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

Краевые задачи колебания пластин. Монография

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
06.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
О.А.Егорычев,О.О.Егорычев
  
   
КРАЕВЫЕЗАДАЧИ
Московский
строительный
государственный университет
Москва2010
УДК 539.3
Р е ц е н з е н т ы
директор ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, д-р техн. наук, академик
Петровской академии, советник Российской академии архитектуры
и строительных наук РААСН, чл.-корр. московского отделения
Международной академии архитектуры Ю.П. Назаров;
проректор по научной и инновационной работе, зав. кафедрой
железобетонных и каменных конструкций, лауреат премии Правительства
РФ, советник РААСН, проф., д-р техн. наук В.И. Морозов (СПбГАСУ)
Егорычев О.А., Егорычев О.О. Краевые задачи колебания пла-
стин: монография / ГОУ ВПО Моск. гос. строит. ун-т. – М.: МГСУ,
2010. – 167 с.
ISBN 978-5-7264-0504-9
В монографии представлены результаты исследований по теории
колебаний плоских элементов.
Сформулированы постановки краевых задач колебаний плоских
элементов и представлены методы их решения.
В главах 1 – 3 на основе рассмотрения сплошных сред в трехмер­ной постановке выведены общие и основанные на них приближенные уравнения продольных и поперечных колебаний ограниченных, одно­родных, изотропных пластин постоянной толщины. Использованы пределы применимости приближенных уравнений.
В главах 4, 5 и 6 определены уравнения колебаний трехслойной пластины, предварительно напряженных пластин и пластин перемен­ной толщины.
Монография предназначена для научных работников, аспирантов и студентов старших курсов.
Рекомендовано Научно-техническим советом МГСУ
ISBN 978-5-7264-0504-9 © Егорычев О.А.,
Егорычев О.О., 2010 © МГСУ, 2010
ВВЕДЕНИЕ
При рассмотрении задач о колебании пластин и плоских элементов приходится решать основной вопрос – постановка краевой задачи, т.е. вы­бор уравнения движения, описывающего динамическое поведение пла­стин и формулировка граничных условий в любой необходимой точке среды в любой заданный момент времени. При этом, выбранное уравне­ние должно иметь решение, быть единственным, обладать устойчивостью, т.е. малые изменения граничных и начальных данных вносят малые изме­нения в итоговый результат решения.
Из теории уравнений математической физики известно, что любое уравнение, описывающее колебания, должно принадлежать к уравнению гиперболического типа.
Одним из первых уравнений, описывающих поперечные колебания пластин, было уравнение Кирхгофа, однако это уравнение параболическо­го типа, полученное при использовании геометрических гипотез. Оно удовлетворяет только медленно протекающим низкочастотным процессам и определяет лишь одну частоту собственных колебаний.
В дальнейшем многими авторами предлагались новые уравнения ко­лебаний, наиболее известные из них – гиперболические уравнения Тимо­шенко.
Указанные теории, основанные на ряде гипотез и предположений, не позволяют получать уравнение колебаний более высокого порядка по производным от нескольких функций и получать строго обоснованные краевые условия.
Одним из основных методов построения приближенных уравнений теории колебаний пластин является метод степенных рядов, впервые ис­пользуемый еще в работах Пуассона и Коши. С помощью этого метода трехмерная задача динамической теории упругости приводится к прибли­женной двухмерной.
Математическое обоснование метода степенных рядов дано на при­мере динамической задачи о слое в случае плоской деформации Г.И. Пет­рашень.
В дальнейшем этот метод был расширен и использован для вывода уравнений колебаний различного вида пластин в работах И.Г. Филиппова и О.О. Егорычева. Этот подход отличает относительная свобода от пред­варительных гипотез, что дает возможность получать для уравнений любо­го порядка однозначные формулировки начальных и граничных условий.
