
книги / Оболочки и пластины
..pdfИз условия T + V = 0 находим, что |
|
8т т |
hcff |
^пр = р |
(3,17,18) |
|
~R~ |
При бесконечно большой длине / имеем |
|
|
hoT |
Япр — |
(3,17,19) |
Для оболочек из материала, подчиняющегося условию (3,16,17) Губера—Генка— Мизеса, между -продольными изгибающими "моментами тх и кольцевыми усилиями
|
|
|
г Г т т т т т т т т т т |
я |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
н |
И ) |
1 и |
ы |
м |
|
Рис. 3.47 |
|
|
|
|
Рис. |
3.48 |
|
|
orh существует предельное конечное |
соотношение, |
кото-рое |
.выявляется |
из условия |
||||
е u = (е„) пр = const. Используя (3,16,43) |
и полагая |
|
|
|
|
|
||
• ~ |
v"z>е</ = еф = |
— ; гх у = |
о . |
|
|
(3,17,20) |
||
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
ец = |
|
|
v"vz |
V2 |
|
|
|
(3,17,21) |
|
|
|
R2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Работа внутренних сил равна |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т = |
— 2nRoT |
еи dz dx |
|
|
|
(3,17,22у |
||
и, так как работа внешних сил |
(-при |
загружении |
оболочки |
на торце |
поперечными |
|||
силами р) V = 2itRv(0)p, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
ъ_
с2
Pnp = " ^ 0 ) " i J tu d zd x . |
(3,17,23) |
0 __ А
2
Зададимся кривой прогибов v в виде
положив соответственно с=оо. Топда
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a 2Rh |
|
|
|
|
|
|
|
л |
Й—ах |
г |
____________________ |
|
е—ах |
г* |
|
__________ |
|
|
|
|||||||
\ |
eu d z = — — |
j |
V o?R2z2 4- o?Rz - & \d z = |
|
|
j |
|
j^ u 2^ |
u ^ |
Idu. |
(3,17,25) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a2Rh |
|
|
|
|
|
|
|
.Далее из (3,17,23) |
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
a 2Rh |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PП[) -- |
' |
a 3R |
j* |
/ u |
a + |
и - f |
1 |
|
|
|
|
|
(3,17,26) |
||
|
|
|
a 2Rh |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•или, |
обозначая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a2Rh |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3,17,27) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
/----------£ |
________ |
|
|
|
/ |
hs |
|
|
|
|
|
|||
|
pnP = <TT] / |
/ |
h? (* |
|
|
|
X |
|
|
|
||||||||
|
— |
^ u ^ u + X d u = aTy |
|
— |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
—t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г (2* + 1) / Р + * + 1 + (2* ^ 1 ) / * » - * + 1 |
|
з |
2 |
|
^ f - H ^ 2 < ^ 1 1 |
|||||||||||||
X |
-----------------------------^ |
--------------------------------+ T |
ln |
2 y 7 2 — / + 1 — 2 < 1 |
J |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Минимум этого выражения будет при /~ 2 -и равен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Рпр |
0,720ат |
h?_ |
|
|
|
|
|
|
(3,17,29) |
||||
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Коэффициент затухания прогибов а здесь приблизительно |
равен |
согласно |
|||||||||||||||
(3,17,27) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(3,17,30) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/Я Й |
* |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Поэтому на расстоянии |
^ |
2j/^R h прогибы, вызванные нагрузкой Р в предельном |
|||||||||||||||
состоянии, можно считать затухшими. |
|
|
|
|
|
замечаем, |
что |
форма |
про |
|||||||||
|
Сопоставляя формулу (3,17,29) с формулой (3,17,11), |
|||||||||||||||||
гибов (3,17,24) дает |
существенное |
снижение |
критической |
|
нагрузки |
по |
сравнению с |
конической формой, изображенной на рис. 3.16 и, следовательно, более близка к истин ной. Для сравнения укажем, что решение А. А. Ильюшина [120] для этого случая дает
4/~ |
л? |
f * И? |
Г И? |
(3,17,31) |
Р п р = стт | / |
— у |
— = 0,675ату |
— , |
что отличается от (3,17,29) на 8 %.
2. Цилиндрический свод
Рассмотрим задачу расчета цилиндрического свода-оболочки, опертого на две торцевые диафрагмы. Продольные борта оболочки могут свободно свешиваться или быть оперты любым образом. Будем считать, что длина оболочки несколько превышает ее ширину, т. е. оболочка относится к категории средне длинных. Для расчета такой оболочки зададимся классом форм разрушения, удобным для применения линейного программирования.
