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

1222

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
12.36 Mб
Скачать

£ ,;м (£ (Р}) + Z<p = 0 ,

(3.27)

s ';4 k = s H

( iP] + X<’ >)|*=0,

(3.28)

Здесь левая часть уравнения

(3.27) образуется по формуле

(3.25),

где вместо деформаций следует подставить

 

 

 

(3.29)

а правые части уравнений (3.27) и (3.28) определяются из пре­ дыдущих приближений.

Итак, задача Б для упругого композита (3.2), (3.3) свелась к двум рекуррентным последовательностям задач. Первая из них (задачи ДБ (р), р = 0, 1 , 2 ) сводится к соответствующим краевым задачам по теории эффективного модуля с начальными данными,

полученными в предыдущих приближениях.

 

задач (задачи

Вторая

рекуррентная

последовательность

Ж б (<7)> Я=2 , — 1,

0, 1 ,

...)

заключается в

решении неоднород­

ной задачи Б в ячейке периодичности (3.18)

для

определения ло­

кальных

функций

координат

из условий

(3.15) — (3.17),

(3.19) — (3.21).

Сформулируем теперь задачу теории упругости в напряжениях

для неоднородного тела

(композита)

в

классической

постановке

(задача В). Будем считать, что объемные силы X обладают, по­

тенциалом

 

 

 

 

Х = —

gradO ( X i =

Ф(1).

(3.30)

Тогда уравнения равновесия удовлетворяются тождественно, если

ввести симметричный тензор функций

напряжений ф по

правилу

G ii eik leimnVbn.lm +

Ф & ih

(3.31)

Тогда уравнения совместности (1.2.2) после подстановки в них соотношений (3.1) и (3.31) приобретут вид

(3.32)

(3.33)

 

(3.34)

где

 

S i = S°i — ф л , |i.

(3.35)

111

Тогда решение задачи В теории упругости неоднородных

сред

в напряжениях заключается в решении системы уравнений

(3.32)

при выполнении граничных условий (3.34).

Если бы в уравнениях (3.32) тензор податливостей был по­

стоянным Hpqij, то мы имели бы

 

 

Brsknlmu№kti'lmut = 'Чгз'

(3.36)

где

 

 

Brsknlmut== ^rpu^slq^ikl^imn^pqii-

(3.37)

Применяя описанную выше технику осреднения, будем искать

решение задачи (3.32), (3.34) в виде

 

Ф! / = £

а "* ,/,

(3.38)

п=0

 

T i? - «$ ■ /'* ...»„

(|) 'И -.,, ...,„ (*).

(3.39)

Локальные функции п-го уровня Mf/ry'? ,...? (!)

являются пе­

риодическими функциями, причем

 

 

м ®Т = Y (6,,-6/г + Si/'б/с),

(3.40)

т. е. это единичный тензор четвертого ранга, а все М<п) с верхни­ ми индексами п< 0 равны нулю.

Из соотношений (3.38),

(3.31) и (3.1)

следует, что

 

 

 

• « /= £ ;

of, /=

£

a"xW,

(3.41)

 

 

п=0

 

n=0

 

где

 

 

 

 

 

 

 

Yi? =

Л/Л/ (£) 7 ® /'fll...?/I+a (£) фй'Г, ...вл+а (*),

 

 

тЬ->= ^>t'/4i...<7n+2 (E)

 

.gn+2 М»

(3.42)

 

Tk^..qл+4 =

eftW/i+3

 

. -<7л+2 +

 

+ ( екРЯп + 4

elm r + ekp m eiqn + ir)

.<7n+3|m +

^ps^/m i-M p ^,.!.«„+4|ms*

(3 -4 3 )

Подставив соотношения (3.38) в (3.32), получим

 

 

оо

 

 

 

 

 

 

5]

а"^7^А«...<7л+4 (6) ^'У'.?1...<7л+4 М = Л»/»

(3.44)

 

п= —3

 

 

 

 

 

 

^ i q [ )..qn = ^ ikPe jrl l(J klk’

 

. .qn+J\pr +

 

+

(Л/Л'/'Тл'Г17)1...? я+з ^ я+4)|р + ( /Ш

'/'

^ П,Г а....<7л+3^ л+4)|г +

 

+ ^ m w '^ V fll...,n+2 6,^ +36pW ].