3
ГЛАВА 1. УРАВНЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ОДНОРОДНОЙ
}
x
y
x
σ
σ
σ
x
σ
σ
x
σ
λ
ИЗОТРОПНОЙ ПЛАСТИНЫ
§1. Математический подход к построению теории колебаний пластин
Рассмотрим бесконечную в плане изотропную однородную упругую
пластину толщиной 2h , прямоугольную декартовую систему координат
OXYZ выберем таким образом, чтобы плоскость XOY совпадала со сре-
динной плоскостью пластины, а тогда область, занимаемая пластиной в недеформированном состоянии, будет иметь вид (рис. 1.1.1):
,;
{
yhzh−∞ < < +∞ − ≤ < (1.1.1)
z
h
0
h
Рис. 1.1.1
Уравнения движения пластины как трехмерного тела имеют вид [91]:
σσ
∂∂
∂∂∂
∂∂∂
∂∂∂
σ
∂∂∂
xx xz
xy
++=
xxx
σσ
xy yy yz
++=
xxx
xz
++=
σ
yz
zz
xxx
2
u
2
t
2
v
(1.1.2)
2
t
2
w
2
t
где u, v, w – компоненты вектора перемещений u соответственно на x, y, z,
ρ - плотность материала пластины. Компоненты тензора напряжений
связаны с компонентами тензора деформаций законом Гука:
2; 2;
λθ με σ λθ με
=+ =+
xxxyyyy
2; ;
λθ με θ ε ε ε
=+ =++ (1.1.3)
zz zz xx yy zz
; ; ;
με σ με σ με
===
yxyxzxzyzyz
,
μ
где
4
- константы Ламе.
Компоненты тензора деформаций удовлетворяют соотношениям Коши:
x
x
x
x
}
f
}
f
}
f
ω
ω
uuv
∂∂
==+
εε
xx xy
εε
yy xz
εε
xx yz
; ;
∂∂
vuw
∂∂
==+
; ;
∂∂
yzx
wvw
∂∂
==+
; .
zzy
∂∂
yx
(1.1.4)
Для материала, удовлетворяющего соотношениям (1.1.3) и (1.1.4)
уравнение движения в перемещениях имеет вид:

Δ+ + =
ugraddivu
μλμ ρ
()
2
u
, (1.1.5)
2
t
где Δ - оператор Лапласа.
Рассмотрим метод построения уравнения колебаний пластин, осно­ванный на математическом подходе [143].
Пусть колебания бесконечной в плане изотропной упругой пластины толщиной 2h вызываются внешними усилиями:
,,, ,,
σ
σ σ
yzt f xyt
()()
zz z
,,, ,,
yzt f xyt
()()
xz xz
,,, ,,
yzt f xyt
()()
yz yz
=
zh
= ; (1.1.6)
zh
=
zh
±
±
±
;
и пусть функции, описывающие эти усилия, представлены в виде:
∞∞
sin
kx
±±
,, ,,
xyt dk dq f kqpe dp
()
z
±±
xyt dk dq f kqpe dp
()
xz
±±
xyt dk dq f kqpe dp
()
yz
=
,, ,,
=
,, ,,
=
()
∫∫∫
cos
kx
()
00
∞∞
cos
kx
()
sin
kx
()
sin
kx
()
cos
kx
()
⎬ ⎭
∫∫ ∫
00
∞∞
∫∫∫
00
sin
⎫ ⎬ ⎭
⎫ ⎬ ⎭
qy
()
cos
sin
qy
()
cos
()
cos
()
sin
qy
()
qy
()
qy
qy
L
()
xz
L
()
yz
L
()
pt
()
,0
z
()
,0
()
,0
;
pt
; (1.1.7)
pt
,
при этом, несобственные интегралы, входящие в эти представления для внешних усилий, существуют при условии, что параметры преобразова­ний Фурье по координатам (х,у) и Лапласу по времени (t) удовлетворяют неравенствам:
kk qq Jp
где
; ;
≤≤ , (1.1.8)
00 0
,,kq
00 0
- конечные величины.
m
Следовательно, внешние усилия не являются ни высокочастотными, ни концентрированными, иначе говоря, длины распространяющихся волн как по времени, так и по координатам превосходят поперечные размеры пла­стин.
