Интенсивное развитие авиационной и космической техники, машино-и судостроения дало мощный толчок развитию численных методов решения инженерных задач, к каковым относится анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций. Несомненный успех в развитии вычислительной техники во многом стимулировал это развитие. Сегодня существует достаточно мощный аппарат вычислительных методов, и эффективное использование вычислительной техники для их реализации требует расширения границ исследования двумерных задач теории упругости. Метод граничных интегральных уравнений (МГИУ) в настоящее время является одним из современнейших методов решения краевых задач, несомненно, имеет большие перспективы в будущем. При всем многообразии существующих методов решения двумерных задач метод сингулярных интегральных уравнений (СИУ) обладает неоспоримыми достоинствами. Исторический обзор по становлению и развитию метода граничных интегральных уравнений можно найти, например, в монографиях [88,134].
К одной из важнейших сторон современной технологической революции относится создание и широкое использование в технике новых неоднородных анизотропных материалов композиционного строения. Одним из основных преимуществ композиционных материалов (КМ) по сравнению с традиционными сплавами является высокая удельная прочность и жесткость в выбранных направлениях, что обуславливает эффективность их применения в авиакосмических конструкциях. В инженерной практике остро встал вопрос изучения полей напряжений и деформаций в таких широко применяемых сложных элементах конструкций из сплавов и КМ. Эти исследования являются основополагающими при расчете на прочность и долговечность, а потому разработка эффективных методов расчета двумерных изотропных и анизотропных тел — актуальная задача.
К настоящему времени плоская задача теории упругости достаточно полно исследована и методы решения возникающих краевых и контактных задач в анизотропных пластинах с концентраторами напряжений (КН) в виде отверстий, трещин, включений и подкреплений соответственно хорошо развиты. Основополагающие результаты здесь были получены отечественными учеными, академиками АН СССР Н. И. Мусхелишвили, А. Ю. Ишлинским, В. В. Новожиловым, Ю. Н. Работновым, Л. И. Седовым, P.A. Христиановичем. Существенный вклад в развитие этого направления внесли: В. М. Александров, А .Я. Александров, И. И. Ворович, JI.A. Галин, Д. В. Грилицкий, Э.И. Гри-голюк, А. Н. Гузь, С. Е. Инглис, Г. Ирвин, Г. В. Колосов, С. А. Калоеров, A.C. Космодамианский, С. Г. Лехницкий, A.M. Линьков, В. Н. Максименко, Р. Д. Миндлин., Е. М. Морозов, В. А. Осадчук, Б. Л. Пелех, В. В. Панасюк, В.З. Пар-тон, П. И. Перлин, Г. Я. Попов, Г. Н. Савин, М. П. Саврук, Си Г., Л. И. Слепян, Ю. И. Соловьев, О. Тамате, А. Г. Угодчиков, А. Ф. Улитко, А. Ф. Уфлянд, Л. А. Фильштинский, Н. П. Флейшман, В. П. Черепанов, Д. И. Шерман, С. Я. Ярема и др.
Значительно менее исследованной представляется задача изгиба тонких пластин. Прежде всего, это объясняется приближенностью при решении задачи классической теории изгиба Кирхгофа, создающей определенные трудности, несмотря на аналогию с плоской задачей в записи краевых условий. Исследования по теории изгиба тонких плит связаны с работами Амбарцумя-на С.А. [78], Артюхина Ю. П. [81], Бережницкого Л. Т. [85,86,87], Вильямса М. Л. [73], Грилицкого Д. В. [108,109, 110], Исиды М. [29, 30], Калоерова С. А. [124, 125], Лехницкого С. Г. [143,144], Пелеха Б. Л. [177], Пелеха С. А. [178], Максименко В. Н. [45−47,150,160−162 180−187], Попова Г. Я. [192], Прусова И. А. [193, 106], Рейсснера Э. [48], Тамате 0. 64,-67], Филынтинского Л. А. [213,214], Хасебе Н. [17−23] и др.
В настоящей работе развивается приложение метода граничных сингулярных интегральных уравнений к решению задач изгиба бесконечных анизотропных пластин с КН в виде трещин, отверстий, а также имеющих подкрепления в виде абсолютно жестких стержней и стержней с конечными из-гибной и крутильной жесткостями. Отдельно рассматривается приложение.
СИУ к задачам изгиба конечных многосвязных (в том числе консольных) пластин из анизотропных материалов. Следующий ниже обзор посвящен задачам изгиба многосвязных анизотропных бесконечных и конечных пластин.
Обзор состояния вопроса. По современным представлениям разрушение высокопрочных материалов и изготавливаемых из них элементов конструкций происходит путем распространения трещин, поскольку в реальном материале всегда имеются или возникают в процессе деформирования дефекты типа трещин (остроконечные полости, жесткие включения и т. п.) Так как предотвращение появления дефектов типа трещин является трудной технологической задачей, то при оценке несущей способности конструкций предполагается наличие трещин, которые имеются в структуре реальных тел и определяют те условия, при которых происходит распространение наиболее опасной трещины, приводящей к локальному или полному разрушению тела.
Основы теории распространения трещины в хрупких материалах были заложены в работах Гриффитса [12,11], где на основе энергетического метода решена задача о необходимой предельной разрушающей нагрузке для бесконечной однородной пластины с прямолинейной макроскопической трещиной фиксированной длины в условиях растяжения.
Упругие напряжения в окрестности концов трещины можно представить в виде К/у/г + О (г), где г — малое расстояние от вершины трещины, К-коэффициент интенсивности напряжений, О (г) — ограниченная величина при г —>0. Согласно Л. Ирвину [28,27], распространение трещины наступает тогда, когда коэффициент упругих напряжений достигает некоторого (постоянного для данного материала при заданных условиях) значения. Таким образом, величина этого коэффициента может служить характеристикой поля напряжений в окрестности вершины трещины.
Первыми работами по расчету пластин, ослабленных дефектами типа трещин, можно считать исследования Колосова [129] и Инглиса [26], впервые рассмотревших задачу о растяжении бесконечной пластины с эллиптическим отверстием, т.к. прямолинейная трещина — частный случай эллиптического отверстия. Для оценки предельного равновесия изгибаемых или растягиваемых пластин необходимо установить распределение напряжений и перемещений в окрестности вершины трещины. Асимптотические формулы локального поля напряжений вблизи вершины трещины в условиях плоского растяжения впервые даны в работах [26,28,202, 73]. M.JT. Вильяме, исходя из теории Кирхгофа и используя метод собственных функций, дал распределение напряжений вблизи прямолинейной трещины в изгибаемой изотропной пластине [72]. Им было установлено, что в случае изгиба, как и при растяжении, особенность напряжений обратно пропорциональна квадратному корню расстояния от вершины трещины.
Дж. Си и Д. Райе [203] обобщили результаты Вильямса на случай изгиба моментами и поперечной нагрузкой пластин, состоящих из разных материалов, с трещиной на линии соединения. Они показали, что напряжения вблизи вершины трещины обратно пропорциональны корню квадратному расстояния до угловой точки дефекта и имеют осцилирующий характер, причем эти колебания локальны. При одинаковых упругих свойствах материалов результаты Си и Райса сводятся к результатам Вильямса [211].
