|
, |
(12) |
2 |
|
2 |
|
2 |
2 |
2 |
||||||||||||||
2 |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где C1+ ,C2+ − произвольные постоянные. Подставляя (12) во второе краевое условие (10), получим C1+ = 0. . Известно, что решением уравнения (7) является функция Бесселя
R(r) = r b Jg ( |
|
r), g = |
m2 + b 2 |
. |
|
l |
(13) |
Удовлетворяя (13) граничным условиям (8), имеем
(14)
Таким образом, частные решения уравнения (1) области D удовлетворяющие краевым условиям (4) и (6), имеют вид
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
2 b |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
j |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
u = C + r b J |
g |
()l r 2 |
|
|
|
F |
+ g, |
|
|
g, |
|
b; |
cos |
2 |
|
|
|
. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
cos |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
В уравнении (1) в области D- сделаем замену переменных |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x + x2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
m+2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( y) 2 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
m+2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
= x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m + 2 |
|
|
||||||||||||||||||||
s |
|
( y) 2 , 0 < s < 1, |
q = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, q > 1. |
|||||||||||||||
m + 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
2 x2 |
|
|
2 |
|
( y) |
m+2 |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m + 2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Тогда в координатах (s ,q) уравнение (1) примет вид |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Разделяя в последнем уравнении переменные u(s ,q) = Q(q)P(s ), |
|
получим |
Решением уравнения (16), удовлетворяющим условиям (17), является функция
Уравнение (18) является гипергеометрическим уравнением с аргументом q > 1. Переходя к аргументу построим его общее решение
(b +g) |
|
1 |
|
|
1 |
|
(b g) |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
Q(q) = C q |
F b + g, |
|
+ g,1 |
+ 2g; |
|
+ C |
2 |
q |
F b g, |
|
g,1 |
2g; |
|
. |
|
|
|
|
|||||||||||
1 |
|
2 |
|
|
q |
|
|
|
2 |
|
|
q |
||
|
|
|
|
|
|
|
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
При C2 = 0 функция Q(q) удовлетворяетграничнымусловиям(19).Тогдарешениеуравнения(18),
42 ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023
удовлетворяющее условиям (19) имеет вид
Физико-математические науки
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||
Q(q) = C F b + g, |
|
|
+ g,1 + 2g; |
|
|
,C = C . |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
q |
|
1 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Таким образом, частные решения уравнения (1) в области D , удовлетворяющие раничному усло- |
|||||||||||||||
вию (5), определяются равенством |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
b |
|
|
|
b |
|
g |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
u = C s Jg ( l s )q ( |
|
+ |
|
)F b + g, |
2 |
+ g,1 |
+ 2g; |
|
. |
(20) |
|||||
|
|
q |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Длянахождениясобственныхзначенийисобственныхфункцийспектральной Ml |
,построеннуюси- |
стему функций (15) и (20), удовлетворим условиям склеивания (2). Для этого вычислим:
Приравниваяфункции
Получим систему для нахождения C+, C-, γ.
После преобразований данная система сводится к уравнению
Отсюда найдем g , затем постоянные C+ ,C и
g = gn = 1 |
b |
+ n,n = 1,2,..., |
C + = C |
(1 b + g)(1 + 2g) |
. |
||
|
|||||||
4 |
2 |
|
|
|
|
(3/2 b ) (1/2+ g |
|
Собственные значения спектральной задачи Ml |
являются корнями уравнения (14). Тогда, обозна- |
||||||
чая через a mgn − m-ый корень уравнения (14), находим собственные значения задачи Ml : |
|||||||
|
|
|
g |
2 |
|
|
|
|
|
n |
,m = 1,2.... |
||||
|
|
l n,m = a m |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023 43
Физико-математические науки
Тогда справедлива следующая
Теорема 1. Собственные значения задачи (2)-(6) находятся как корни уравнения (14), а соответствующая система собственных функций определяется по формулам
Аналогично работе [2] можно доказать следующее утверждение.