(3.45)

Все величины, снабженные верхним индексом (/г), являются тен^ зорами ранга 4 + /г, причем индекс п= 0 можно опускать. Соотно-- ния (3.44) можно переписать следующим образом:

 

£ a " [ / " + '') d " + S|) =

Ti.

(3.46>

 

п=—3

~

 

Приравниваем

U<n> тензорам-константам

Н<п), которые

по анало-.

гии с (3.36) примем такими:

 

 

Т7(п+4)

_

 

(3.47)-

n 4i'i'(h.-.qn+i = eikqn.

 

здесь Н(л> —

тензоры-константы (тензоры эффективных

податли­

востей п-го уровня)

 

 

 

U(n)= H (n)> „ ^ 4

 

(3.48)

 

U(n) = 0. л < 4.

 

(3.49)

Потребуем теперь выполнения следующих равенств для усреднен^ ных величин:

 

 

Тг(п+2)

( (<?i4l+3 e«n+4'

 

 

 

>

2,

(3.50),

 

 

 

1

0 , n < 2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(П':,...,„+1> = о ,

л >

2 .

 

 

 

(3.51),

Из

(3.43)

вытекает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( T\jklqiq

 

(т (л,) = о ,

« < 2 .

 

(3.52)

Из формул (3.38) и (3.44) следует, что средние значения

напря­

жений и деформаций имеют вид

 

 

 

 

 

 

 

 

<£) = *<0)

«<*(/> =

т$’

u

 

t

q

f i

(3 -53)

(е> - £

<х"Н(п) а- (a)

(<e(/) =

£

 

 

(««> * ...,„).

(3.54)

 

п=0

 

 

п=0

 

 

 

 

 

 

На

соотношение

(3.54)

можно

смотреть

как

на

связь

между на­

пряжениями и деформациями в моментной теории упругости одно­ родных сред. Задача теории упругости в напряжениях для сред­ них величин сводится к решению уравнений

a nH\j'itlq\...qn+itykl,qt...qn+ i— ^ ij

(3.55)

п=0

 

 

при выполнении граничных условий

 

еШ Ътп£

А /m ni Is = Si,

(3.56)

л=0

где правые части равенств задаются соотношениями (3.33) и (3.35).

Таким образом, исходная задача В неоднородной упругости (3.32), (3.34) сведена к задаче (3.55), (3.56) моментной теории однородной упругости.

Для определения величин Н<п) необходимо рассмотреть рекур­ рентную последовательность задач Ж в(л), п = 0 , 1 , 2 , ..., каждая из которых заключается в решении неоднородной задачи теории упругости для элементарной ячейки и состоит в определении ло­ кальных функций М(Ч Как следует из (3.45) и (3.48), (3.49),

eikp e!rl еk'p's^l'mr' {Jklk'l' Mpy'qt'.tqn+^ms)|pr =

 

=

.).<7л+4

[eikp eJrl(ek'P'qn+t el'mr' +

 

 

 

+

Gk'p'm€ l’qn+ir(Jklk'r M p’t'q^...

q^\m)\pr +

 

+

( €lkQn+ ieiPl +

e ibpe ton+Al) Gk'P's e l'mr' (Jklk'l' M p 't,]qt...qn+S\ms)\p +

 

 

+ eikpGirlek'p'qn+3 elqn+ir' ( ^ т ,/'Л1р'1г',71...<7л+2)|рг +

 

 

+

(eikp^iqn+il +

e ikqn+^ jpl) (ek'p'qn+3 e Vmr'

+

 

 

+

ek'p'mGl'qn+3r') {Jklk’l' Mpv'<7l...<7n+2im)|p +

 