Асимптотические формулы локального напряженно-деформированного состояния вблизи вершины жесткого остроугольного включения при изгибе пластин Кирхгофа были впервые даны в работе [216] Я. П. Хруща, М. В. Делявского, JI.T. Бережницкого. В работе [175] на основании существующей аналогии между формулировками основных задач плоской теории упругости и классической теории изгиба тонких пластин с единых позиций дано полное распределение напряжений и перемещений возле остроконечного дефекта (трещины или жесткого включения) с точками возврата на контуре.
Ф. Гейдон и В. Шеффелд рассмотрели изгиб перерезывающими силами пластины в форме кардиоиды [8]. Ими было отмечено, что в отличие от тангенциальных смещений прогиб пластины вблизи вершины дефекта прямо пропорционален расстоянию до вершины дефекта в степени три вторых.
В работах Л. Ирвина, Г. П. Черепанова [28,219] доказано, что асимптотическое распределение напряжений не зависит от конфигурации дефекта. Доказательство этого положения можно также найти в монографии [86].
Используя уравнения классической теории Кирхгофа, О. Тамате рассмотрел задачу об изгибе бесконечной изотропной пластины, ослабленной дугообразной круговой трещиной [65]. Изучению напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине трещины, расположенной на контуре кругового включения в бесконечной пластине при изгибе, посвящена статья А. Перельмана и Дж. Си [43].
Г. Рич и Р. Роберте исследовали изгиб бесконечной изотропной пластины, ослабленной круговым отверстием с одной и двумя прямолинейными трещинами, выходящими на его контур [196]. При решении использовался метод полиномиального представления Бови. Однако их решение представляется некорректным с точки зрения учета действительной константы, входящей в граничные условия теории Кирхгофа. Этим же недостатком страдают работы [43,65].
Задача изгиба полубесконечной изотропной пластины, ослабленной треугольным надрезом, от вершины которого распространяется трещина перпендикулярная свободному краю, решена Н. Хасебе в работе [17]. Для решения используется отображение на внешность единичного круга рациональной функцией. С применением метода Н. И. Мусхелишвили получено распределение напряжений и коэффициентов интенсивности для различных углов надреза и различной длины трещины. Задачи для бесконечной изотропной полосы с двумя краевыми трещинами исследованы в работах [23, 18] того же автора. Результаты численного эксперимента для задач об изгибе бесконечной изотропной пластины с трещиной, имеющей ответвления на противоположных концах представлены в [20]- в [23] также рассмотрены задачи о трещинах на линии соединения полуполосы и полубесконечной пластины. В.
21] рассматривается изгиб изотропной полосы с уступом и трещиной. В работе [22] проанализирован случай упругой полуплоскости, свободно опертой на прямолинейном крае, с трещиной. Решение во всех работах этого автора строилось с помощью метода комплексной переменной с использованием рациональной отображающей функции. Получены общие решения в замкнутой форме.
Метод конечных элементов используется в работе В. Вильсона и Д. Томпсона, где рассматривается задача изгиба бесконечной изотропной пластины и полосы, ослабленных прямолинейными трещинами [75], такой же подход используется в задаче изгиба конечных пластин, ослабленных трещинами, под действием поперечной нагрузки в статье [4], где прогибы, в пределах сингулярных и регулярных конечных элементов, аппроксимируются по-разному.
В работе [19] исследуется НДС полубесконечной изотропной пластины, вдоль прямолинейного свободного края усиленной ребром конечной длины, у конца которого имеется прямолинейная трещина. Задача решается в комплексных потенциалах, причем область пластины конформно отображается на круг единичного радиуса. Исследуется зависимость коэффициента интенсивности напряжений от отношения длины подкрепляющего ребра к длине трещины.
В работе [221] предложен приближенный способ описания контакта берегов разреза при изгибе изотропной пластины в рамках двумерной теории Кирхгофа. Напряженное состояние пластины, изгибаемой равномерно распределенными на бесконечности моментами, вне прямолинейного разреза описывается парой несвязанных бигармонических уравнений обобщенного плоского напряженного состояния и изгиба пластин. На контактирующих берегах разреза неизвестное контактное давление заменяется статически эквивалентной системой: нормальными усилиями в срединной поверхности пластины и изгибающими моментами. Краевая задача сводится к нелинейному сингулярному интегро-дифференциальному уравнению, решение которого найдено в замкнутом виде, определены коэффициенты интенсивности усилий и моментов в окрестности концов разреза.
Контакт берегов прямолинейной трещины в анизотропной плите учитывается в работе [24].
Задача изгиба бесконечной микронеоднородной пластины, содержащей макротрещину свободную от усилий, решалась в работе [114]. Предполагалось, что в окрестности вершины трещины всегда можно выделить структурную область, где материал в среднем однородный и изотропный, со свойствами, эквивалентными макроскопическим свойствам пластины в целом.
Метод определения коэффициентов интенсивности напряжений для изгибаемой пластины с трещиной, использующий функцию напряжений Вес-тергарда, предложен в [71].
В работе [115] авторы, используя существующую аналогию между плоской задачей и задачей изгиба пластин Кирхгофа, получили распределение постоянных членов в компонентах напряжений в вершине для любого остроконечного дефекта. На необходимость учитывать не только сингулярные члены в компонентах напряжений, но и постоянные составляющие, указывается, например, в [68].
П. Теокарис использовал экспериментальный метод каустик при определении комплексных коэффициентов интенсивности напряжений у вершины сквозной трещины в пластине при асимметричном изгибе [69], им же приводятся результаты исследований, проведенных на образцах из плексигласа и стали.
В работах [29,30] рассмотрены задачи об изгибе бесконечных изотропных пластин, содержащих систему прямолинейных разрезов. При решении использован метод разложения комплексных потенциалов в ряд Лорана.
О. Тамате решил в рамках теории Рейсснера задачу об изгибе бесконечной изотропной плиты с круговым отверстием и радиальной трещиной [64], используя для этого метод сингулярных интегральных уравнений.
В работе [32] решена задача изгиба пластины с центральным прямолинейным разрезом распределенными краевыми изгибающими моментами. Авторы, используя МКЭ, сделали попытку учесть влияние берегов разреза в зоне сжатия и пластических деформаций у вершин разреза. Отмечено, что учет смыкания берегов ведет к появлению напряжений в срединной плоскости пластины и возрастанию коэффициентов интенсивности напряжений примерно на 20%, увеличению раскрытия трещины в растянутой зоне. Зоны пластичности в окрестности вершин уменьшаются, что объясняется увеличением изгибной жесткости.
Рядом авторов задача изгиба пластин с дефектами типа трещин решалась на основании уточненных теорий изгиба, поскольку классическая теория (Кирхгофа) является приближенной, вследствие чего распределение напряжений в малой окрестности вершины дефекта будет нарушено.
Д. Ноулз и Н. Ван, исходя из теории Рейсснера (теория шестого порядка) рассмотрели задачу об изгибе бесконечной пластины с прямолинейной трещиной, на контуре которой все три краевых условия выполняются точно [35]. Ими было показано, что распределение напряжений в пластине с нулевой толщиной совпадает с распределением напряжений в пластине подвергнутой растяжению. А коэффициенты интенсивности напряжений, получаемые согласно теориям Рейсснера и Кирхгофа, отличаются на постоянный множитель. При этом перерезывающие напряжения, в отличие от теории Кирхгофа, остаются ограниченными при подходе к вершине трещины.