Теорема 2.Система собственных функций (*) задачи Ml полна в пространствах L2(D+ ) и L2(D ), но не полна L2(D). ■
Список литературы
1.Акимов А.А. О единственности решения задачи типа Неймана для уравнения Чаплыгина // Вестник Московского областного государственного университета. 2013. № 4. С. 38.
2.Вильдяева А.А., Акимов А.А. Построение дифференциального уравнения с заданной симметрией // Сборник научных трудов Sworld. 2014. Т.29. №4. С.57-59.
3.Казакова Е.А., Акимов А.А. Построение общего решения обыкновенного дифференциального уравнения ме - тодами группового анализа // Сборник научных трудов Sworld. 2014. Т.29. №4. С.55-57.
4.Акимов А. А. Задача Моравец для обобщенного уравнения Трикоми // Сибирские электронные математиче - ские известия. 2006. Т. 3. С. 71.
5.Акимов А. А. Об одной теореме единственности решения задачи Моравец // Альманах современной науки и образования. 2010. № 12. С. 67-69.
6.Сабитов К.Б., Карамова А.А. Решение одной газодинамической задачи для уравнения смешанного типа с не- гладкой линией вырождения // Дифференциальныеуравнения. 2002. Т. 37. № 1. С. 111.
44 ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023
Физико-математические науки
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БИМОМЕНТНОЙ ТЕОРИИ ИЗГИБОВ И КОЛЕБАНИЙ ТОЛСТОЙ ПЛАСТИНЫ
Усаров Махаматали Корабоевич
доктор физико-математических наук, профессор Институт механики и сейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева АН РУз,
Ташкент, Узбекистан.
Аннотация. |
Статья |
посвящена |
Приведенныйобзоризвестныхработпоказыва- |
|
совершенствованию бимоментной теории изгиба и |
ет, что теории и методы расчета развиты в недо- |
|||
колебаний толстых ортотропных пластинв рам - |
статочно полной мере. Вместе с тем, недостаточно |
|||
ках трехмерной динамической теории упругости. |
полно проанализированы процессы, происходя- |
|||
Представлены уравнения движения пластины и |
щие в толстых пластинах, изготовленных из мате- |
|||
граничные условия для определения обобщенных |
риалов, обладающих анизотропными свойствами. |
|||
перемещений ортотропных пластин относительно |
Наряду с этим, в недостаточной степени разрабо- |
|||
сил, моментов, бимоментов. Построены уравнения |
таны и развиты аналитические и численные мето- |
|||
движениядляопределенияперемещенийлицевыхпо- |
ды решений статических и динамических задач с |
|||
верхностейпластины.Рассмотреныпримерырасче- |
учетом нелинейных законов распределения пере- |
|||
та изгиба и колебаний изотропных и ортотропных |
мещений и напряжений, которые являются при- |
|||
пластин. Полученные численные результаты пока- |
чиной появления не только сил и моментов, но и |
|||
зали эффект учета бимоментов при оценке напря- |
бимоментов в поперечных сечениях пластины. В |
|||
женно-деформированного состояния толстых пла- |
теориипластиниоболочекдонастоящеговремени |
|||
стин. |
|
|
непостроеныточныевыражениядляопределения |
|
Ключевые слова: Толстая ортотропная пла- |
сил и моментов и в недостаточной мере приложе- |
|||
стина, закон Гука, трехмерная теория упругости, |
ныееновыедостиженияврасчетахнасейсмостой- |
|||
уравнения движения, граничные условия, бимомент- |
кость зданий и сооружений. |
|
||
ная теория, бесконечный ряд, внешняя нагрузка. |
Данная статья посвящена разработке теории и |
|||
Введение. Разработка методики расчета на |
методов расчета толстых элементов конструкций |
|||
на основе бимоментной теории пластин. При по- |
||||
