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

книги / Механика композиционных материалов

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
12.36 Mб
Скачать

руго-пластическим материалом, возможно, непрерывно неодно­ родным.

Уравнения равновесия и граничные условия запишем в виде

&IJ,! +

X t =

0,

(6.i)

«/ !*,= «?,

& ltn, Ь .= Si,

(6.2)

где

 

 

 

 

ец = & и = К Й 06,/

+

 

( е , / -----06,/),

(6.3)

причем справедливы соотношения Коши

 

еИ= еП + - у

 

= “

(ut.i +

(6-4)

Применяя методику, изложенную в § 2, найдем решение этой задачи в нулевом приближении. Для этого повторим выкладки § 2, используя конкретный вид оператора &"ц (6.3).

Для «среднего» вектора перемещений v(x) и локальных функ­

ционалов N (l, dv) введем обозначения

®// = ~ Y (vt.i +

Na

= -^ -№ ./ + N/.0»

+ Nn> 6‘ =

e’(. ei / = e"/—

 

e — et1’

e// =

e „ -----p66,7.

 

(6.5)

Тогда уравнения (2.14)

задачи

Ж а (— 1)

для

определяющих

уравнений (6.3) запишутся в виде

 

 

 

[/С(1)в*б,/ +

=

0.

(6.6)

После решения уравнений (6.6) с учетом (2.12) находим опреде­ ляющие соотношения нулевого приближения

<$>= ее к (0 е-б(7 +

e-tl

(6.7)

 

ец

 

и эффективные определяющие соотношения

 

 

of/ = htl (*) = <Sf/’> = { *0*6,, +

« , ) .

(6.8)

 

ец

 

В частности, для слоистой среды имеем в (6.5)

 

Ntj== -J (N'fil, + N'fiit), е* =

0 + Езз,

(6.9)

где, как и прежде, штрих означает производную по быстрой ко­ ординате £=£з- Уравнения (6.6) в этом случае имеют вид

 

 

^ ( 6 ) М » +

~

г - - ^ » ]

= 0 .

 

(6.10)

и их можно проинтегрировать:

 

 

 

 

 

 

 

 

к (|) в'б/а + -ф(|;-е-“)е;3= а?3й ,

 

(ело

где а?з (х) — некоторые функции,

не

зависящие от

быстрой

пере­

менной

 

 

 

 

 

для

инвариантов в случае

Согласно § 3 введем выражения

трансверсальной изотропии:

 

 

 

 

 

 

 

0 =

еи

+ еа2, езз,

р2 =

- у

[(еп — е2а)2 + 4е22],

 

 

 

, 2

 

* 2

 

* 2

 

 

 

 

 

q

=613 +

®23|

 

 

 

СГ — — (<7ц +

СГ22),

Сзз* Р 2 — ~

[ ( а 1 1

^ 2 г) 2

+ 4 CTJ2] »

Q 2 — а 13 +

°23»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6. 12)

 

 

Q ° 2 =

СГ?3 +

<723.

 

 

 

Тогда систему (6.11) (или (2.30)) можно переписать в виде (6.13)

К ( 0

-

Ф(£,е*) 2е!о— 0

(6.14)

(8 +

е33) +

-5 Ц -К -

= °зз’

где

 

 

 

 

 

 

е; =

р2 +

2?*а +

4-833

-----

и

(6.15)

 

 

 

З

о

 

Ф<Б.ев)

Разрешая (6.14) относительно

Ф (1 .<)

з < 4 - * ® ( в + %>>

ец

2е33 — 0

и подставляя результат в (6.13), получим

Я =■

о> =

2езз — Q

з ^ з -к (& )(е + е33)

Ф(6.ев)

 

(6. 16)

(6.17)

Теперь, воспользовавшись (6.15), имеем из (6.13)

 

 

 

 

ф (б . У

 

+

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

в<‘

 

 

 

 

/

Рг + 2?* + т

г33- — г33Ь + —

 

 

 

 

 

 

3

Сзз‘

 

 

 

 

 

 

 

 

=

3 о § з -^ (0 (в + еи)

 

 

 

(6.18)

причем считается, что

вместо

величины

q*

6.18)

подставлено

ее выражение

через

езз*, 0, Озз°, Q0 по

формуле

(6.17).

