Ограничения на компоненты напряжений в вершинах правильных треугольной и четырехугольной пирамид, погруженных в упругое тело
Рассматриваются особые точки, являющиеся вершинами треугольной и четырехугольной пирамид, погруженных в упругое тело. Изучены ограничения на компоненты напряжений в рассматриваемых точках. Показано, что количество этих ограничений обусловливает неклассическую постановку задачи механики деформируемого тела. Выявлены зависимости между материальными константами скрепляемых элементов, приводящие к неограниченному росту напряжений в вершинах пирамид. Результаты исследований найдут применение в механике композитных материалов, в изучении образцов путем индентирования или взаимодействия с призматическими иглами кантилеверов.
Restrictions on stress components in the vertices of regular triangular and quadrangular pyramids embedded in elastic bo.pdf Особые точки внутри сплошной среды в виде вершин многогранников, конусов, пространственных ребер присущи, в частности, армированным кристаллическим частицам, коротким волокнам материалов и составным элементам конструкций. Они возникают при внутренних разрушениях компонентов структуры композитов и однородных тел, характерны для исследуемых образцов при внедрении в них инденторов или призматических игл кантилеверов. Изучение особенностей распределения напряжений вблизи особых точек обычно проводится авторами на основе асимптотического подхода (далее классический подход). Применяются методы операционного исчисления [1], интегральных уравнений [2], граничных состояний [3], разложения по различным функциям [4, 5], конечных элементов [6], граничных элементов [7] и др. Напряженное состояние вблизи вершин многогранников, конусов, ребер составных конструкций с использованием классического подхода рассматривались в публикациях [8-17]. В работах [20-24] показано, что достоверность решений, получаемых на основе классического подхода, ограничена областью вне малой окрестности особой точки. Это обстоятельство обусловлено некорректностью задаваемых в особой точке условий. В настоящей работе изучение напряженного состояния в вершинах пирамид, погруженных в упругую среду, проводится на основе подхода, предложенного в работах [20-24]. Основной идеей такого подхода является распространение на особые точки общепринятого представления о том, что с каждой точкой континуума связан элементарный объем. Элементарный объем является носителем материальных свойств среды и параметров состояния (напряжения и деформации). Поэтому задаваемые в точке ограничения на параметры состояния являются ограничениями, накладываемыми на параметры состояния соответствующего ей элементарного объема. Применение данного подхода позволяет выявить задаваемые в особой точке условия и корректно поставить задачу МДТТ. 120 В.М. Пестренин, И.В. Пестренина, Л.В. Ландик 1. Правильная треугольная пирамида, погруженная в упругое тело 1.1. Постановка задачи Рассматривается упругое деформируемое твердое тело 1 с особенностью в виде вершины правильной треугольной пирамиды, непрерывным образом контактирующее с другим упругим телом 2 (рис. 1). С пирамидой связывается декартова орто-нормированная система координат Ox1x2x3 с базисом e1, e2, e3. Ось x1 проходит из точки О центра тяжести треугольника BCD через вершину A, ось x2 - из точки О через вершину С, а ось x3 - из точки О параллельно стороне основания BD. Рис. 1. Упругое тело 2 с погруженной в него вершиной А правильной треугольной пирамиды - тела 1 Fig. 1. Elastic body (2) with an embedded vertex A of the regular triangular pyramid (1) Угол между высотой тетраэдра, опущенной из вершины А на основание, и высотой боковой грани, исходящей из точки А, обозначается ψ . Область изменения этого угла задана интервалом 0
Ключевые слова
внутренняя особая точка,
неклассическая задача,
концентрация напряжений,
элементарный объем,
internal singular point,
non-classical problem,
stress concentration,
elementary volumeАвторы
Пестренин Валерий Михайлович | Пермский государственный университет | кандидат физико-математических наук, доцент кафедры механики сплошных сред и вычислительных технологий механико-математического факультета | PestreninVM@mail.ru |
Пестренина Ирина Владимировна | Пермский государственный университет | кандидат технических наук, доцент кафедры механики сплошных сред и вычислительных технологий механико-математического факультета | IPestrenina@gmail.com |
Ландик Лидия Владимировна | Пермский государственный университет | инженер кафедры вычислительной и экспериментальной механики | LidiaLandik@gmail.com |
Всего: 3
Ссылки
Williams M.L. Stress singularities resulting from various boundary conditions in angular corners in extension // J. App. Mech. 1952. V. 19. P. 526-528.
Андреев А.В. Суперпозиция степенно-логарифмических и степенных сингулярных решений в двумерных задачах теории упругости // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2014. № 1. С. 5-30.
Рязанцева Е. А. Метод граничных состояний в задачах теории упругости с сингулярностями физического и геометрического характера: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.02.04 / Е.А.Рязанцева. Липецк, 2015. 215 с.
Kσvalenko, M.D., Menshova, I.V., Kerzhaev, A.P. et al. Mixed boundary value problems in the theory of elasticity in an infinite strip // Acta Mech. 2018. 229. 4339. DOI: 10.1007/s00707-018-2244-x.