С позиции теории Рейсснера решена задача изгиба полосы с двумя прямолинейными разрезами, расположенными симметрично относительно средней линии полосы [3]. Помимо изгиба пластина подвергнута растяжению, исключающему контакт берегов разреза. Решение задачи строится с применением интегрального преобразования Фурье. Получено интегральное уравнение задачи, из которого определены коэффициенты интенсивности напряжений.
С использованием уточненной модели С. П. Тимошенко, учитывающей слабую сдвиговую жесткость материала, решалась задача об изгибе свободно опертой прямоугольной пластинки, содержащей прямолинейную трещину параллельную одной из координатных осей [107]. На берегах разреза действуют изгибающий момент и поперечная сила. Задача сведена к интегральному уравнению, решенному методом ортогональных многочленов.
В рамках теории, учитывающей нелинейность распределения напряжений по толщине пластины, задачи изгиба пластин решались рядом авторов [15,55]. Дж. Си и Р. Хартранфт распространили полученный в работе [35] результат на случай пластины конечной толщины, ослабленной сквозной трещиной [15]. Используя метод интегральных преобразований, они показали, что коэффициенты интенсивности напряжений зависят от отношения толщины пластины к длине трещины, причем незначительное изменение толщины пластины может значительно повлиять на распределение напряжений в окрестности вершин. В работе [55] Дж. Си, используя теорию пластин Гольденвейзера, приводит распределение напряжений в окрестности вершин разреза в неограниченной пластине.
Однако, несмотря на то, что уточненные теории позволяют удовлетворить всем трем краевым условиям на контуре пластины, они являются двумерными, как и теория Кирхгофа. В силу этого они не могут точно описать НДС вблизи вершины трещины. Точная картина распределения напряжений может быть получена лишь с применением трехмерной теории упругости [16].
Несомненно, важным представляется вопрос о влиянии анизотропии упругих свойств материала на НДС в окрестности вершин дефекта. До недавнего времени работы в этом направлении, применительно к теории изгиба пластин, отсутствовали. Впервые изгиб ортотропной пластины с прямолинейной трещиной, расположенной вдоль одного из главных направлений, изучался М. Вильямсом и Д. Энгом [1], где авторами с использованием метода интегральных преобразований определено общее НДС, однако, анализ асимптотических формул в окрестности вершин проведен не был.
Авторами статьи [87] была рассмотрена задача изгиба анизотропной неограниченной пластины, ослабленной прямолинейным разрезом. Комплексные потенциалы С. Г. Лехницкого [143] построены с использованием конформного отображения внешности разреза на внешность единичного круга.
Составная анизотропная пластина с прямолинейными трещинами, лежащими на границе раздела рассмотрена в [14]. Изгиб неограниченных изотропной и анизотропной пластин с эллиптическим отверстием под действием сосредоточенных нагрузок рассмотрен в [25,62].
Задачу об изгибе сингулярными нагрузками бесконечной анизотропной пластины с эллиптическим отверстием исследовали авторы в [160, 180]. Для построения решения используется конформное отображение внешности эллиптического отверстия на внешность единичного круга и обратное преобразование, а также процедура вычисления интегралов типа Коши по контуру единичного круга. Рассмотрены различные варианты краевых условий на контуре отверстия и внешней нагрузки, определены в замкнутом виде выражения для действительных констант в случае решения первой краевой задачи.
JI.A. Филынтинским и В. Н. Хандогиным задача изгиба анизотропной неограниченной пластины, ослабленной системой криволинейных непересекающихся разрезов, нагруженной самоуравновешенными усилиями, приложенными к берегам разрезов, и изгибающими моментами на бесконечности, была сведена к системе сингулярных интегральных уравнений с дополнительными условиями, накладываемыми на перемещения в пластине [214]. Подобная же методика использовалась в [213] для решения задачи изгиба анизотропной полуплоскости с разрезами.
Метод сопряжения использовался в [106,193] при решении задачи об изгибе бесконечной анизотропной пластины с прямолинейными трещинами, расположенными на одной прямой.
В работах [168,178] авторами исследовалось влияние анизотропии материала по толщине изгибаемой пластины на интенсивность и распределение напряжений возле прямолинейного сквозного разреза на основе теории трансверсально-изотропных плит шестого порядка.
Обзор работ по изгибу изотропных бесконечных пластин, содержащих тонкие жесткие включения можно найти в монографиях [86, 192,193].
Грилицкий Д.В., Опанасович В. К., Драган М. С. исследовали задачи изгиба и кручения бесконечных изотропных плит с упругими линейными включениями [109, 110]. В работах предложена модель тонкого упругого включения, осуществлена постановка и решение задачи цилиндрического изгиба пластины с системой тонких прямолинейных упругих включений, изгибаемой и скручиваемой моментами на бесконечности. Задача сведена к системе сингулярных интегро-дифференциальных уравнений, решаемой методом механических квадратур.
Калоеров С.А., Вакуленко C.B. исследовали задачу об изгибе бесконечной изотропной пластинки, имеющей отверстия, трещины и жесткие включения [125]. В основе метода определения НДС лежит решение в замкнутом виде задачи об изгибе бесконечной плиты с одним эллиптическим отверстием.
Решение задачи об изгибе упругих пластин, подкрепленных тонкими упругими незамкнутыми стержнями, сводится к определению контактных усилий взаимодействия пластины и стержня. Эти задачи приводятся к интегральным уравнениям со специальной характеристической частью [172,173]. Для пластин с упругими линейными включениями переменной жесткости некоторые результаты можно найти в [53,54]. Определение неизвестных контактных усилий здесь также сводится к решению интегро-дифференциального уравнения со специальной характеристической частью.
Из приведенного обзора следует, что в большей части цитированных работ речь идет об изотропных пластинах, при этом рассматриваются одиночные дефекты простой формы — в виде прямолинейных отрезков, дуг окружности. Не исследуется взаимовлияние дефектов, влияние границ пластины на характер НДС.
Изгибу конечных многосвязных пластин в литературе уделено мало внимания, что объясняется определенными трудностями, возникающими при решении подобных задач. Большой теоретический и практический интерес представляет исследование влияния внешних границ деформируемого тела на характер изменения интенсивности напряжений вблизи вершин дефекта. В отличие от плоской задачи в теории изгиба пластин перечень работ, посвященных этому вопросу, довольно невелик.
Изгиб изотропной круглой пластины с центрально размещенной прямолинейной трещиной моментами, действующими по внешнему контуру пластины, исследовался в работе [85].
Метод конечных разностей использовался при расчете на изгиб квадратной платины с прямыми разрезами [93]. Прямоугольные изотропные пластины с трещинами параллельными одной или двум сторонам прямоугольного плана под действием поперечной нагрузки рассматривались в работе [167]. Для учета указанных разрезов вводятся обобщенные разрывные функциикак в дифференциальные соотношения теории тонких пластин, так и в искомые решения. С помощью системы разрезов, образующих замкнутый или незамкнутый прямоугольный контур, решается задача для пластины с вырезом или отверстием.
Методом конечного элемента решена задача изгиба квадратной пластины со сквозной трещиной в рамках теории Рейсснера в работе [49]. В окрестности трещины вводились специальные сингулярные элементы, на удалении применялась полиномиальная аппроксимация. Исследовались зависимости распределения напряжений от толщины пластины, от соотношения между длиной трещины и размерами пластины, а также от формы сингулярных элементов.