5
Начальные условия нулевые:
=
}
}
}
)
x
φ
xy
ψ
φ
ψ
ψ
ψ
φ
φ
x
ψ
σ
φ
x
uvw
uvw
== = = = =
∂∂∂
ttt
∂∂∂
0,
при этом 0.t
Исходя из вида возбуждающих усилий (1.1.6), общее решение зада­чи (1.1.1)- (1.1.5) запишем в виде:
∞∞
sin
kx
,,
u x y t dk dq u e dp
()
v x y t dk dq v e dp
()
w x y t dk dq w e dp
()
,,
,,
=
=
()
∫∫∫
cos
kx
()
00
∞∞
cos
kx
()
sin
kx
()
sin
kx
()
cos
kx
()
⎬ ⎭
∫∫ ∫
00
∞∞
=
∫∫∫
00
sin
⎫ ⎬ ⎭
⎫ ⎬ ⎭
qy
()
cos
sin
qy
()
cos
qy
()
cos
()
sin
()
qy
()
()
qy
qy
0
L
()
0
L
0
L
()
pt
pt
pt
Так как колебания пластины будем рассматривать в линейном при­ближении, то удобнее перемещение
,,,
дольных и
()
ugrad rot
=+
ψ
zt
- поперечных волн:
; (1.1.11)
(1.1.9)
;
; (1.1.10)
.
,,,
u
представить в виде
(
yzt
- про-
при этом, векторный потенциал поперечных волн рять дополнительному условию
0div
=
или 0
ψ
x
++=
xyz
∂∂∂
ψ
y
z
. (1.1.12)
Уравнение движения в потенциал имеет вид:
2
2
λμφρ
=
()
2
μψ
Δ=
ψ
2
t
Перемещения u, v, w через потенциалы
ψ
φ
u
=+ −
∂∂ ∂
ψ
φ
=+ −
v
∂∂ ∂
yz x
ψ
φ
=+ −
w
∂∂ ∂
zx y
Аналогично напряжения
,,,.ij xyz=
σλφμ
=Δ+ +
xx
2
t
. (1.1.13)
⎬ ⎪ ⎪
,
ψ
выражаются по формулам:
ψ
z
yz
x
z
y
⎪ ⎪ ⎪
ψ
z
. (1.1.14)
⎬ ⎪ ⎪
y
⎪ ⎪
выражаются через ,
ij
2
⎛⎞
⎜⎟
2;
⎜⎟
x
⎝⎠
2
ψ
φ
2
∂∂ ∂∂
2
ψ
z
y
yxz
должен удовлетво-
ψ
по формулам, где
6
⎛⎞
x
φ
}
x
}
x
x
ψψψ
}
x
ψ
p
λ
p
Δ
σλφμ
=Δ+ +
yy
σλφμ
=Δ+ +
zz
⎛⎞
⎜⎟
σμ
xy
σμ
yz
σμ
xz
2;
=++
⎜⎟
∂∂ ∂∂ ∂∂
⎝⎠
⎛⎞
⎜⎟
2;
= +++−
⎜⎟
∂∂ ∂∂ ∂∂
⎝⎠ ⎛⎞
⎜⎟
2.