прочность пластин занимает особое место в об- |
строении теории учитываются все силовые фак- |
|||
ласти исследования элементов конструкции и |
торы пластины, включая бимоменты, а также все |
|||
инженерных сооружений. С обзором работ по ме- |
компоненты тензоров напряжения и деформации |
|||
тодике построения уточненной теории пластин и |
σij, εij, (i, j = 1,3). Компоненты вектора перемеще- |
|||
оболочек можно ознакомиться в монографии С.А. |
ния представляются в виде функции трех про- |
|||
Амбарцумяна [1]. При построении общей теории |
странственных координат и времени u1(x1,x2 |
,z,t), |
||
пластин в рамках трехмерной теории упругости |
u2(x1,x2,z,t), u3(x1,x2,z,t). Отметим, что бимоментная |
|||
исследователи используют различные методы [2- |
теория пластин, разработанная в [7-9], описывает- |
|||
6], например, метод гипотез, метод разложения |
ся двумя несвязанными системами дифференци- |
|||
перемещений в ряд или метод асимптотического |
альных уравнений движения, которые описывают |
|||
решения и т.д. |
|
|
симметричную и асимметричную задачи, каждая |
|
В общем пространственном случае деформи- |
из которых формулируется на основе девяти дву- |
|||
рования толстой пластины по её толщине необхо- |
мерныхуравненийссоответствующимикраевыми |
|||
димо учитывать все компоненты тензора напря- |
условиями. Определяющие соотношения и уравне- |
|||
жения и деформации σij |
, εij, (i, j = 1,3). В отличие от |
ния равновесия бимоментной теории пластин раз- |
||
классического подхода, для описания поля про- |
работанысиспользованиемзаконаГука(1)иурав- |
|||
странственного деформирования пластины учет |
нения теория упругости (2) и приведены в работах |
|||
растягивающих и перерезывающих сил, изгибаю- |
[7-9]. |
|
||
щих и крутящих моментов недостаточен, допол- |
В данной статье приводится методика совер- |
|||
нительно необходимо учитывать и бимоменты. В |
шенствования разработанной бимоментной те- |
|||
данной статье кратко приведены определяющие |
ории толстых пластин, которая осуществляется |
|||
соотношения, уравнения движения, граничные ус- |
построением новых уравнений движения относи- |
|||
ловия бимоментной теории пластин, разработан- |
тельно шести перемещений двух лицевых поверх- |
|||
ной в [7-9]. |
|
|
ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023 |
45 |
|
|
ностей пластины и соответствующих граничных |
Физико-математические науки
условий. Отметим, что эти новые уравнения со- ставляют совместные замкнутые системы с су- ществующими уравнениями относительно бимо-
менттов, построенными в работах [7-9]. Постановка задачи. Рассматривается орто-
тропная толстая пластина постоянной толщины H =2h и с размерами a, b в плане. Вводятся обозна-
чения: E1, E2, E3 – модули упругости; G12, G13, G23- мо- дули сдвига; v12, v13, v23- коэффициенты Пуассона и
r – плотность материала пластины.
Для описания движения пластины вводится декартовая система координат с переменными x1, x2 и z. Ось oz направлена вниз. Начало координат расположено в срединной поверхности пластины. По двум лицевым поверхностям пластины z = -h и z = +h приложены распределенные поверхностные, нормальные и касательные нагрузки. Нормальные нагрузкиq3(+),q3(-) приложены в направлении осиoz. Касательные нагрузки qk(+), qk(-), (k = 1,2) – в направ-
лении ox1, ox2.
Компоненты вектора перемещения определя- ютсяввидефункцийтрехпространственныхкоор-
динат и времени u1(x1,x2,z,t), u2(x1,x2,z,t), u3(x1,x2,z,t).