 

eiketn+3eiqn+il ek'PSel'mr' Jklk’l' Afp'r'<7i...<7rt+2lms +

 

+

(e ikqn+ie Jpi +

eLkpejqn+il ) ek’p’qn+tei'qn+3r' (Jklk’ V

г '? ,.. .qn+1)\P +

 

 

+ eikpejrl(ek’p’qn+26l’mr’ + ^'p'/n^'^^r') Jklk’l' Мр'г'Ц,..qn+1\m+

 

+

eikpejrl6k’p’qn+iei'qn+2r’ Jklk'l' Mp'r'q\...</J,

(3.57)

ИЛИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ink (J Inkr M(n+2)) = Q(n),

n > — 1,

 

(3.58)

где Q<n) представляет собой заданный тензор, определяемый пра­ вой частью равенства (3.57).

Далее определяем

величины Н<п> или Н<п>. Из (3.50),

(3.47) и

(3.43) следует, что

 

 

Grk'qn+1 ePqn+2 l'H klrPq1...qn — err’u€pvp' {Jklrp (Mr'p'fe'/'?,.. .qn+2\uv +

Mr'p'fe)'/'a1...pn+1\u6t,<7n+2 + Mrpk'l'q1...qn+1\vbUqn+2-}-

 

+

M r)p'k’l'q1...qn6u<7n+1 ^<7„+2) ) ‘

(3.59)

Решение задачи (3.55), (3.56) может быть получено методом

малого параметра. Ищем ее решение в виде

 

ф

= £ с Л {*>.

(3.60)

~

к= 0

 

Подставив это выражение в соотношения (3.55), (3.56) и прирав­ няв величины при одинаковых степенях а, получим рекуррентную, последовательность задач теории упругости для анизотропной

однородной среды (задач Дв (/), / = 0, 1 , 2 , ...)

 

 

77(4)

 

 

y(i)

и \

(3.61).

 

n 4i,rqlqiqa.

 

\

 

 

 

 

 

= S !'> ,

 

(3.62).

•Л«/. 1 = 0 .

 

 

 

(3.63)

 

2U

111

1

--^+4 Ki'i'.q\...

1'

 

U’

 

k=l

 

 

 

 

 

 

( S „ 1 =

0 ,

 

 

 

 

(3.64)

sil) = .

 

 

 

 

 

 

1

k=l

 

 

 

 

 

 

Итак, мы свели

решение

неоднородной

задачи

(3.32), (3.34У

к последовательности задач теории упругости анизотропных одно­

родных сред (3.61), (3.62) с тензором

податливостей нулевого

уровня Н(°>:

 

 

 

 

 

Hi/i'i'qiQiMt = eibqteiqtlek'i’q2Gl'qJ' Hklk’l'•

 

(3.65).

Для его

определения

из задачи (3.57)

получаем три уравнения,

первое из которых имеет вид

 

 

 

 

Gikp6}rl€k'p's€l'mr'

j'ql\mi)\pr — О*

 

(3.66),

Очевидно, что тривиальное решение для

М(1> удовлетворяет усло­

виям задачи. Для М<2>имеем

 

 

 

 

Gikp GjrlGk'p'sGl'mr' (Jklk’Г^p'r'i'j'qiq2\ms)\pr

 

 

 

=

^ikpGjrl€k'i'ql^l’q2j,Jklk’l’\pr'

 

(3.67)

Наконец, из (3.59) получим

 

 

 

Grk’qt^pq2l' Hklrp (^rk'ql^pq2rJklrp H- Grr’uGpvp’ Jklrp M.r’p'k'l’qxq2\uv)• (3.68)

У тензоров упругих податливостей нулевого уровня

Н<°) в

(3.65)

и (3.68)

мы не зря

опустили верхний

индекс (0).

Этот

тензор

в действительности является эффективным тензором упругих по­ датливостей.