Метод решения задачи изгиба пластин, ограниченных многосвязными контурами описан в статье [124]. Метод основан на решении задачи сопряжения для разомкнутых контуров многосвязной области. В качестве примера рассмотрена круглая плита с центральной трещиной под действием сосредоточенной силы.
В работе Кулакова В. М., Толкачева В. М. [135] метод компенсирующих нагрузок используется для решения краевой задачи изгиба тонкой упругой изотропной пластинки произвольной формы. Исследуя свойства предельных значений встречающихся интегралов и производя их регуляризацию, авторы получают систему интегральных уравнений Фредгольма второго рода для определения компенсирующих нагрузок.
В работах [98−100] на основе метода компенсирующих нагрузок построена методика решения задач изгиба конечных изотропных пластинок, имеющих различные условия опирания на внешнем контуре. Определяется общее НДС не только в пластине, но и в окрестности угловых точек. Задача сводится к регулярным интегральным уравнениям, которые решаются численным методом.
М.В. Делявским и Л. П. Мазураком предложена методика приближенного определения коэффициента интенсивности напряжений при всестороннем изгибе треугольной плиты, ослабленной дефектами типа трещин или жесткими остроугольными включениями [116,117]. Внешность дефекта конформно отображается на внешность единичного круга. Краевое условие на контуре дефекта выполняется точно, на сторонах пластины — приближенно. Существенно, что размер дефекта мал по сравнению с размерами пластины.
Г. В. Гапонов дал приближенное решение задачи круглой шарнирно опертой по круговому контуру пластины с центральной трещиной от действия равномерно распределенного давления [102]. Используется метод наложения. Отдельно решается задача изгиба бесконечной пластины с прямолинейным разрезом, загруженным моментами, возникающими по линии разреза в сплошной круговой пластине от действия внешней нагрузки, полученное решение затем корректируется для выполнения условий шарнирного опира-ния по контуру круговой пластины. Полученное решение является приближенным, дан анализ погрешности решения. Круглая изотропная пластинка с центральной трещиной исследовалась в работе [147].
Исследования для кольцевой изотропной пластинки с жестко защемленными внутренним и свободным внешним краями под действием поперечной сосредоточенной нагрузки, приложенной в произвольной точке, проведены в работе [5]. Решение построено с использованием тригонометрических рядов. В работе [205] рассмотрена изотропная пластинка, нагруженная в некоторой точке сосредоточенной силой. Внешний контур плиты несильно отличается от кругового и жестко заделан, а внутренний — круговой, свободен от закрепления. Задача решена методом малого параметра.
В работе [132] решена задача об изгибе тонких изотропных пластин, имеющих форму сектора или кругового прямоугольника. Радиальные края изучаемых пластин упруго оперты, а дуговые края могут иметь любые условия опирания. С помощью метода декомпозиции уравнений получено приближенное аналитическое решение поставленной задачи.
С.А. Кулиев рассмотрел задачу изгиба анизотропной пластинки, ограниченной снаружи эллиптическим контуром, а изнутри круговым с двумя примыкающими разрезами одинаковой длины [136]. При помощи полиномов Фабера задача сводится к решению четырех систем бесконечных линейных алгебраических уравнений.
В работе [190] изучается изгиб шарнирно опертой прямоугольной ор-тотропной пластинки с тонким жестким включением. С помощью преобразования Фурье задача сводится к интегральному уравнению, решение которого ищется в классе функций с неинтегрируемыми особенностями.
Применению метода конечных элементов к задачам изгиба конечных пластин, ослабленных трещинами, посвящена работа [4]. В данной работе использованы специальные сингулярные конечные элементы, причем аппроксимация сингулярных и регулярных конечных элементов осуществляется по-разному.
В.И. Копнина, Е. И. Мельников предложили решение задачи изгиба анизотропной эллиптической плиты с внецентренным эллиптическим отверстием [131]. Внешний контур плиты или закреплен или свободен, а по внутреннему распределен изгибающий момент постоянной интенсивности. Метод решения задачи основан на представлении искомых комплексных функций двумя рядами, один из которых содержит полиномы Фабера.
Как видно из настоящего обзора, задачам изгиба анизотропных пластин, ослабленных трещинами сложной формы, уделено недостаточно внимания, а исследования для ветвящихся и краевых трещин практически отсутствуют.
Практический интерес представляют задачи изгиба пластин с негладким контуром и со смешанными краевыми условиями. Оценка прочности и жесткости инженерных конструкций часто связана с анализом НДС консольных пластин. Консольные пластины с защемленной прямолинейной кромкой могут служить моделями крыла малого удлинения летательного аппарата, оперения реактивных снарядов или ракет. Секториальная пластина с защемленной дуговой кромкой — аналог лопатки рабочего колеса турбины, консольной же пластиной моделируется киль легкого судна. В строительствеэто различного рода козырьки, балконные плиты.
Интегрирование уравнения изгиба пластин при смешанных краевых условиях, когда на части контура заданы прогибы и углы поворота, а на оставшейся части краевая нагрузка (нормальный изгибающий момент и обобщенная перерезывающая сила) до сих пор представляет сложную задачу. Сложности возрастают с появлением на контуре угловых точек. Впервые к задачам изгиба консольных пластин обратились в середине прошлого века [31,36] и, начиная с этого времени, много исследователей трудилось над этой проблемой.
При расчете консольных пластин в ряде работ использовались различные упрощающие гипотезы. В одних случаях [166] - это гипотеза о недеформируемости поперечного сечения консольной пластины, когда функция прогибов может быть представлена в виде = щ (х) + у (р (х), что позволяет свести задачу к интегрированию обычных дифференциальных уравнений для функций щ{х),(р{х). В работе [166] приводятся результаты расчетов по определению центров жесткости крыльев различной формы в плане с жесткими поперечными сечениями. Подобное же допущение используется в [176], где решается задача об изгибе и кручении полосы. В работе [95] М. Б. Вахитов показал, что данная гипотеза в случае пластин переменной хорды и сложного закона распределения поперечной нагрузки приводит к существенным погрешностям, т.к. предполагает линейное распределение поперечной силы в сечении пластины параллельном линии защемления. Методика работ [166,176] применяется при расчете пластины с ортотропной структурой в [52], а также при расчете изотропной консольной пластины под действием равномерной поперечной нагрузки [48]. В ряде работ прогибы в поперечном направлении аппроксимируются параболой [10,59]. Причем в [10] рассматривается изгиб ортотропного крыла и прогиб аппроксимируется полиномом либо вдоль хорды, либо по размаху, при этом подробно рассматриваются два варианта заделки крыла в фюзеляж. В работе [128] получены дифференциальные уравнения изгиба пластины в напряжениях, которые решаются методом Бубнова-Галеркина, при этом автором используется та же гипотеза о недеформируемости контура поперечного сечения. Исследованы случаи прямоугольной пластины, нагруженной равномерным и гидростатическим давлением, получены формулы для напряжений в пластине.