=−++
⎜⎟
∂∂ ∂∂ ∂∂
⎝⎠
2;
⎜⎟ ⎜⎟
y
⎝⎠
2
⎛⎞
⎜⎟
2;
⎜⎟
z
⎝⎠
φ
xy xz yz
2
∂∂
φ
yz xy xz
2
∂∂
zxy yz
2
ψ
φ
2
yz xy
∂∂ ∂∂
2
ψ
φ
2
xz yz
∂∂ ∂∂
2
ψ
22
ψψ
yz
2
ψ
x
xx
22
22
∂∂
x
∂∂
Согласно (1.1.10) потенциалы
∞∞
sin
kx
,,, ,,,
yzt dk dq kqzpe dp
φφ
()
,,, ,,,
yzt dk dq kqzpe dp
()
x
,,, ,,,
yzt dk dq kqzpe dp
()
y
,,, ,,,
yzt dk dq kqzpe dp
()
z
()
=
∫∫∫
kx
cos
()
00
∞∞
sin
kx
=
=
()
∫∫∫
kx
cos
()
00
∞∞
cos
kx
=
()
∫∫ ∫
kx
sin
()
00
∞∞
cos
kx
()
∫∫∫
kx
sin
()
00
cos
⎫ ⎬
sin
⎫ ⎬ ⎭
sin
⎫ ⎬
cos
⎫ ⎬
sin
22
ψ
x
y
2
ψ
ψψ
yy
22
xz
qy
()
qy
()
cos
sin
qy
()
cos
qy
()
qy
()
z
2
ψ
x
222
∂∂
ψψ
y
qy
()
qy
()
qy
()
zz
22
xy
∂∂
2
ψ
y
,
ψ
()
0
L
()
L
()
ψ
}
L
()
ψ
z
L
()
можно представить в виде:
x
,0
y
,0
,0
(1.1.15)
2
ψ
z
2
ψφ
z
pt
;
()
pt
(1.1.16)
()
()
pt
pt
Условия (1.1.8) позволяют дифференцировать выражения (1.1.10) и (1.1.16) по координатам и времени. Подставив (1.1.16) в уравнение движе-
ния (1.1.13), получим систему обыкновенных дифференциальных уравне­ний:
d
φ
0
−=
αφ
2
dz
ψ
d
,0
x
−=
2
dz
d
ψ
,0
y
−=
2
dz
d
ψ
,0
z
−=
2
dz
где
2
α
2
0
2
βψ
x
2
βψ
y
2
βψ
z
=Δ +
0
0
⎪ ⎪ ⎪
0
,0
(1.1.17)
⎬ ⎪
0
,0
⎪ ⎪ ⎪
0
,0
⎪ ⎭
ρ
2
2
+
μ
2
;
=Δ +
β
0
ρ
μ
2
;
22
=+
0
.kq
7
Преобразованные величины перемещений
σ
x
φ
ψ
φ
ψ
φ
x
φ
ψ
A
φ
B
B
ψ
ψ
B
ψ
B
β
,,uvwи напряжений
00 0
,0ij
через изображения потенциалов
d
,0
=−
uk q
00 ,0
vq k
=−
00 ,0
d
wqk
0,0,0
σλ φμφ ψ
xx z
σλ φμφ ψ
yy z
σλ φμ
zz
σμφ ψ
xy z
σμ ψ ψ
yz x y
0
=− −
dz
=−Δ+++
,0 0 0 0 ,0
=−Δ+−− (1.1.18)
,0 0 0 0 ,0
=−Δ++−
,0 0 0
=+−−
,0 0 ,0
=+++
,0 ,0 ,0
y
dz
d
x
dz
2
⎛⎞
d
φ
0
⎜⎟
2
⎜⎟
dz
⎝⎠
2
⎛⎞
d
φ
⎜⎟
2
⎜⎟
dz
⎝⎠
2
⎛⎞
dd
φφ
00
⎜⎟
2
⎜⎟
dz
⎝⎠
⎡⎤
2
kk q kq
⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦
⎡⎤
d
⎢⎥
2
qq kqk
⎢⎥ ⎣⎦
ψ
z
,0
0
d
ψ
ψ
ψ
z
y
⎛⎞
2
⎜⎟
2
2
2
x
,0
kk kq
⎜⎟ ⎝⎠
⎛⎞
2
qq kq
⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠
⎛⎞ ⎜⎟
⎜⎟
dz dz dz
⎝⎠
d
ψ
,0
y
dz dz
2
dd
φ
2
0
dz dz
ψψ
,0 ,0
xz
2
dz
,,,
ψψψ
0,0,0,0
d
ψ
y
yz
,0
выражаются формулами:
dz
d
ψ
,0
x
dz
dd
ψψ
,0 ,0
yy
qk
22
()
⎡⎤
d
φ
σμ ψ ψ
xz y y
,0 ,0 ,0
⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦
2
=+
0
kkqk q
dz dz
2
d
ψ
,0
y
Согласно теории обыкновенных однородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами общее решение уравнений (1.1.17) имеет вид [72]:
ch z A sh z
=+;
01 2
,0 11 12
x
,0 21 22
y
,0 31 32z
αα
() ()
sh z B ch z
=+
ββ
() ()
(1.1.19)
sh z B ch z
=+
=+.