Компоненты тензора деформации определяют- ся следующими соотношениями Коши. Пластина рассматривается как трехмерное тело, материал которой подчиняется обобщенному закону Гука
σ11 |
= E11ε11 |
+ E12ε12 |
+ E13ε13, |
|
σ22 |
= E21ε11 |
+ E22ε32 |
+ E23ε33, σ33= E31ε11+ E32ε22 |
+ E33ε33, |
σ12 |
= 2G12ε12, σ13 = 2G13ε13, σ23 = 2G23ε23, |
(1) |
||
где E11, E12, ... E33–упругиеконстанты,определяе- |
||||
мые через коэффициенты Пуассона и модули упру- |
||||
гости [5,6]. |
|
|
|
|
Пластинарассматриваетсякактрехмерноетело |
и в качестве уравнения движения пластины при- мем трехмерные уравнения теории упругости [1]:
|
s k1 |
|
s k |
|
s k3 |
&& |
|
(k = 1,3) |
(2) |
|
x1 |
+ x2 |
|
z |
|
||||
|
+ |
= r uk |
, |
|
|||||
Граничные условия на нижней и верхней по- |
|||||||||
верхностях |
|
|
|
|
следующий вид: |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3) |
Вводятся грузовые члены для уравнения дви-
жения симметричной задачи , кото- рые определяются по формулам:
(4)
Аналогично, вводятся грузовые члены для
Перемещения точек на лицевых поверхностях пластины z = -h иz = +h обозначим через ui(-), ui(+), (i = 1,3)анапряженияналицевыхповерхностяхz = -h и
z= +h через σ11(-), σ12(-), σ22(-) и σ11(+), σ12(+), σ22(+).
Симметричная задача бимоментной теории
пластин состоит из двух уравнений относительно продольных, тангенциальных усилий и четырех дополнительно построенных уравнений бимомен- тов относительно девяти неизвестных кинемати- ческих функций, определяемых выражениями:
(6)
Здесь необходимо отметить, что построено шесть уравнений, в которых содержатся девять неизвестных функций, не хватает ещё трех урав- нений.
Теперь рассмотрим асимметричную задачу би- моментной теории. Асимметричная задача бимо- ментной теории пластин также состоит из шести уравнений относительно изгибающих, крутящих моментов, перерезывающих сил и бимоментов от- носительно девяти неизвестных кинематических функций, определяемых соотношениями:
(7)
Построенные уравнения асимметричной зада- чисоставляютсовместнуюсистемуизшестиурав- ненийотносительнодевятинеизвестныхфункций
~ |
~ |
|
, |
~ |
, |
~ |
, |
~ |
, |
~ |
, |
~ |
~ |
, |
~ |
||
y |
1 |
, y |
2 |
u |
u |
2 |
b |
b |
r, |
g |
W . |
||||||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
Как в симметричной, так и в асимметричной задачах не хватает по три уравнения. Для постро- ения этих шести не хватающих уравнений исполь- зованытрехмерныеуравнениятеорииупругостии методразложениякомпонентыперемещениявряд Маклорена.