Тогда

(6.18) представляет

собой функциональное уравнение

относитель­

но езз*.

Предположим,

что

его решение

можно

записать

в виде

 

 

 

взз=*зз(£. е, Р.<&. Q0).

 

 

 

(6:19)

Тогда из

(6.17)

также имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

? • = ? ( ! .

6. р, сг|3. 0°).

 

 

 

(6.20)

Заметим,

что

(6.19),

(6.20) —

это частный случай

соотношений

(2.32). Осредняя теперь (6.19), (6.20) по ячейке периодичности, получим

 

 

8ЭЗ =

<8зз (£,

р, ада, Q0)),

 

 

 

 

 

9 = J L / --------

33

_

\ Q°

 

 

(6.21)

 

 

3 '

< & -К © (в + 8м> 1

 

 

 

Разрешая

функциональные

уравнения

 

(6.21)

относительно

<Тзз°

я Q0, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ода =

Ода (9, р, 8зз. р),

 

 

 

 

 

Q° =

Ql>$ ,P ,e 33,q)q .

 

 

(6.22)

Выражения (6.21) и (6.22) вытекают соответственно из соот­

ношений (2.33), (2.34) для композита

 

с изотропными

компонен­

тами.

 

соотношений

(6_.22)

и

(6.13),

(6.14)

видно, что

Из сравнения

 

 

Ф (£.<)

9* =

Q° (6. Р. 8зэ» 9) 9»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф (!.е ц)

2е*3 — 0

= :ода(6, Р, 8зз. 9).

(6-23)

К (?) (в + 8зз) +

 

 

 

 

Разрешая

(6.23)

относительно

езз* и р*

и учитывая (6.19),

(6.22)

и (6.17), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

Я =

2вм — 0

(6.25)

- Q 4

 

- л © ( 0 + г 33)

 

где в функциях е33, Q0, сгз3 ((6.19), (6.22)) аргументы опущены. Определяющие соотношения (6.3) можно записать, используя выражения для инвариантов тензоров напряжений и деформаций

в случае трансверсально изотропной среды, в виде

а

 

 

 

 

1

Ф Ы

\ г

+ 6

еи

/

 

3

ви

) 33’

- (

 

°33

1

Ф Ы

 

\

К + -

 

(6. 26)

3

Сц

 

/

 

- ( *

 

 

 

 

 

р =

- Ф(Си)

Р.

Си

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда согласно (2.39) определяющие соотношения нулевого при­ ближения имеют вид

*!? = ? (0) ( 8 , , - 6зА /) +

+ —

Q(0)

(6.27)

Л / + 2 - 2 1

 

Р

Я

 

где тензоры р и (/ определяются формулами (3.20), (3.21), а

У 0> = [ я (5) + -j- — е’; вц)-|в + | * ш - ± ■Ф-^ е“) j

f»(Q)

Q (Q _ *<£.<)

(6.28)

 

 

1Осредняя соотношения (6.27), получим эффективные опреде­ ляющие соотношения

°>п = { К (0 + Т

) 9 + ( [ ^ (S) - Т

* ) +

+ т ( - ^и ) < - — )•

+ у ( Ф(! ’ е") )(e M- E u ).

(6.29)

2 Ф (Б ,е;)-| -м

013 = ( К ® - - у — -’ еа) ) в + ( [ * ( 1 ) +

<*33,

 

 

 

 

^

= (

^

)

 

 

 

 

 

П-э

1

/ ® ( | ) в ..)