ββ
() ()
ch z B sh z
ββ
() ()
При этом, постоянные интегрирования
в силу условия (1.1.12)
ij
удовлетворяют следующему уравнению:
kB qB B j
++ == (1.1.20)
12 3
jj j
0; 1, 2
Граничные условия (1.1.6) после подстановки в них (1.1.16) приоб­ретут следующий вид:
8
22
A
=
A
⎛⎞
dd
φφ
λφμ
μψψ
μψ ψ
00
⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠
⎛⎞ ⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎛⎞
⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠
−Δ + + =
00 ,0
22
dz dz
d
φ
2
0
kkqk q f
+−− − =
dz dz
d
φ
qq kqk f
2
2
0
+− −+ =
dz dz
⎛⎞ ⎜⎟
2
⎜⎟ ⎝⎠
2
,0 ,0 ,0
xy xz
2
dd
ψψ
xz
,0 ,0 ,0
xyyz
dz
2
d
ψ
x
qk f
,0
dz dz
2
d
ψ
,0
y
2
dz
,0 ,0
d
ψ
,0
y
d
ψ
,0
z
±
z
±
(1.1.21)
±
В общем решении (1.1.19) гиперболические функции представим в виде степенных рядов и, используя соотношения (1.1.18) для преобразо­вания перемещений
⎧ ⎪
2221
nnn
ukABqB kAB
=−+ ++
0 1 21 31 2 22
qB
+
vqABkB qAB
=++ +++
0 1 11 31 2 12
kB
+
wAqBkB AqB
0 1 11 21 2 12
kB
⎡⎤
αβ β α β
⎣⎦
0
n
=
21
n
+
β
)
32
0
n
=
)
32
=+ ++
n
=
)
22
⎧ ⎪
2221
⎡⎤
αβ β α β
⎣⎦
21
n
+
β
⎧ ⎪
22121
nnn
⎡⎤
αβα
⎣⎦
0
2
n
β
()
()
21
n
+
z
21!
n
+
()
nnn
()
21
n
+
z
n
21!
+
()
()
2
n
z
.
n
2!
,,uvw точек пластины, получим выражения:
00 0
2
n
z
2!
()
⎫ ⎪
;
⎬ ⎪
z
2!
()
⎡ ⎣
n
2
n
n
+
⎡ ⎣
(
+
(
(1.1.22)
⎫ ⎪
;
⎬ ⎪
21
n
+
z
++
n
+
21!
()
(
Вместо постоянных интегрирования
и (1,2; 1,2,3)
Bi j
iij
= введем но-
вые и назовем их как главные части приращения напряжений и деформаций:
=− + = +
0 1 21 31 10 2 22 32
=+ + = + + (1.1.23)
0 1 11 31 10 2 12 32
αβ α
=+ =+−
0 1 11 21 10 2 21 22
здесь плоскости
βαββ
()()
βαββ
()()
2
()()
,,UVW являются преобразованиями смещения точек в средней
00 0
0,z =
()
; ;UkA BqB U kA B qB
; ;V qA B kB V q A B kB
; ;W A qB kB W A qB kB
а
,,UVW
10 10 10
- преобразованные величины деформаций
также в средней плоскости.