Многими исследователями применялся вариационный подход к решению задач изгиба консольных пластин. В работе [119] использован вариационный метод В. З. Власова. Функционал потенциальной энергии записывается в форме Лагранжа. В качестве примера рассмотрен изгиб пластины в виде прямоугольного треугольника, шарнирно опертой вдоль катетов, от равномерно распределенной нагрузки. Причем один из катетов существенно больше другого, что позволяет аппроксимировать прогибы в направлении перпендикулярном длинному катету линейной функцией от координаты. В статье [140] выводится вариационное уравнение Лагранжа для консольных пластин с угловыми точками на свободной части контура. Для построения общего интеграла используются однородные алгебраические полиномы, удовлетворяющие уравнению изгиба и кинематическим граничным условиям. Решается задача изгиба консольной пластины в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, защемленного по гипотенузе и нагруженного сосредоточенной силой в выступающем углу, анализируются полученные результаты. Прием, основанный на вариационном методе В. З. Власова — Л. В. Канторовича, используется в работе [195] при расчете пластин сложной формы и переменной в общем случае толщины. Однако, разрешающие уравнения получены не вариационным путем, а применением процедуры типа БубноваГалеркина. После вычисления квадратур задача сводится к интегрированию системы обыкновенных дифференциальных уравнений 4-го порядка с переменными коэффициентами. Пластины со сложным контуром разбиваются на простые пластины (прямоугольные, треугольные) и затем решения «склеиваются» вдоль линии разреза, причем, одно из кинематических условий выполняется в интегральном смысле. Получены результаты, приводятся графики прогибов и напряжений для пластин треугольной, трапециидальной и прямоугольной формы. Метод Ритца используется в работе [112] при определении НДС пластины переменной толщины. Рассмотрены прямоугольные пластины с линейно меняющейся толщиной по хорде под действием равномерно распределенной нагрузки. Аналогичная процедура осуществляется в [61], однако, аппроксимирующие функции в выражении для прогибов задаются в виде ортогонализированных полиномов. Приводятся таблицы с вычисленными в них коэффициентами полиномов. Рассмотрена прямоугольная пластина, нагруженная сосредоточенной силой в углу и равномерно распределенной нагрузкой. Вариационный метод используется в работах [137,138], где функционал потенциальной энергии записывается в форме Кастильтяно. Аппроксимирующие функции задаются в виде полиномов Лежандра по хорде и удовлетворяют граничным условиям на продольных кромках пластины. Такой подход позволяет заранее удовлетворить граничным условиям на большей части контура. Метод корректирующей функции используется в [215] при расчете прямоугольных и треугольных пластин. В качестве исходного принимается балочное решение \?о (х, у), которое затем уточняется слагаемыми вида =/?(х)-<�р{(у). Корректирующие функции щ (у) находятся вариационным методом последовательных приближений. Подход к решению задачи в работе [6] аналогичен используемому в [137] с той лишь разницей, что напряжения по хорде записываются в виде рядов Фурье.
Задача изгиба прямоугольной консольной пластины с толщиной меняющейся по линейному закону в направлении перпендикулярном защемленной кромке решена в работе [206] методом Канторовича для случая постоянной распределенной внешней нагрузки. Для получения системы разрешающих уравнений был использован вариационный принцип Лагранжа.
Довольно часто при решении задачи изгиба консольных пластин используются дискретные методы. Так в [96] решение строится на гипотезе плоских сечений. Решение уравнения изгиба сводится к определению функции закручивания по размаху. Основное дифференциальное уравнение заменяется интегральным с последующим представлением интегралов в виде конечных сумм. Полученное уравнение решается с помощью аппарата интегрирующих матриц. В качестве примера рассмотрены стреловидное и треугольное крыло. В работе [179] рассмотрен изгиб прямоугольной косозащем-ленной пластины с толщиной, меняющейся по размаху. Прогибы аппроксимируются полиномом в продольном направлении х (по размаху), частные производные по у заменяются конечными разностями. В результате от уравнения в частных производных приходят к системе обыкновенных линейных уравнений с постоянными коэффициентами для определения постоянных множителей в полиномиальном представлении. М. Б. Вахитовым был предложен так называемый «метод прямых» [97]. В качестве неизвестных принимаются прогибы вдоль прямых линий параллельных оси направленной по размаху. В выражении для внутренней энергии интегралы по хорде вычисляются по какой-либо интерполяционной формуле, причем производные по оси вдоль хорды заменяются центральными разностями. Используя далее принцип возможных перемещений, получают систему дифференциальных уравнений для определения неизвестных функций. При интегрировании системы применялся аппарат интегрирующих матриц. Такой подход позволяет для каждой прямой выполнять различные краевые условия.
Вариационно-разностный метод применялся при расчете стреловидного крыла со сходящимися кромками в работе [122]. Энергия деформции стреловидного крыла записывается в косоугольно-полярной системе осей координат. Частные производные по угловой координате заменяются конечными разностями, что позволяет перейти к системе функций, зависящих от одной переменной. Далее применяется метод Ритца. В работе того же автора [123] сделана попытка проектирования равнопрочной конструктивно-анизотропной пластины. Неизвестной функцией является толщина пластины. Решение строится по методу последовательных приближений с использованием методики, изложенной в [122].
Конечно-разностная схема применяется в [120,121], где рассматривается задача о стреловидном крыле, принимаемом в виде консольной пластины переменной толщины. Приводятся выражения в конечных разностях для различных узлов сеточной области. Этот же подход использован в [40] для расчета консольной пластины постоянной толщины под действием равномерно распределенной нагрузки. В работе [79] методом сеток решена задача изгиба прямоугольной консольной пластины, нагруженной в выступающем углу сосредоточенной силой, причем автор воспользовался прогибами, вычисленными в [61].
Методом конечных элементов (МКЭ) в работе [204] решается задача о прямоугольной пластине, нагруженной сосредоточенной силой на свободном крае. Для толстых пластин применялся специальный конечный элемент (КЭ), учитывающий сдвиговые деформации. Задача решена в перемещениях. Специальные межфазные КЭ применены при решении задач изгиба стреловидных консольных пластин в [57,58], приводится много иллюстрирующих расчетов, дается сравнение с другими дискретными методами. В работе [218] применением специальных КЭ на довольно грубой сетке получены удовлетворительные результаты для вторых производных от прогиба.
Один из вариантов метода коллокаций (точечного интерполирования) применен в [82] при решении задачи изгиба прямоугольной пластины. Каждое слагаемое функциональной последовательности в представлении для прогиба удовлетворяет уравнению изгиба в области пластины, а неизвестные коэффициенты при них выбираются из условий в точках коллокаций, выбранных на контуре.
Метод итерационного наложения используется при решении задачи изгиба прямоугольной консольной пластины от действия произвольной поперечной нагрузки [207]. Прогиб пластины задается в виде суммы частного решения и двух бесконечных рядов, являющихся бигармоническими функциями. Итерационный процесс наложения решений основан на взаимном поглощении порождаемых невязок выполнения граничных условий задачи.
Уравнения технической теории изгиба пластин в форме Саутвелла решены в [2] методом итераций для случая сосредоточенной и равномерно распределенной нагрузки. Рассмотрены пластины прямоугольной и треугольной формы в плане, результаты расчета представлены в виде графиков напряжений в сечении заделки пластины.
В статье [92] общее решение однородного уравнения изгиба для прямоугольной пластины разыскивается в виде двойного ряда Фурье, для определения коэффициентов которого получена бесконечная система линейных алгебраических уравнений. Подобным образом строится решение и в [194,209].