В самом деле, если мы попытаемся найти эти податливости методом, изложенным в § 1 гл. 3, то нам понадобится решить уравнения ( 3 . 3 2 ) без объемных сил (т. е. T ] r s = 0 ) при специаль­

ном выборе граничных условий:

 

<*,;"/Ь = о?/»/.

(3.69)

 

где а0 — тензор-константа. Задаче (3.32), (3.69) соответствует

.задача для однородного тела, решение которой имеет вид

 

 

* = 2 ° (*// = <$,)

(3-70)

Поэтому из формулы

(3.54)

вытекает, что

 

<е)

=

Н

( ( е / / ) = Я , /и 4 ) .

(3.71)

откуда и вытекает сформулированное выше утверждение.

сводит­

Итак, задача В для

упругого композита (3.32), (3.34)

ся к решению двух рекуррентных последовательностей задач. Пер­

вая из

них (задачи Дв(&), £ = 0,

1 , 2 , ...) заключается в много­

кратном

решении краевой задачи

(3.61), (3.62) по теории эффек­

тивного модуля с входными данными, определяющимися из пре­ дыдущих приближений. Результатом решения каждой задачи Дв(&) служит тензор функций напряжений х(Л), из которых фор­

мируется тензор функций напряжений ф (3.60) для усредненных напряжений т°, а из них и сам тензор о (3.41). Правда для этого

нужно еще решить вторую рекуррентную последовательность за­ дач (задачи Ж в(л), л —0, 1, 2 , ...) (3.57), при решении которой находятся локальные функции М<п) и эффективные податливости л-го уровня Н(Ч

Упражнение 3.1. Доказать, что эффективные тензоры упругих

податливостей нулевого уровня

(3.29) в задаче Б совпадают с эф­

фективными тензорами

упругих

податливостей

Н, определяемых

из решения задачи (3.1.12), (3.1), (3.1.13).

 

 

Упражнение 3.2. Показать, что разложение (3.38), (3.39)

с уче­

том (3.60) можно записать в виде

 

 

Ф// =

^

J ] ML\ii'j'qt...qk (£)

(*).

(3.72)

 

п=0

k=0

 

 

 

Упражнение 3.3. На

основе разложения (3.72) провести

техни­

ку осреднения для задачи В (3.32), (3.34), используя вариацион­ ную постановку Кастильяно

6 «Я* (ф, 6 ф) = 0 ,

==z Gikl Gjmn Gprs Gquv j Jijpq (£) фkn.lm (-^) фго.ви (я) dV. (3.73)

V

Упражнение 3.4. На основе разложения (ЗЛО) провести техни­ ку осреднения для задачи Б (3.2), (3.3), используя «новую» ва­ риационную постановку (3.3.4), (3.3.3).

§ 4. Теплофизические характеристики композита

Квазистатическая нестационарная задача термоупругости за­ ключается в решении четырех уравнений: трех уравнений равно­ весия

 

 

[C jki(uk,i a.klT)\tj -f- X t- = 0

(4.1)

и уравнения теплопроводности

(1.2.31)

 

pj

Тдт

т

а

(4.2)

Рcp~Qf~ ~

 

\.ач^чк1 (Uk>1akiT)\ + р<7

при выполнении некоторых граничных условий и начальных дан­ ных. В этом параграфе под Т мы будем понимать разность меж­ ду текущей температурой и температурой Т0 актуального со­ стояния.

Как было уже отмечено ранее, связанная задача термоупруго­ сти представляет чаще всего только академический интерес. Пре­ небрегая связанностью, запишем уравнение (4.2) в виде

рср- ~ = (tf/T.i), + pq.

(4.3)

Чтобы решить несвязанную задачу термоупругости, достаточ­ но определить температуру из задачи теплопроводности, а затем решить задачу теории упругости с измененными объемными и по­ верхностными силами.

Таким образом, составляющим звеном в решении задачи терМоупругости является задача теплопроводности, которая заклю­ чается в решении уравнения (4.3) при выполнении граничных Условий

* Т /? > /| * = ч (Г | * -Г ,)

(4.4)

Или более общих (1.2.32) и удовлетворении

начальным данным

(1.2.33) при t= t0:

(4.5)

Т=Т°.