для
Переходя от ,
,,UVWполучим:
00 0
B к
iij
,, ,UVW
00 0
,,UVW, с учетом условия (1.1.12),
10 10 10
9
λ
μ
λ
α
λ
μ
λ
λ
⎧ ⎪
22
n
u kCQ U kCQ qV W
=− − +
0 0 ,0 0 0 ,0 0 0
⎡⎤
ββ
()()
⎢⎥
⎣⎦
=− −+
vqCQVqCQkUW
00,000,000
ββ
()()
=− + +
wCQWCQkUqV
00,000,000
+− + +
()
где
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
n
=
0
n
22 2
kDQ U kDQ qV W
++−
⎧ ⎪
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
0
n
=
22 2
n
++ −
qDQ V qDQ kU W
⎧ ⎪
0
n
=
22
n
ββ
=−
0
nn
0 ,0 10 0 ,0 10 10
22
n
β
()
0,010 0,0 10 10
nn
22 2
n
⎡⎤
βα α
()
⎢⎥
⎣⎦
DQ W DQ kU qV
0,0 10 0,0 10 10
nn
2
+
1;C
μ
nn
nn
nn
()
μ
1;
D
=−
0
2
+
β
()
()
()
()
⎤ ⎥
()
()
⎤ ⎥
()
1
n
.
Q
=
,0
μ
n
0
=
m
2
n
z
n
2!
()
n
+
21
z
21!
n
;
+
2
n
z
2!
n
()
(1.1.24)
21
n
+
z
21!
n
2
z
2!
n
;
+
21
n
+
z
21!
+
n
()
n
⎫ ⎪
;
⎬ ⎪
21
−−
nm
()
β
m
2
Обращая выражение (1.1.24) по ,, ,kqp т.е. совершая обратные пре- образования по Фурье и Лапласу, определим истинные смещения ,,uvw
точек пластин [5].
⎡⎤
⎛⎞ ⎛ ⎞
nn
()
u CQUCQ W DQU
=+ + ++
DQ W
−+
vCQVCQW
=+ + ++
DQ V DQ W
−− +
wCQ CQW
⎢⎥
λλ
⎜⎟ ⎜ ⎟
n
=
0
n
n
=
0
nn
=+++ +
n
=
221
⎜⎟ ⎜ ⎟
⎢⎥
⎝⎠ ⎝ ⎠
⎣⎦
⎛⎞
V
xy
∂∂
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
∂∂
y
⎧ ⎪
0
1
⎜⎟
⎜⎟ ⎝⎠
⎛⎞
λλ
⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠
221
⎞ ⎟
2
⎟ ⎠
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦
λ
nn
()
22
121
⎛⎞
1
()
λλλ
⎜⎟
nn
121
⎜⎟ ⎝⎠
222
∂∂
nn n
22
xx
∂∂
⎛⎞
Vz
⎜⎟
⎜⎟
xy
∂∂
⎝⎠
n
n
2!
()
()
1
()
21
nn
z
n
21!
()
22
∂∂
2
y
;
+
⎛⎞
Uz
⎜⎟
xx
∂∂
⎝⎠
n
(
n
2!
()
()
n
+
21
(1.1.25)
n
+
⎛⎞
U
1
⎜⎟
yx
∂∂
⎝⎠
UV z
∂∂
xy
∂∂
λ
()
1
()
n
()
z
n
21!
()
⎫ ⎪
;
+
21
n
+
n
+
21!
()
⎡⎤
⎪⎪
+− + +−
где
⎢⎥
⎨⎬
⎢⎥
n
=
0
⎪⎪
⎣⎦
=−
⎛⎞
UV
∂∂
DQ DQ W
nn
1;C
11
⎜⎟
⎜⎟
xy
∂∂
⎝⎠
2
μ
+
1;
D
=−
μ
n
⎛⎞
()
λλ
⎜⎟
221
⎝⎠
2
+
μ
1
()
1
n
Q
=
n
,0 1 2
0
m
=
2
n
z
2!
()
;
n
1
nm
−−
()
m
()
λ
.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]