С привлечением аппарата теории функции комплексного переменного решается задача об изгибе консольной пластинки с гладким контуром в работе [212]. Здесь используется идея метода «дополнительных воздействий» [201]. Решение для пластины с гладким контуром строится по методу Н. И. Мусхелишвили [169]. В статье [111] для решения задачи изгиба прямоугольной пластины предлагаются специальные бигармонические функции (однородные решения). При этом граничные условия на свободной кромке выполняются точно, а на двух других приближенно (равенство нулю главного вектора и главного момента).
В работе [191] для прямоугольной пластины используется метод Леви, получены выражения для прогибов и моментов в виде бесконечных рядов.
Консольным пластинам с прямолинейной защемленной кромкой посвящены работы [126,105]. В статье [126] задача изгиба секториальной пластины переменной толщины, защемленной по части дуговой кромки, решается в полярных координатах методом Ритца. Функции, аппроксимирующие профиль задавались в виде степенных рядов по обеим координатам, нагрузка и толщины задавались в дискретном виде (таблицы). Пластина такого типа имитирует лопасть высоконапорной поворотно-лопастной гидротурбины. В работе [105] рассматривается такая же в плане пластина постоянной толщины. Используется прием наложения решений, чтобы удовлетворить статическим граничным условиям. Одно из слагаемых в выражении для прогиба представляется в виде суммы однородных решений рассматриваемой краевой задачи. Решение приводится к вычислению корней трансцендентного уравнения. Граничные условия вдоль защемленной кромки выполняются приближенно. Соответственно числу корней трансцендентного уравнения на прогиб накладываются дополнительные интегральные условия.
Особо следует сказать об изгибе бесконечных консольных пластин-полок. Этим задачам посвящен целый ряд работ [9,101, 31, 80,]. Так в [101] при некоторых упрощающих допущениях методами сопромата вычисляются максимальные изгибные напряжения в сечении заделки такой пластины, нагруженной сосредоточенной силой на свободном крае. В работе [80] тот же самый прием используется для ортотропной пластины. С использованием интеграла Фурье решается задача изгиба клиновидной пластины под действием сосредоточенной нагрузки, приложенной во внутренней точке пластины [127]. Для случая бесконечной консольной пластины-полки постоянной толщины решение тем же методом получено в [31]. Методом конечных разностей предыдущая задача решается в работе [9]. Задачу для бесконечного клина, защемленного вдоль одной стороны и нагруженного сосредоточенной силой на свободном крае, решил Войновский-Кригер [76] с использованием преобразования Меллина.
Важная роль при оценке точности и достоверности в определении НДС пластин отводится эксперименту. Определению НДС консольных пластин посвящен ряд экспериментальных исследований [171,60,189,41,13]. В работе [13] описан эксперимент, посвященный измерению напряжений в непосредственной близости от сечения заделки прямоугольной консольной пластины. Обработанные результаты тензометрии представлены в виде графиков. Для сравнения приводятся напряжения в том же сечении вычисленные по методике работы [61]. Отмечается хорошее совпадение результатов, исследуется влияние нагрузки, удлинения пластины на распределение напряжений в заделке.
Метод муаровых полос используется в [171] для определения поля прогибов прямоугольной консольной пластины, нагруженной сосредоточенной силой в выступающем углу. Проводится сравнение с результатами, полученными при расчете такой пластины с применением МКЭ. Однако погрешности здесь достигают значительных величин, что затрудняет вычисление напряжений.
Экспериментальные исследования для полок двутавровых балок приведены в [171], при этом использовалась тензометрия и метод муаровых полос. Проводилось сравнение с аналитическим решением, выполненным по методике работы [31]. Отмечается влияние изменения толщины полки на распределение напряжений в полке. С помощью электротензометрии проводилось исследование НДС треугольных консольных пластин в работах [36,60]. Такая же методика применялась в [189] при исследовании НДС толстых ортотропных консольных пластин, проводилось сравнение с результатами расчета по теории, учитывающей поперечные сдвиги.
В работе С. Оте и М. Нисиды [41] проведена серия экспериментов по определению напряженного состояния прямоугольных консольных пластин на моделях из оргстекла. Благодаря оригинальной схеме эксперимента удалось практически точно смоделировать условия жесткого защемления вдоль прямолинейной кромки.
Содержательный обзор работ зарубежных авторов по экспериментально-теоретическому исследованию напряженно-деформированного состояния скошенных консольных пластин содержится в работе М. Л. Вильямса [72]. Здесь впервые отмечен тот факт, что при изгибе консольных пластин со скошенной заделкой (т.е. заделка не перпендикулярна оси пластины) появляется существенная концентрация напряжений в окрестности угловой точки (в сечении заделки) со смешанными краевыми условиями. Анализируя НДС изотропного бесконечного клина со свободной и защемленной сторонами, подверженного изгибу, Л. М. Вильяме установил, что для углов раствора клина, превышающих к/2, напряжения в его вершине становятся бесконечно большими [74]. Этот эффект подтверждается работой, А .Я. Александрова и Н. И. Назарова [77], в которой построено замкнутое решение для скошенной консольной пластины в предположении, что деформированная срединная поверхность пластины является развертываемой поверхностью (гипотеза недеформируемости поперечного сечения). Приведенные в статье данные эксперимента, проведенного Л. М. Куршиным (тензометрия, метод лаковых покрытий), подтверждают результаты расчета. Однако, использованная авторами упрощающая гипотеза, существенно ограничивает класс нагрузок, приложенных к пластине.
В последние десятилетия для решения задач теории упругости с успехом применяется метод граничных элементов (МГЭ) [88,134]. Появилось много работ и в теории изгиба пластин, и, в частности, консольных пластин. В монографии [88] приводится пример решения задачи изгиба квадратной консольной пластины, нагруженной сосредоточенной силой в центре. Методом граничных интегральных уравнений решается в [33] задача изгиба изотропной консольной пластинки-полки, нагруженной сосредоточенной силой на незащемленной кромке. Этот же метод используется в [7] для решения задачи изгиба квадратной изотропной консольной пластины от действия равномерно распределенной поперечной нагрузки.
Практически отсутствуют в зарубежной и отечественной литературе решения для анизотропных консольных пластин. При реализации же того или иного метода расчета в задаче изгиба изотропных консольных пластин многие авторы сталкивались со значительными трудностями вычислительного характера. Связано это, прежде всего с тем, что выбор подходящих аппроксимирующих функций для прогибов и напряжений в случае применения прямых методов довольно затруднителен. В качестве исключения можно привести, пожалуй, лишь работу [61], где удалось построить систему ортогональных функций для прямоугольной области. Попытка удержать большее число членов в аппроксимирующих рядах приводит к появлению неустойчивости в счете, поскольку вырождается линейная независимость системы аппроксимирующих функций. Кроме того, для консольных пластин со скошенной защемленной кромкой следует учитывать сингулярность, появляющуюся в угловой точке со смешанными краевыми условиями [72,74]. Наличие сингулярности напряжений в вершине защемленной кромки пластины, обладающей стреловидностью, не учитывалось ни в одной из цитированных работ, хотя введение особенности существенно повысило бы эффективность расчета.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы
диссертации. Основу конструкций современных летательных аппаратов составляют тонкостенные элементы, которые можно классифицировать как пластины и панели. Наряду с использованием традиционных материалов — металлов, закономерной тенденцией в настоящее время является использование для изготовления таких пластин и панелей композиционных материалов, обладающих существенной анизотропией свойств в различных направлениях. Так, например, хвостовое оперение самолета А-320 фирмы Airbus изготовлено из полимерных композитов, в конструкции планера самолета F-22 фирмы Lockheed используется соответственно 10% термопластических и 12% термореактивных углепластиков. Простейшей моделью таких элементов являются анизотропные пластинки, вследствие чего задача расчета конструкций или их элементов, изготовленных из композитов, является важной и современной. Особенно это касается вопросов местной прочности конструкций, так как различные концентраторы напряжений существенно влияют на ресурс летательного аппарата и его остаточную прочность. На стадии проектирования авиационных конструкций необходимо рассчитывать их НДС, определять зоны концентрации напряжений.