 

2 в оо — 0

 

 

 

. —

_L_ /

Vb

ц/_________ " ___________\

ЛОр

13

3

 

<

 

5«з- * © ( 0 + ^ )

/ Q

 

 

 

Ф(1.еи)

 

2®зз— 9

 

 

) Q°623»

 

1

з

\

 

 

° !!з - к © (в + % )

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Р г + ~

 

^ 'з з - 3

 

Т у q2 +

 

 

 

 

 

5 з з -^ © (0 + ^зз)

J

 

 

 

 

 

+

- ^ з

— т

^

+

Т ® 2-

 

(6.30>

 

 

 

 

О

 

О

 

 

О

 

 

 

а аргументы

функций

ез3, crS3, Q0

(6.24),

(6.22)

опущены.

Заметим, что если рассматривается упруго-пластический ком­

позит, компоненты

которого

могут

быть

трансверсально изо­

тропными или ортотропными, то, применяя технику осреднения, описанную в § 2, и в этом случае легко получить эффективные определяющие соотношения.

Технику осреднения можно проводить и на основании вариа­

ционных принципов.

(6.1) — (6.4)

построить лагранжиан

Так, если для задачи

L = j1WdV — [ X,U;dK — j S“u,d2,

(6.31)

V

V

2a

 

де

W = -J К (i) 63 + V (e„), Y (e„) = f Ф(e„) de0,

(6.32)

o

 

то, подставляя разложение (2.6) в (6.31), раскладывая лагран­

жиан в ряд по степеням

а и используя

вариационный принцип

Лагранжа, получим все

соотношения

§

2. Так,

например,

для

теории нулевого приближения имеем

 

 

 

 

L<0) = Г [ - L /Щ ) е-2 +

т (е,;) j dV -

^ X ^dV -

f SfodS,

(6.33)

V L

 

V

 

2 ,

 

где величины, помеченные звездочкой, определены в (6.5).

Вводя потенциал нулевого приближения Ц7<°>:

V” = -±- J [•Y

К (?) е* + V (е!) ] dQ,

 

(6.34)

Q

 

 

 

 

 

тде Q — объем ячейки

периодичности, и

разыскивая

минимум

в пространстве периодических

в Й функций выражения

(6.34),

получим потенциал W0 для эквивалентной

однородной

среды.

Упражнение 6.1. Доказать, что для слоистого упруго-пласти­

ческого композита

 

 

 

 

 

 

W„ =

(-у*(?)(в + вз> +

 

 

^ ( "V

 

езз---- ~ езз

®

)’

(6.35)

где езз* и q* находится из

(6.24) и

(6.25).

 

получают­

Упражнение 6.2. Показать,

что

соотношения (6.29)

ся дифференцированием

(6.35)

по инвариантам 0, езз, р, q-

 

Упражнение 6.3. Показать,

что

для решения несвязанных за­

дач термопластичности всюду следует вместо тензора деформа­

ций е согласно гипотезе Дюамеля— Неймана ввести тензор

ет

е1 ,= еи — «<А

(6-36)

где тензор теплового расширения для трансверсально изотропной среды имеет вид

а / / = а 1 ( 6 / /

6 / 86 / 3) +

« 3 6/ 3 6/ 3 ,

( 6 .3 7 )

а для ортотропной — вид

 

 

 

а / / = а х б д б д

« 2 6/ 2 6 / 2 +

« 3 6/ 3 6/ 3 .

( 6 . 3 8 )

Упражнение 6.4. Показать, что для упрощенной трансверсаль­ но изотропной теории пластичности определяющие соотношения, в которых использована гипотеза Дюамеля— Неймана, имеют вид

О// = o' (6 ц 63/63/) + 03363/63/ + —

Pii + 2 — qijt

(6.39)

Р

Я

 

где

о= (Х4 + Я7) (0 — 2а1,0‘) + Х6(е33 — азФ)*

<*8з = К (5 — 2«i^) +

(езз — «з^),

(6.40)

Р=Р(р , Я, П Q = Q(p,q, Г).