Запишем уравнения теории упругости на лице- вых поверхностях толстой пластины. Уравнения движения теории упругости на лицевой поверхно- сти пластин z = +h запишутся в виде
(8)
уравнения асимметричной задачи |
q~ |
,(k = 1,2), |
q~ |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
определяются в виде: |
|
|
|
k |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
~ |
qk+ + qk |
, (k = 1,2), |
~ |
= |
q3+ q3 |
|
(5) |
Уравнения теории упругости на лицевой по- |
||||||||||||
qk = |
2 |
q3 |
2 |
|
|
|
|
верхности z = -h имеют следующий вид: |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
46 ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023
Физико-математические науки
(9) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(16) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сложив почленно уравнения (8) и (9), получим |
||||||
Сложив соответственно первые и вторые урав- |
уравнения движения в виде: |
|||||||||||||||
нения систем (8) и (9), получим следующие два |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(17) |
||||
(10) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следует отметить, что уравнения движения |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(10), (12) и (15), (17) служат для определения пере- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мещений |
лицевых |
поверхностей пластины |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
, |
u |
2 |
, W |
и u~ |
, u~ , W . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
2 |
|
|
где бимоменты |
|
|
определяются по |
|
В уравнениях |
и (17) интенсивности бимо- |
||||||||||
формулам |
|
|
|
|
ментов |
|
|
определяются через полу- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разности и полусуммы производных по координа- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
те |
z от касательных и нормального напряжений |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, имеющих следующий вид:
s~3*k
H
|
1 |
|
s |
|
|
|
|
k3 |
|
|
|||
= |
|
|
|
|
|
|
2 |
z |
|
|
|||
|
|
z |
|
h |
||
|
|
|
|
=+ |
||
|
|
|
|
|
|
s k3z
|
|
|
= G3k |
z= h
|
~ |
|
|
|
~ |
|
|
Rk |
|
a |
|
||||
|
+ |
|
|
|
(k = 1,3 |
||
|
|
|
|||||
|
|
2 |
|
xk |
|
|
|
H |
|
|
|
|
(11) |
(18) |
|
|
|
|
Вычитая третье уравнение системы (9) из урав- |
|
|
|
|
|
нения (8), получим уравнение: |
|
|
|
|
q1 |
|
q2 |
|
s |
3* |
&& |
|
x |
+ |
x |
2 |
+ |
H = r W . |
||
1 |
|
|
|
|
|
(12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
В уравнениях (10) и (12) интенсивности бимо-
ментов определяются через полу- разности и полусуммы производных по координа- теzоткасательныхинормальногонапряженийσ13, σ23 и σ33 имеющих следующий вид:
|
* |
|
1 |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
3k |
= |
|
|
k3 |
|
|
|
|
|
|
k3 |
|
|
|
= |
G |
|
|
|
|
|
k |
+ |
|
|
k |
1,3 , |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
H |
|
2 |
|
z |
z |
=+ |
h |
|
|
|
z |
|
z |
= |
h |
|
|
H |
|
|
xk |
|
|
|
|
|
|
|
(13) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
* |
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
s |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
1 |
|
|
a |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
3 |
= |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= E |
|
+ E |
|
|
|
|
+ E |
2 |
. |
(14) |
||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
x |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
H |
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
3 |
2 |
|
|
31 |
|
|
|
|
32 |
x |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
z |
=+ |
|
|
|
|
|
z |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(19) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы |
|
|
|
определить |
|
|
неизвестные |
функции |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Rk , a 1, |
a 1, R, a |
выражений (13), (14) и неизвест - |
|||||||||||||||||||||||||||
ные функций |
|
|
~ |
|