Одним из сдерживающих моментов расширения области применения композиционных материалов оказывается отсутствие надежных методов расчета на прочность конструкций из К! М с КН. При всем многообразии существующих методов решения таких задач метод СИУ обладает неоспоримыми достоинствами. Так, например, существенно снижается размерность разрешающей системы уравнений, например, по сравнению с МКЭ, сокращается объем вводимой информации. При использовании СИУ появляется возможность выделить асимптотики напряжений в точках сингулярности (таковыми являются вершины трещин, жестких включений, угловые точки и точки возврата на контурах, ограничивающих пластину). Кроме того, построение и использование новых сингулярных решений (функций Грина), заранее удовлетворяющих краевым условиям на части контуров, ограничивающих пластину, существенно увеличивает эффективность метода.
Основной целью работы является развитие и разработка аппаратов метода комплексных потенциалов и сингулярных интегральных уравнений для исследования напряженно-деформированного состояния многосвязных анизотропных пластин в условиях поперечного изгиба при различных краевых условиях на внешних контурах.
— Построение новых сингулярных решений (функций Грина) теории изгиба анизотропных пластин для конечных, бесконечных и полубесконечных областей (от сосредоточенных сил, изгибающих моментов, дислокаций);
— Построение замкнутой системы сингулярных интегральных уравнений, описывающих НДС многосвязных анизотропных пластин, ограниченных гладкими разомкнутыми и замкнутыми контурами (отверстия, трещины, линейные жесткие включения, жесткие двумерные шайбы;
— Исследование сходимости и эффективности алгоритмов, предлагаемых для реализации полученной системы сингулярных интегральных уравнений с дополнительными условиями на примере решения ряда известных (тестовых задач) и новых задач изгиба анизотропных пластин сложной формы при произвольном нагружении;
Получить подтверждение достоверности результатов расчета в конкретных задачах изгиба пластин путем сравнения их с результатами известных экспериментов, проведенных независимыми исследователями с использованием различных методик;
— Попользовать метод сингулярных интегральных уравнений для расчета НДС при решения задач оптимального проектирования композитных панелей, предполагая конструкцию заданной до некоторого числа свободных варьируемых (свободных) параметров, из условия экстремума целевой функции — веса панели;
Научная новизна работы.
— Построены новые сингулярные решения (функции Грина) теории изгиба анизотропных пластин для полуплоскости с различными условиями на границе, для квадранта при различных краевых условиях на кромках, для неограниченной анизотропной пластины с эллиптическим отверстием, для бесконечной полосы, полуполосы, пластин в форме равнобедренного прямоугольного и равностороннего треугольников, прямоугольной пластины.
— Получено в замкнутом виде решение задачи об изгибе анизотропной пластины с эллиптическим отверстием, часть контура которого загружена распределенными изгибающими моментами постоянной интенсивности.
— С использованием сингулярных решений для пластин различного вида (полуплоскость, квадрант и т. п.) построены сингулярные комплексные потенциалы, моделирующие криволинейные сквозные трещины, жесткие включения, гладкие отверстия и двумерные жесткие шайбы в анизотропных пластинах.
— Сформулированы краевые условия и получены системы сингулярных интегральных уравнений для задач изгиба анизотропных пластин, содержащих трещины, жесткие включения и отверстия.
— Метод сингулярных интегральных уравнений использован в задачах изгиба конечных многосвязных анизотропных пластин.
— Метод сингулярных интегральных уравнений применен в задачах изгиба пластин со смешанными краевыми условиями на контуре (консольные пластины), экспериментально подтверждена высокая эффективность метода (сравнение с экспериментами, проводившимися в NASA).
— Метод сингулярных интегральных уравнений использован в задачах оптимального проектирования пластин из слоистых композитов (критерий оптимальности — минимум веса пластины, при одинаковых упругих характеристиках слоев — минимум толщины). Для решения задачи оптимизации предложена оптимизационная процедура, представляющая собою модификацию метода покоординатного спуска.
— Сформулирована краевая задача и получены разрешающие сингулярные интегральные уравнения для задачи изгиба анизотропной пластины, подкрепленной криволинейным кольцевым стержнем постоянной жесткости.
Методы исследований основаны на:
— использовании теории функций комплексного переменного (метод комплексных потенциалов С. Г. Лехницкого, интегралы типа Коши) и построенных в диссертации новых сингулярных решениях от сосредоточенных воздействий;
— использовании аппарата теории сингулярных интегральных уравнений с ядрами Коши и аппроксимации функций подынтегральных плотностей интерполяционными полиномами;
— применении высокоэффективных и апробированных алгоритмов аппроксимации сингулярных интегралов квадратурными формулами Га-усса-Чебышева.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, основывается на:
— корректном использовании соотношений механики деформируемого твердого тела;
— использовании апробированных математических методов и алгоритмов и исследовании их сходимости;
— сопоставлении результатов расчета по методам, предложенным в диссертационной работе, с известными численными решениями, а также с известными данными экспериментов в этой области. Практическая значимость и реализация результатов работы заключаются:
— в разработке эффективных численных алгоритмов решения сложных задач исследования НДС анизотропных пластин при локальных и распределенных нагрузках и наличии концентраторов напряжений и дефектов, обуславливающих сингулярность полей напряжений в пластине (трещины, включения, угловые точки, точки со смешанными краевыми условиями);
— в разработке методик оптимального проектирования анизотропных пластин симметричной структуры из слоистых композитов (из условия минимума веса пластины);
— во внедрении результатов, методик и алгоритмов в расчетную практику заинтересованных организаций: Новосибирский филиал АООТ «ОКБ Сухого» (г. Новосибирск), ФГУП НПО Прикладная механика имени академика М. Ф. Решетнева;
— во внедрении основных научно-методических результатов диссертации в рабочие программы учебных планов НГТУ по подготовке инженеров-исследователей;
— в использовании материалов диссертации при написании учебника НГТУ «Теоретические основы методов расчета прочности элементов конструкций из композитов» (авторы В. Н. Максименко, И.П. Олегин) Работа проводилась при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшее школы 2006;2008» РНП 2.1.2.2676.
На защиту выносятся.