Примем форму разрушения с сосредоточенными продольными деформациями в среднем сечении оболочки и с цилиндрическими шарнирами текучести вдоль образующих,
(обозначения см. на рис. 3.54). При этом получаем |
выражение для работы 1внешних |
|||||||
сил |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
V = 2 |
+ |
|
|
|
(3,17,52). |
|
|
|
i=\ |
|
|
|
|
|
|
где Pi и |
Qt — вертикальные -и |
горизонтальные |
составляющие |
внешней |
нагрузки. |
|
||
Для |
определения работы |
Тх внутренних |
сил |
на |
меридиональных удлинениях |
|||
учтем, что при малой толщине оболочки отношение ei/Qi |
по абсолютной величине, |
как |
||||||
правило, |
больше Л/2 , где h — толщина оболочки. |
Иными |
словами, |
полагаем, |
что |
сосредоточенные удлинения не меняют знака по толщине оболочки. При большом коли
честве линий |
сосредоточенных |
деформаций единичные |
нарушения |
этого условия |
не |
|
мирают существенной роли. При этом работа Т\ будет равна |
|
> |
||||
|
|
k - \ |
|
|
|
|
|
|
Тх= - 2 я 2 |
Rihi\ei\a*T, |
|
(3,17,53). |
|
|
|
i= О |
|
|
|
|
т. е. повороты |
0 г- не будут оказывать на нее |
влияние, а* = о т — пределу текучести |
на |
|||
растяжение'в |
меридиональном |
направлении, |
если е, > 0, |
и О * = о ^ |
— пределу текуче |
сти в том же направлении при сжатии, если ef< 0.
Определяя работу внутренних сил Т2 на кольцевых удлинениях, найдем прибли
женное выражение |
Т2 через средние кольцевые удлинения |
в каждом |
поясе оболочки |
||
Ч = Щ/П |
|
|
|
|
|
|
Т2 = |
- 2 я 2 |
Fi I v' I 0? , |
|
(3,17,54) |
|
|
< = 1 |
|
|
|
где Fi — площади |
меридиональных |
сечений |
каждого пояса |
оболочки, |
с$!=<тт — преде |
лу текучести в кольцевом направлении, если |
O i>0, иа® =сгт— пределу текучести в том |
||||
же направлении при сжатии, если и{<0. |
|
|
|
||
Потеря потенциальной энергии системы равна |
|
|
|||
|
£/== У ф Г х Ф ? ^ |
У ф Г = та х . |
|
(3.17.55), |
|
Учитывая |(3,17,51) — (ЗД7,54), представим V и Т -в виде |
|
|
V = 2я/i {Рг [0О(R0— гг) — е0 sin ф0] ф Qx [0О( /0 — yi) ф % cos ф0]} ф |
|
|||
4- 2яг2 {Р о [0о (RO— г2) -ф 0х (Rx— г2) — е0 sin ф0 — ех sin фх] «ф |
|
|||
Ф Q2 [0о (/о — У2) Ф 0i (/1 — у2) + еоcos ф0 + |
ех cos Фх]} Ф 2яг3 {Р 3 [0О(R0— г3) -ф- |
|||
Ф Qi (P i — гз) Ф 02 (Рг — Гз):— ео sin Фо — ei sin Фа1 -ф Q3 [0о (/о — Уз) Ф |
|
|||
Ф ^1 (fi — Уз) *Ф 02 (/2 — Уз) Ф ео cos фо Ф £1 cos фх Ф е2cos ф2]} -ф |
|
|||
|
|
|
|
(3,17,56). |
k - \ |
|
|
k |
|
Т = - 2я (о « ^ |
|
+ |
<*т^ f ‘6‘) • |
(3.17,57). |
1=0 |
|
|
1=1 |
|
Причем величины а г- и bi подчиняются условиям |
|
|
|
|
а; > et\ at > — ре/; |
bi > vc\ |
bi > — то/, |
(3,17,58) |
|
г д е |
|
|
|
|
P |
т = |
|
|
(3,17,59) |
Итак, требуется найти максимум целевой функции U (3,17,55) |
при ограничениях |
(3,17,58). Дополнительным является условие предельного равновесия |
|
£М £/тах = 0. |
(3,17,60) |
Таким образом, задача свелась снова к параметрическому |
линейному програм |
мированию. |
|
4. Пологие оболочки
Обобщение расчета пластинок на пологие оболочки кинематическим методом сде лано в 1956 г. (131— 132]. Пластические шарниры текучести здесь заменяются линиями сосредоточенных деформаций, разделяющих области, в которых деформации считаются отсутствующими. По линиям сосредоточенных деформаций происходит взаимное сме щение соседних частей оболочки, представляющее собой малый поворот вокруг неко торой взаимной оси вращения. Сделано предположение об отсутствии сдвигов по линиям сосредоточенных деформаций, что приводит к заключению о том, что все взаимные оси -вращения лежат в одной плоскости (рис. 3.55). В плане картина раз рушения пологой оболочки соответствует схеме разрушения пластины того же очерта ния с той лишь разницей, что все взаимные оси вращения вынесены из срединной поверхности пластины в некоторую плоскость взаимных осей вращения, положение которой определяется из условия минимума разрушающей нагрузки. Работа внутренних сил на деформациях разрушения, равная в пластине — 2m T/i@i, тде /,• — длина /-того участка цилиндрического шарнира текучести, а 0 г — угол поворота IB этом шарнире, заменяется выражением
|
- 2 |
К S f + o'TS - )Q it |
|
|
где стт « |
от — приведенные пределы текучести на |
растяжение |
и сжатие, Sf~ и S ~ — |
|
статические моменты растянутой и сжатой частей |
сечения оболочки, проведенного че |
|||
рез /-тую |
взаимную ось вращения, |
взятые относительно этой |
оси. |
Фигурацией осей вращения, как и цилиндрических шарниров в случае расчета пластины, следует задаваться так, чтобы оболочка превращалась в механизм и рабо та внешних и внутренних сил могла быть определена с точностью до одного неопре деленного параметра перемещений, например максимального прогиба. Положение плоскости осей вращения, как указывалось выше, вводит дополнительные параметры, которые находятся из условия минимума нагрузки.