Здесь г] — коэффициент теплоотдачи, Тс — температура окру­ жающей среды.

В композите плотность р, теплоемкость ср, тензоры теплопро­ водности и теплового расширения а являются разрывными

функциями координат. Покажем, как можно решить задачу теп­ лопроводности для композита, используя методику осреднения.

Ищем решение в виде асимптотического разложения

 

т = m +

w .

(4.6)

<7=1

Р

 

*\це суммирование по р происходит от (3= 0 так, чтобы все верхние Индексы были положительны. Оператор дифференцирования по Времени отрицательного порядка тождественно равен нулю, а ну­ левого порядка — единичному оператору.

Вычислим производные от функции Т (4.6): Т,ml T tmn и d T J d t И подставим разложения этих производных в уравнение теплопро­ водности (4.3), которое можно записать в виде

РСр — — ^тпл Т ,mn Н------ ^>тп\п Т tm + PQ-

(4.7)

р dt

а

Тогда, приравнивая некоторым постоянным величины, стоящие при одинаковых степенях а и производных от Ф одинакового строе­ ния, получим рекуррентную последовательность уравнений для определения локальных функций Р(я)Ф)

& L

,т)ш + (

» ^

п(<7+1)(Р)

+

 

i?+i_2p)|п

nfo+lXP>

^

 

р(<7)(Р)

 

+ ^■q+2-2ргаr h...iq+i _ 2pl

% + 2 - 2 Р

*<7+1-2? / *|...*<7-2р

— ос Р

^ ' 1)’

а !:)(.^+2_ 2Р.

(4.8)

? = - 1 , 0 ,

1,2,

Р = 0,

1,

,[9/2]а,

 

причем все локальные функции и тензоры-константы Л(<7)(Р) хотя бы с одним отрицательным индексом равны нулю:

 

P(,,(W = О, ЛЙ)<Э) = О для q <

0

или р < 0;

Р,0)(0> =

1 .

(4.9)

Для нахождения постоянных величин Л(<7)(Р) имеем

 

 

 

 

д(<МР>

— 1 \Т

 

pfo+WP)

 

 

 

 

iV»f.^+2-2P — \Atr7+2-2p//^t'f - I'<7+l-2pl/“

 

 

 

+ К**<7+2.

рШРГ

 

__ nr pWMP—и

\

(4.10)

 

-2? lq+ 1 -2 Р г

*i ■•-‘ <7-2?

^ Р * * » ••-‘ <7+2-2? I

 

 

 

<7 = 0 , 1 ,

 

0 = 0 , 1 .

 

 

 

Упражнение

4.1. Показать,

 

что из (4.10) при <7=0,

0 = 0

сле­

дует выражение

для эффективного

тензора теплопроводности Л:

 

 

л .,** л и г = { & ! * № + $ ) .

 

(4.11)

причем

локальные

функции

P0W

определяются из

(4 .8)

при

Я = — 1,

Р = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ^ „ Р /!Г

+ Л .[Х = 0 .

 

(4.12)

Упражнение

4.2. Показать,

 

что

из

(4.10) при

<7= 0,

0 = 1

сле­

дует выражение для эффективной теплоемкости (рср) *:

 

 

 

 

 

(рсрГ = - Л

<0)(1>=

(рс„) с .

 

(4.13)

Таким образом,

уравнение

 

теплопроводности

(4.7)

после

вве­

дения условий (4.10) можно записать

в виде

 

 

 

2 - E

* « W

» + * . ....

» - * .

(4.14)

<7=0

Р

 

 

 

 

а граничные

условия (4.4)

и

начальные

данные (4.5)

— в виде

S

^

Л(|. Р>'в+2- 2Э

*•«'.• •-^+12ВЛ‘'в-|-22Р |з =

 

1=0

 

 

 

 

 

 

 

Ч ( £

S

 

 

, Is - Тс) .