— сингулярные решения задачи изгиба неограниченных анизотропных пластин с эллиптическим отверстием;
— постановка и решение задачи изгиба неограниченной анизотропной пластины с эллиптическим отверстием, часть края которого загружена изгибающими моментами постоянной интенсивности;
— сингулярные решения для полуплоскости с различными краевыми условиями на прямолинейной кромке;
— сингулярные решения задачи изгиба для ортотропных квадранта, полосы, полуполосы, прямоугольной свободно опертой пластины, периодические сингулярные решения для бесконечной анизотропной пластины, полуплоскости;
— построенные на основе соответствующих сингулярных решений потенциальные представления и сингулярные интегральные уравнения задач изгиба бесконечных и полубесконечных анизотропных пластин, содержащих сквозные криволинейные гладкие разрезы, жесткие включения, криволинейные гладкие отверстия;
— потенциальные представления и полученные с их помощью сингулярные уравнения для задач изгиба конечных многосвязных анизотропных пластин, ограниченных замкнутыми и незамкнутыми гладкими контурами;
— постановка и решение методом сингулярных интегральных уравнений задачи об изгибе анизотропной пластины, подкрепленной кольцевым гладким стержнем постоянной жесткости;
— алгоритм оптимального весового проектирования слоистых композиционных панелей симметричной структуры.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Дальневосточных научно-технических конференциях по повреждаемости и эксплуатационной надежности судовых конструкций (Владивосток, 1981, 1984, 1987, 1990 г. г.) — на IX Бубновских чтениях по эксплуатационной и конструктивной прочности судовых конструкций (Нижний Новгород, 1991 г.) — на X Всесоюзной конференции «Конструкция и технология получения изделий из неметаллических материалов» (Обнинск, 1986 г.) — на IV Всесоюзной конференции «Смешанные задачи механики деформируемого тела» (Одесса, 1989 г.) — на научной конференции «Расчетные методы механики деформируемого твердого тела» (Новосибирск, 1995 г.) — на международных российско-корейских научно-технических конференциях СОЯШ «Научные основы высоких технологий» (Новосибирск, 2002 г.- Ульсан, Корея 2003 г.- Томск, 2004 г.- Новосибирск, 2005 г.) — на международной конференции «Байкальские чтенияII по моделированию процессов в синергетических системах» (Максимиха, оз. Байкал, 2002 г.) — на международной научно-практической конференции САКС-2002 (Красноярск, 2002 г.) — на IX международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2003 г.) — на XVIII Межреспубликанской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (Кемерово, 2003 г.) — на Всероссийской школе-семинаре по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Новосибирск, 2003 г.) — на VII Всероссийской научной конференции, посвященной 10-летию Новокузнецкого филиала-института и 50-летию Кемеровского государственного университета (Новокузнецк, 2004 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию отделений аэродинамики летательных аппаратов и прочности авиационных конструкций (Новосибирск, 2005 г.) — на XIX Всероссийской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (Бийск, 2005 г.) — на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006 г.) — на объединенных семинарах кафедр прочности летательных аппаратов и самолето-и вертолетостроения НГТУ, на семинарах в сибирском научно-исследовательском институте авиации им. С. А. Чаплыгина.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 43 печатных работы. В автореферате приведены 34 основных публикации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения (обзор по проблеме), пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 222 наименований.
Основные результаты, представленные в этой главе, опубликованы в следующих работах автора: [38,47,138,139, 149,154,156−158,164,185,188].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Перечислим основные, по мнению автора, результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Получены новые сингулярные решения технической теории изгиба анизотропных пластин для полубесконечных областей с различными краевыми условиями на границе, для пластин в форме свободно опертой бесконечной полосы, полуполосы с различными условиями на конечной кромке, для ортотропного квадранта, для неограниченной пластины с эллиптическим отверстием, для прямоугольной ортотропной пластины. Соответствующие решения позволяют построить комплексные потенциалы в виде интегралов типа Коши, ядрами для которых являются соответствующие сингулярные решения, и описывают НДС пластины соответствующего вида, содержащей гладкие отверстия, сквозные трещины, жесткие включения.
2. С использованием метода комплексных потенциалов построены потенциальные представления в виде интегралов типа Коши, сформулирована краевая задача и получены системы разрешающих интегральных уравнений с дополнительными условиями, накладываемыми на перемещения, для задачи изгиба неограниченных и полубесконечных анизотропных пластин, содержащих сквозные гладкие криволинейные разрезы и гладкие отверстия. Реализован эффективный алгоритм численного решения системы сингулярных интегральных уравнений, основанный на аппроксимации криволинейных сингулярных интегралов по разомкнутым и замкнутым гладким контурам специальными квадратурными формулами. Подтверждена эффективность этого алгоритма для задач изгиба пластин с ветвящимися трещинами и трещинами выходящими на контур отверстия.
3. Сформулирована краевая задача и построены потенциальные представления для неограниченной анизотропной пластины, содержащей абсолютно жесткие криволинейные включения, построены потенциальные представления и получены система разрешающих интегральных уравнений с дополнительными условиями для вектора главного момента, действующего со стороны пластины на включение. Предложен алгоритм численной реализации краевой задачи.
4. Сформулирована краевая задача и построены потенциальные представления для неограниченной анизотропной пластины, подкрепленной кольцевыми криволинейными гладкими стержнями постоянной изгибной и крутильной жесткости. Показано, что краевая задача в этом случае сводится к системе сингулярных интегральных уравнений с переменным верхним пределом, предложен алгоритм численного решения, основанный на использовании интерполяционного полинома для функций подынтегральной плотности в регулярных интегралах с переменным верхним пределом.
5. В замкнутом виде построено решение задачи изгиба неограниченной анизотропной пластины с эллиптическим отверстием, часть края которого загружена нормальными изгибающими моментами постоянной интенсивности.
6. Построено методом комплексных потенциалов решение задачи изгиба анизотропной пластины с эллиптическим отверстием, содержащей криволинейные гладкие дефекты и гладкие отверстия, с заранее выполненными на контуре эллиптического отверстия краевыми условиями.
7. Сформулирована задача оптимального проектирования для многослойной композитной пластины симметричного строения из условия минимума веса пластины (при одинаковых упругих характеристиках слоевминимум толщины), предложена численная процедура оптимизационной задачи, получены численные результаты оптимизации толщины для многослойной пластины с эллиптическим отверстием.
8. Построены потенциальные представления для задач изгиба конечных анизотропных пластин, ограниченных гладкими контурами и содержащих гладкие криволинейные разрезы и жесткие включения. Показано, что в случае задания на внешнем контуре пластины усилий и моментов (первая краевая задача) необходимым условием однозначности перемещений точек внешнего контура пластины является выполнение.
246 условий равновесия пластины (равенство нулю главного момента и главного вектора усилий, прикладываемых к пластине). Проведены анализ результатов численных исследований НДС конечных многосвязных пластин, сравнение с известными результатами для изотропных пластин, полученными альтернативными методами (МКЭ, метод конечных разностей). Для консольных пластин проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными исследованиями, отмечено хорошее совпадение результатов. Получены решения ряда новых задач изгиба многосвязных пластин (круглой пластины с центральной (нецентральной) прямолинейной трещиной, круглой пластины с круговым отверстием и прямолинейной трещиной и др.), исследованы поля напряжений в окрестностях вершин трещин в этих задачах.
9. Получено решение задачи об изгибе консольной пластины с деформированной защемленной кромкой.
10. Разработанная методика рационального проектирования и расчета НДС анизотропных композитных пластин использовалась при проектировании и расчете элементов тонкостенных конструкций конкретных изделий авиационно-космической техники, что подтверждено соответствующими актами внедрения диссертационной работы (Приложение).