Упражнение 6.5. Показать, что для упрощенной ортотропной теории пластичности определяющие соотношения с учетом гипо­ тезы Дюамеля— Неймана можно записать в виде

° 7 / =

°ii6 n .6 /i +

0*226/36/2 +

о’ззб/36/з +

 

+

е<«2>+

'-^2- ей3) +

^2-

е<23),

(6.41)

 

«12 Ц

«13 11

«23

7

 

где

Oil =

^1

(en — «1^) +

К (e22 — a2ft) +

К (e33 — a3^).

0^22 — ^4

(811---a l^) +

^2 (622 — a2^) +

^6 (eS3 — О^Ф).

O 33 =

X 0 (e ll

Oti'O') +

Я,б (S22 Ot2^ ) +

X 9 ( 6 3 3 ------0&3Ф),

°’i2 =

o12(e12, e18, e23, 71),

(6.42)

°i3 =

o13(e12, e13, e23, T),

 

0’23 = 0*23 ( 6 12> 613> 8 23> T ) .

Упражнение 6.6. Дать постановку связанной задачи упрошен­ ной теории термопластичности трансверсально изотропного тела, полагая функцию рассеивания W* в виде

* ” = р -£-1*р1 + 2 Q - J - N I -

(б-43)

Упражнение 6.7. Дать постановку связанной задачи упрощен­ ной теории термопластичности ортотропного тела, полагая функ­ цию рассеивания W* в виде

W ■= о'12

[со12е12] + ст13 — [со13е18] + сг23

[со23е23]. (6.44)

Упражнение 6.8. Дать постановку связанной задачи упрощен­ ной теории термопластичности для тела с произвольной анизо­ тропией, выбирая функцию рассеивания в виде

п

w = Y

(6.45)

a—m+l

 

Н Е К О Т О Р Ы Е Л И Т Е Р А Т У Р Н Ы Е У К А З А Н И Я

 

•§ 1. Идея осреднения нелинейных дифференциальных

уравнений

с быстро-осциллирующими коэффициентами была предложе­ на Н. С. Бахваловым [7]. Осреднение нелинейных уравнений на основе вариационного принципа дано в [9]. Подробнее слу­ чай линейного упрочнения разобран в [42].

§3. Понятие квазилинейности определяющих соотношений для анизотропных сред введено в' [81]. Существуют и другие подходы к анизотропной теории пластичности, например

в[20, 63].

§4. Описанная теория пластичности, в том числе и упрощенная,

предложена в работе [87].

.§ 6. Метод осреднения для теории малых упругопластических деформаций в вариационной постановке рассмотрен в [42].

Г л а в а 8

ВЯЗКОУПРУГИЕ к о м п о з и т ы

Метод осреднения применяется к решению квазистатических задач линейной теории вязкоупругости ддя композитов. Особое внимание уделяется теории нулевого приближения. Для слоистых

вязкоупругих

композитов

тензоры

эффективных ядер

релаксации

и ползучести

находятся

в явном

виде. Выясняются

особенности

строения этих тензоров в случае структурной анизотропии. Вво­ дится понятие канонических вязкоупругих операторов и описыва­ ется схема экспериментального определения их ядер. Дается описание метода численной реализации упругого решения и на двух конкретных задачах показывается его применение. Даются постановки связанной задачи термовязкоупругости для физичес­ ки линейных композитов и квазилинейной теории вязкоупругости для композитов.

§ 1. Осреднение вязкоупругих регулярных структур

Рассмотрим квазистатическую задачу А линейной теории вяз­ коупругости. Эта задача заключается в решении трех уравнений равновесия (1.4.30):

[Riiki М uk,i],j + X/ = 0

(1.1)

относительно трех компонент вектора перемещений и при удов­ летворении граничным условиям (1.4.31):

|е, = и?, Rtjki (х) Uk,inj |г, = 5?,

(1.2)

причем согласно (1.4.5) принята запись

t

^

(1-3)

Rijki (х ) eki ^ JR i j k i ( x > t —т)^ел/(т),

о

где Rijki{x, t) — компоненты тензора функций релаксации.

