![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Механика композиционных материалов
..pdfруго-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
<$>= &Ц 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 |
|
.з |
|
в<‘ |
|
|
|
|
/ |
Рг + 2?* + т |
г33- — г33Ь + — |
|
|
|
|||||
|
|
|
3 |
Сзз‘ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
= |
3 о § з -^ (0 (в + еи) |
|
|
|
(6.18) |
|||
причем считается, что |
вместо |
величины |
q* (в |
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 |
-о |
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