He Z., Kotousov A. On Evaluation of Stress Intensity Factor from In-Plane and Transverse Surface Displacements // Experim. Mech. 2016. V. 56. No. 8. P. 1385-1393. DOI: 10.1007/s11340-016-0176-8.
Xu W., Tong Z., Leung, A.Y.T., Xu X., Zhou Z. Evaluation of the stress singularity of an interface V-notch in a bimaterial plate under bending // Eng. Frac. Mech. 2016. V. 168. P. 1125. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2016.09.009.
Koguchi H., Antonio da Costa J. Analysis of the stress singularity field at a vertex in 3D-bonded structures having a slanted side surface // Int. J. Solids and Struc. 2010. V. 47. P. 3131-3140. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2010.07.015
NKemzi B. On solution of Lame equations in axisymmetric domains with conical points // Math. Methods Appl. Sciences. 2005. V. 28. No. l. P. 29-41.
Корепанова Т.О., Матвеенко В.П., Шардаков И.Н. Аналитические построения собственных решений для изотропных конических тел и их приложения для оценки сингулярности напряжений // Докл. АН. 2014. Т. 457. № 3. С. 286-291. DOI: 10.7868/ s0869565214210105.
Koguchi H., Muramoto T. The order of stress singularity near the vertex in three-dimensional joints // Int. J. Solids and Structures. 2000. V. 37(35). P. 4737-4762. DOI: 10.1016/S0020-7683(99)00159-6.
Mittelstedt C., Beder W. Efficient computation of order and mode of three-dimensional stress singularities in linear elasticity by the boundary finite element method // Int. J. Solids and Structures. 2006. V. 43. No. 10. P. 2868-2903. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.05.059.
Lee Y., Jeon I., Im S. The stress intensities of three-dimensional corner singularities in a laminated composite // Int. J. Solids and Struc. 2006. V. 43(9). P. 2710-2722. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.06.050.
Zhixue W. A method for eliminating the effect of 3-D bi-material interface corner geometries on stress singularity // Engineering Fracture Mechanics. 2005. V. 73(7). P. 953-962. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2005.10.010.
Koguchi H., da Costa J. A. Analysis of the stress singularity field at a vertex in 3D-bonded structures having a slanted side surface // Int. J. Solids and Struc. 2010. V. 47. P. 3131-3140. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2010.07.015.
Kovaienko M.D., Menshova I.V., Kerzhaev A.P. On the exact solutions of the biharmonic problem of the theory of elasticity in a half-strip // A.P.Z. Angew. Math. Phys. 2018. No. 69. P. 121-138. DOI: 10.1007/s00033-018-1013-y.
Apel Т., Mehrmann V., Wathns D. Structured eigenvalue methods for the computation of corner singularities in 3D anisotropic elastic structures // Comput. Methods Appl. Mech. Engng. 2002. No. 191. P. 4459-4473.
Wu Z. A method for eliminating the effect of 3-D bi-material interface corner geometries on stress singularity // Eng. Fract. Mech. 2006. V. 73. No 7. P. 953-962. DOI: 10.1016/ j.engfracmech.2005.10.010
Miyazaki T., Inoue T., Noda N.A. Practical method for analyzing singular index and intensity of singular stress field for three dimensional bonded plate (Conference Paper) // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 372(1). P. 0120022018.
Ping X., Chen M., Zhu W., Xiao Y., Wu W. Computations of Singular Stresses Along ThreeDimensional Corner Fronts by a Super Singular Element Method // Int. J. Comp. Methods. 2017. V. 14(6). P. 1750065
Пестренин В.М., Пестренина И.В., Ландик Л.В. Ограничения на параметры напряженного состояния в вершине кругового конуса // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2018. № 52. С. 89-101. DOI: 10.17223/ 19988621/52/9.
Pestrenin V. M., Pestrenina I. V., Landik L.V. Nonstandart problems for structural elements with spatial composite ribs// Mechanics of Composite Materials. 2015. V. 51. No. 4. P. 489504. DOI: 10.1007∕s11029-015-9520-9.
Pestrenin V.M., Pestrenina I.V. Constraints on stress components at the internal singular point of an elastic compound structure // Mechanics of Composite Materials. 2017. V. 53. No. 1. P. 107-116. DOI: 10.1007/s11029-017-9644-1.
Pestrenin V. M., Pestrenina I. V., Landik L.V. Otress state at the vertex of a composite wedge, one side of which slides without friction along a rigid surface // Latin American Journal of Solids and Structures. 2017. V. 14. No. 11. P. 2067-2088. DOI: 10.1590/1679-78253826.
Pestrenin V.M., Pestrenina I.V., Landik L.V. Restrictions on the stress components in the edge points of the homogeneous elastic body // Engineering Solid Mechanics. 2019. V. 7. No. 3. P. 229-246. DOI: 10.5267/j.esm.2019.5.001.