Как и в упругом случае, решение задачи (1.1), (1.2) будем искать в виде

щ = Vi (х, t) + aNlll, (|j vlA (x) +

a2M?k,k, (|)

(x) + ...

 

 

(1.4)

где МЙ,...*р (|, 0 — локальные ядра

релаксации

p -го уровня, зави­

сящие от быстрых переменных Таким образом, решение задачи А сводится к решению двух

рекуррентных последовательностей задач. Одна из них (задачи Дв(р), р = 0, 1, 2, ...) состоит в решении краевых задач линейной теории вязкоупругости для анизотропной однородной среды:

»•<

Д . V. Хэ

+

'ъ'

II ©

4 P} ь. = 4 P)' htikMpi)nt ь . = S(,

(1.5)

(1.6)

причем входные данные определяются из рекуррентных формул

 

X lt

если р =

О,

Х /'> =

S

-

. если р > О,

 

Г=1

 

 

S?,

если р = О,

 

sj>> =

Е b m ,...k M wf c \ 1ni к- если р > О,

 

Г=1

 

 

u°t,

если р =

О,

И(Р) :

 

 

(1-7)

 

 

 

если р > 0 ’

где hijki(t) — компоненты эффективного тензора функций релак­ сации (или ядер релаксации).

Локальные ядра релаксации й операторы hi% t...kr+lt г = 0, 1, . . . определяются из рекуррентной последовательности задач Жв(?)> q=r—1, 0, ..., являющихся задачами линейной теории вяз­ коупругости для неоднородной среды на ячейке периодичности:

(Rilrnl^mtkl..kq+2ll)\l + (RiImkq+2Nmtkl..kq+1)\l +

Nmnk?...kg+1\l

+ Rtk^mk^NmnkJ..

- U«\

 

где все локальные ядра релаксации отрицательного уровня тож­ дественно равны нулю и так же, как и в гл. 4,

(N(?) (?, t)) =

0, q > [0; [[N(<?) (g, t)]] =

0.

(1.9)

Ядра операторов

h ^ ...

определяются осреднением

 

h{inkt...kq+2(t) =

(Rikq+2mlNmikl..kq+1\l + Rikq+2mkq+1

...bq) -

(Ы 0)

Точно так же можно дать постановку задач теории вязкоуп­ ругости в напряжениях Б и В, причем этого добиться можно фор­

мальной заменой локальных функций М(<7) (g) на операторы

M(9)(g) с локальными ядрами ползучести М(<7>(£, t); тензоров уп­ ругих податливостей J на операторы тензоров функций ползучес­

ти 11(g) с ядрами Uijki(l, t), а величин HW на операторы H{q)• Рассмотрим только теорию нулевого приближения.

Для задачи А она заключается в решении соответствующей задачи по теории эффективного модуля

 

hiikivk,n +

= 0,

(M l)

 

V, ь, =

и°1,

hilkivk,,n, Iz, = S i,

(1.12)

для чего нужно сперва решить задачу Ж в(— 1)

 

 

IRijmld) Nmnk\l +

Rijnklu = 0

(1.13)

с условиями

(1.9). После

нахождения

локальных ядер

релакса­

ции первого

уровня Nmnk(l,t)

находим

тензор ядер релаксации

нулевого приближения

 

 

 

 

 

 

 

 

RijmliW Nmnk\l "b Rlink(0

(1.14)

и эффективный тензор ядер релаксации

 

 

 

w

o

=

Л

(£*)>•

(ы 5 )

Заметим, что согласно теории нулевого приближения

можно

вычислить не только микронапряжения

 

 

 

= [ Rtfli (g, t — т) dvk,i (x, т),

(1.16)

 

6

 

 

 

 

 

 

но, зная локальные ядра релаксации Nmnk{l, t), также и микро­ перемещения

t

_

_

^

uf> = vt (X, t) f a J Nllk (5, t — x) dvi,t(x, x) +

aw, (x, t), (1.17)

0