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

книги2 / 337

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
25.02.2024
Размер:
3.47 Mб
Скачать

Физико-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

Соседние файлы в папке книги2