|
~ |
~ |
|
~ |
~ |
~ |
|
|
выражений |
||||||||||||||||
|
R1, |
R2, |
a 1, |
a 1, |
R, |
a |
|
|||||||||||||||||||||||
(18),(19),функцииперемещенияразлагаютсявряд |
||||||||||||||||||||||||||||||
Маклорена: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
(k) |
|
(k) |
|
z |
|
(k) |
z |
2 |
(k) z |
3 |
(k) z i |
||||||||||||||||
uk |
= B0 |
+ B1 |
|
|
|
|
|
+ B2 |
|
|
|
+ B3 |
|
|
+ ...+ Bi |
|
|
|
+ ..., (k = 1,2) |
|||||||||||
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
h |
|
|
|
h |
||||||||||||
|
|
|
(20) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
z |
2 |
z |
3 |
|
z |
i |
|
||||||||||||
u3 |
= A0 |
+ A1 |
|
|
|
|
+ A2 |
|
|
|
|
+ A3 |
|
|
|
+ ...+ Ai |
|
|
|
|
+ ... |
|||||||||
h |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
h |
|
|
|
h |
|
(21) |
|
|
Здесь B (k), - неизвестные функции двух про- |
|||||||||||||||||
Вычитая два первых уравнения (9) из двух |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
странственных координат Bi(k) = Bi(k) (x1, x2, t), (i = |
|||||||||||||||||||
уравнений системы (8), получим следующие два |
1,2,3,...) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уравнения: |
|
Используя соотношения (1) - (4), (6) и ряды |
|||||||||||||||||
|
|
Маклорена (20), (21), получим выражения неиз- |
|||||||||||||||||
|
|
вестных функций |
|
|
|
|
|
|
выражений (13), |
||||||||||
|
(15) |
Rk , a 1, a 1, R, a |
|||||||||||||||||
|
(14), которые определяют бимоменты |
|
|
|
|
|
|
|
в |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||
здесь бимоменты |
определяются |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
по формулам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023 47
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Физико-математические науки |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, были построены две независи- |
||||||
Где |
|
|
|
|
|
|
мые системы по три уравнения движения толстой |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
пластины, в каждой из которых содержится по три |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
неизвестных функции перемещений лицевых по- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
верхностей пластины |
u |
1, |
u |
2, W и u~1, u~2, W . |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приведемформулыдляопределенияперемеще- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ний и напряжений на лицевых поверхностях пла- |
(23) |
стины z = h и z = +h: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
i u~i , |
|
|
i + u~i , (i |
|
|
~ |
|
|
|
||
|
|
|
ui( ) = |
u |
ui(+) = |
u |
= 1,2), |
u3( |
) = W W , |
u3(+) |
||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
s ij( ) = s |
ij s~ij , |
s ij(+) = s |
ij +s~ij , |
(i = |
1,2; j = 1,2). |
|
~
= W + W .
(24)
Аналогично,используясоотношения(1)-(3),(6) и ряды Маклорена (20), (21), получим выражения
неизвестных функций ~ ~ ~ ~ ~ ~ выра-
R1, R2, a 1, a 1, R, a
жений (18), (19), которые определяют бимоменты
(28)
Граничные условия бимоментной теории пластин. Граничные условия бимоментной тео- рии пластин описываются относительно обобщен- ных функций перемещений и силовых факторов, т.е. относительно напряжений лицевых поверхно- стей (11), ( 16) и сил, моментов, бимоментов [5, 6].
Если на границе пластины перемещения равны нулю, то граничные условия для уравнений на
краю x1 = const имеют вид:
~ |
|
= 0, |
~ |
= 0, |
~ |
= 0, |
~ |
= 0, |
~ |
0, |
~ |
|
~ |
= 0, |
~ |
= 0, |
~ |
|||||||||
y 1 |
|
y 2 |
b1 |
b2 |
r = |
g = 0, |
u1 |
u2 |
W = 0, |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0, |
|
|
2 = 0, b1 = 0, b2 = 0, r = 0, g |
= 0, |
u1 = 0, |
u |
2 = 0, W = 0. |
||||||||||||||||
y 1 |
y |
в виде
Где
(26)
(27)
|
(29) |
(25) |
Если край пластины оперт, то на краю x1 = const |
имеем граничные условия, которые имеют вид: |
(30)
Если край пластины оперт и имеется диафраг- ма, которая стесняет перемещение по касательно-