(4.15)

 

 

 

 

<7=0 Р

 

7 1

n q

n WO)

A

•lq-2Э U=0 .

(4.16)

 

T ~ L

a

 

 

 

q=0

 

 

 

 

 

Будем, как

и прежде,

решать задачу (4.14) — (4.16)

методом ма­

лого параметра в виде разложения

 

 

 

 

 

 

й = £ а

р0<р>.

 

(4.17)

 

 

 

р= о

 

 

 

Подставляя

(4.17) в

(4.14) — (4.16)

и приравнивая выражения при

одинаковых степенях а, получим рекуррентную последовательность задач теплопроводности для однородной среды

 

Ajreg> + Q<'>= <|*р>ае(р>

Р = о,

1,

(4.18)

при t =

0 :

 

 

(A JT ay)», -

ле^>) ь =

is,

(4.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е И

=

г ( р},

 

 

(4.20)

где входные

данные

задачи (4.18) — (4.20) при

фиксированном р

определяются

из

решения

этой

задачи при г = 1 ...... р— 1 :

 

 

«<р}= £

 

 

 

e. t a+2_2fl

р > °;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

а>+э

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0(р- г> _

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a/i+p

-20

 

 

-

s

s

A ^

^

. - 2P|

3

- e. t x

+1- 2P" / i ' р > ° .

<4-22)

гИ

=

-

У

Y р['тс

а'+Р

е<Гг>.

|(=0, р > 0; т(°> = г».

 

 

 

Z J Z J

1" г~2Р a/i+p

.*!••• —2р r

г ^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.23)

После того как задача теплопроводности решена, можно при­ купить к решению задачи теории упругости. Заметим, что в урав­ нения (4 .1 ) температурные члены входят в качестве входных дан­ ных, так что особых хлопот неоднородность тензора теплового Расширения а не вызовет. Однако для того, чтобы метод осред-

Нения позволял найти решение поставленной задачи достаточно точно, нужно позаботиться о том, чтобы входные данные задачи мало менялись в пределах ячейки периодичности. Выражение же аТ, входящее в (4.1), содержит быстро-осдиллирующую состав­

ляющую. Поэтому при решении задачи термоупругости к урав­ нениям (4.1) также следует применить технику осреднения.

Рассмотрим только частное решение уравнений (4.1), соответ­ ствующее изменению температурного поля. Обозначим

 

 

С,ш (1)

(I) =

(i).

(4.24)

Тогда уравнения (4.1)

можно записать в виде

 

Cijki\j (|) uk,i +

Cijkl (|) uk,ij----- — pi/i/T — puTj = 0.

(4.25)

a

 

 

 

a

 

Будем искать их решение в виде

 

 

 

и, =

2

a ’ +W S+l'.^d) О.*,...*, « .

(4.26)',

Г

=

£ с М ?

. . . *

, ( I ) « .

(4.27).

 

 

<7=0

 

 

 

Производя дифференцирование разложений (4.26), (4.27) и под­

ставляя результат в

уравнения (4.25), получим систему

уравне­

ний однородной моментной теории термоупругости

 

Ё

а *© !£ \ +Д * ,..* ,+2М

= 0,

(4.28),

<7=0

 

 

где тензоры-константы 6 ^+2) определяются

из осреднения:

 

Q % t\ z= ( C lb ^ nN « X \ +1<n +

 

+

 

 

(4-29);

а локальные функции из рекуррентнойпоследовательности урав­ нений:

+ Cikq+2mn NmtiLk^in + Cikq+2mkq+lN^nk}.. ,kq

 

n(<7+l)

= Qfkt^k

, q = — 2 , — 1 , 0 , 1 ,

 

гь, k

 

2

Ki---Ka■

*K‘ -- ’K<7+2’

4

’ ’

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.30)

При этом в

(4.30)

 

 

 

 

 

 

 

N<") =

0 (,) = 0 при

q < 0 ,

P<,rt = 0

при

q <

0, P,0, =

1:.

(4.31 >

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]