Для пологих оболочек -вращения, нагруженных симметричной нагрузкой, можно рассматривать форму разрушения с эпюрой прогибов в виде конуса, на всей’ или на
средней |
части поверхности оболочки или |
в виде усеченного конуса |
(рис. 3.56). В по |
||
следнем |
случае |
средняя часть |
оболочки |
поступательно смещается как жесткое целое. |
|
Как |
и для |
полигональной |
оболочки, |
существенными являются |
условия закрепле |
ния краев -против горизонтальных смещений. При отсутствии горизонтальных переме
щений краев вся оболочка сжата, а при возможности свободного смещения частично сжата, частично растянута.
Анализ указанных форм разрушения проведен в работе (133].
В работах [161] и [162] построены условия подобия и моделирова ния процессов деформирования линейных и нелинейных упруго-вязких (наследственных) сред. Методы подобия и размерностей, достаточно хо рошо разработанные в настоящее время в механике жидкостей и газов, в механике твердых деформируемых сред, не получили еще должного развития в механике оболочек и пластин. /
Между тем эти методы в соединении о экспериментом (теоретико экспериментальные методы) обладают рядом несомненных положитель ных качеств. Во-первых, они позволяют заранее определить объем экспе риментальной работы, необходимый для полного решения задачи. Во-вторых, они универсальны и безразличны в отношении традицион ного деления задач по степени трудности их теоретического решения на линейные, нелинейные и т. д. В условиях этих методов главная за дача— установление зависимости искомых функций от числа безраз мерных определяющих параметров. Самый же^ процесс теоретического решения, порой весьма трудоемкий и сложный,'заменяется эксперимен том, в котором варьируются теоретически выявленные безразмерные параметры. Поскольку практика, эксперимент являются основным кри терием истины, то методы, основанные на построении безразмерных мо делирующих функций, должны ,быть основным инструментом в экспери ментальных исследованиях.
Рассмотрим теоретические основы методов подобия и размерности в механике сплошных сред.
При написании дифференциальных уравнений, описывающих тот или иной физический процесс (движение, равновесие среды и т. д.), вы бор системы координат, с помощью которой описывается процесс, связан с технической стороной дела, а не с существом явления. Физические свойства объекта, которые описываются уравнениями, не зависят от выбора координат, а физические соотношения, описывающие эти свой ства, инвариантны относительно выбора систем координат. В силу этого многие характеристики физического процесса (состояние равновесия, движения среды и т. д.) имеют инвариантную природу. Определение и задание самих характеристик среды, например энергии, напряжений, перемещений с помощью чисел требует введения единиц измерения, вы бор которых носит субъективный характер.
Величины, численное значение которых зависит от выбора единиц измерения, называются размерными величинами. Единицы измерения различных характеристик среды, физического процесса, вообще говоря,
связаны между собой. Например, единица измерения силы F = ma свя зана с единицами измерения массы m и ускорения а.
Итак, следует различать независимые и зависимые единицы изме рения, первичные и вторичные или основные и производные.
Единицы измерения, |
которые вводятся 'В рассмотрение из опыта |
с помощью эталонов, по |
соглашению называются первичными, или |
основными. Имеют распространение следующие системы единиц изме рения: CGS, где в качестве основных единиц измерения берутся сан
тиметр, |
грамм, секунда; MKS— метр, килограмм-сила, |
секунда; |
систе |
ма СИ, |
в которой основными единицами измерения |
являются |
метр, |
килограмм-масса, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча, а также дру гие системы единиц измерения.
Единицы измерения величин, которые получаются из определения