му направлению к контуру, то на краю x1 = const условия имеют вид:
(31)
Для свободного края пластины x1 = const гра- ничные условия будут представлены в виде:
|
|
Здесь необходимо отметить, что приближен- |
(32) |
|
|
|
||||||||
|
|
Пример. Приведем результаты динамического |
||||||||||||
ныевыражения(23),(24),(26),(27)имеютвысокую |
||||||||||||||
расчета толстой пластины, находящейся под дей- |
||||||||||||||
точность и построены с шестым порядком точно- |
||||||||||||||
ствием распределенной по синусоидальному зако- |
||||||||||||||
сти |
|
|
относительно малого параметра пластины |
ну динамической нагрузки в виде |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
. Здесь a - малый размер в плане пластины. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Отметим, что были построены выражения |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
бимоментов для симметричной и асимметричной |
|
|
|
|
||||||||||
где q0 – параметр внешней нагрузки. |
||||||||||||||
задач(22)и(25),которыеявляютсячленамисисте- |
||||||||||||||
мы уравнений (10), (12) и (15), (17), соответствен- |
Обобщенные перемещения пластины симме- |
|||||||||||||
но, для определения шести неизвестных функций |
тричной и асимметричной задач, удовлетворяю- |
|||||||||||||
|
|
|
~ |
щие граничным условиям (31), представим в виде: |
||||||||||
|
u |
1, |
u |
1, |
W |
и u~1, u~1, W . |
|
|
|
|
||||
48 |
|
|
|
|
ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Физико-математические науки
y 1 = f1(x1,x2)j 1 |
(t), |
|
|
|
|
= f2(x1,x2)j |
2(t), |
|
|
r |
|
|
= f3(x1,x2)j |
3(t), |
|||||||
y 2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
b1 = f1(x1,x2)j 4 |
(t), |
b2 |
= f2(x1,x2)j 5(t), |
|
|
|
|
= f3(x1,x2)j 6(t), |
|||||||||||||
|
g |
|
|||||||||||||||||||
|
|
(t), |
|
|
|
|
|
(t), |
|
|
|
|
|
(t). |
|||||||
u |
= f (x ,x )j |
|
u |
|
= f (x1,x )j |
|
W |
= f (x ,x )j |
|
|
(34)
Координатныефункциидляшарнирноопертых пластин имеют вид
f1(x1,x2)= cos(pax1)sin(pbx2 ); f2(x1,x2)= sin(pax1)cos(pbx2 ); f3(x xb2 ); f3(x1,x2)= sin(pax1)sin(pbx2 )
После разделения переменных в виде (33) и (34) получим две системы обыкновенных диффе- ренциальных уравнений движения пластины от-
носительно функций |
времени j 1(t), j 2(t),...,j 9(t) |
и j~1(t), j~2(t),...., j~9(t) |
для первой и второй задач, |
соответственно, которые решены по явной схеме методом конечных разностей при нулевых началь- ных условиях.
Расчеты проведены для квадратной ортотроп- ной пластины СВАМ 15:1 со следующими характе-
ристиками:E1 = 4.6∙E0,E2 = 1.6∙E0,E3 = 1.12∙E0,модули
сдвигов:G12 = 0.56∙E0,G13 = 0.33∙E0,G23 = 0.43∙E0,гдеE0
= 104МПа и коэффициенты Пуассона: v21 = 0.27, v31 = 0.3, v23 = 0.07.
Приведем результаты расчетов для квадратной ортотропной пластины с размерами a = b = 3H; 4H; 5H.
Введены безразмерные нормальные обобщен- ное перемещение ~r и нормальные перемещения u3(-) и u3(+) на лицевых поверхностях пластины z = -h и z = +h по формулам
Максимальные значения нормальных напря- жений на лицевых поверхностях пластины z = -h и z = +h достигаются в точке ортотропной пластины x1 = a /2, y1 = b/2, а максимальные значения каса-
тельных напряжений σ12(-), σ12(+), - в точке пластины x1 = 0, y1 = b/2.
В табл. 1 и 2 приведены численные результаты расчета безразмерных кинематических функций и напряжений для ортотропной пластины, полу- ченныепобимоментнойтеории(см.табл.1)ипоте- ории Тимошенко (см. табл.2). Установлено, что по теории Тимошенко числовые значения напряже- ний получаются значительно меньшими по срав- нению с бимоментной теорией пластин.
На основе анализа численных результатов сде- ланвыводотом,чтопотеорииТимошенкозначения перемещений и напряжений пластины получают- ся значительно меньше. Максимальные значения нормальных напряжений ортотропной пластины, полученные по бимоментной теории, до 40% боль- ше, чем полученные по теории Тимошенко.
Таблица 1
Максимальные значения нормальных перемещений и напряжений в пластине
H /a |
~ |
( ) |
(+) |
( |
) |
( |
) |
( ) |
(+) |
r |
u3 |
u3 |
s 1 |
|
s 1+ |
|
s 2 |
s 2 |
|
1/3 |
5.112 |
5.411 |
5.016 |
–7.073 |
6.579 |
–4.179 |
3.814 |
||
1/4 |
12.169 |
12.388 |
11.979 |
–11.113 |
10.872 |
–6.063 |
5.825 |
||
1/5 |
24.121 |
24.652 |
24.120 |
–16.968 |
16.742 |
–8.501 |
8.490 |
Таблица 2
Максимальные значения нормальных перемещений и напряжений в пластине
|
H /a |
~ |
( ) |
|
(+) |
( ) |
(+) |
|
|
r |
s 1 |
|
s 1 |
s 2 |
s 2 |
|
|
|
1/3 |
4.828 |
–5.134 |
|
5.134 |
–3.291 |
3.291 |
|
|
1/4 |
11.602 |
–9.541 |
|
9.541 |
–5.235 |
5.235 |
|
|
1/5 |
24.074 |
–15.336 |
|
15.336 |
–7.702 |
7.702 |
|
Выводы. На основе бимоментной теории пла- |
Отметим, что преимущество бимоментной те- |
|||||||
стин проведен динамический расчет ортотропной |
ории среди существующих теорий заключается |
|||||||
пластины при действии поперечного динамиче- |
в высокой точности и в хорошей применимости |
|||||||
скоговоздействия.Полученычисленныерезульта- |
при решениях различных практических задач для |
|||||||
ты перемещений и напряжений для опертых пла- |
оценки напряжений и перемещений толстых пла- |
|||||||
стин. На основе анализа численных результатов |
стин и пластинчатых сооружений при динамиче- |
|||||||
сделан вывод о том, что максимальные значения |
скихвоздействиях. |
|
|
|||||
нормальных напряжений ортотропной пластины, |
|
|
|
|
полученные по бимоментной теории, значительно |
ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023 |
49 |
|
больше, чем полученные по теории Тимошенко. |
|||
|
|
||
|
|
|
Физико-математические науки
Список использованных источников
1.С.А. Амбарцумян. Теория анизотропных пластин. –М. Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987. 360 с.
2.В.И. Горбачев. Об одном подходе к построению теории пластин. М. Изд. МГУ, Упругость и неупругость, 2006. С. 301-310.
3.А.Б. Ахмедов. Действие сосредоточенных сил на упругую плиту // Узбекский журнал Проблемы механики. Ташкент. №4. 2006. С.5-9.
4.Си-Хунг Чанг, Цзянн-Куо Тарн. Трехмерные решения упругости прямоугольных ортотропных пластин. Журнал эластичности. 2012. Том. 108. №1. С. 49-66.
5.М.К. Усаров. Задача изгиба для толстой ортотропной пластины в трехмерной постановке. Санкт-Петербург// Инженерно-строительный журнал. №4. (22). 2011. С.40-47.
6.Усаров М.К. Изгиб ортотропных пластин с учетом бимоментов. Санкт-Петербург // Инженерно-строительный журнал. №1. (53). 2015. С.80-90.
7.Мakhamatali K. Usarov «Dynamic Design of Thick Orthotropic Cantilever Plates with Consideration of Bimoments», World Journal of Mechanics, 2016, 6. Р. 341-356.
8.Usarov, D., Turajonov, K., Khamidov, S. Simulation of free vibrations of a thick plate without simplifying hypotheses. Journal of Physics: Conference Series. 2019. 1425. Pp. 012115. DOI:10.1088/1742-6596/1425/1/012115. https://iopscience. iop.org/article/10.1088/1742-6596/1425/1/012115.
9. Mirsaidov, M., Usarov, M. Bimoment theory construction to assess the stress state of thick orthotropic plates. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2020, 614(1), 012090, https://doi.org/10.1088/17551315/614/1/012090.
50 ВЫСШАЯ ШКОЛА • №23 / 2023