Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS75_t13z1_4\mts75_t13z2.pdf
M E C H AN I KA
TEORETYCZNA
I STOSOWANA
2, 13 (1975)
PŁASKIE ZAG AD N IEN IE KON TAKTOWE W N IESYMETRYCZN EJ
TE OR I I SP RĘ Ż YSTOŚ CI
S T AN I S Ł AW M A T Y S I A K ( WAR S Z AWA)
1. Wprowadzenie
W pracy rozpatrzymy statyczne zagadnienie kontaktowe dla pół przestrzeni sprę ż ystej,
mikropolarnej, jedn orodn ej, izotropowej i centrosymetrycznej w pł askim stanie odkształ -
cenia. D eformację opisywać bę dą wektory: przemieszczenia u i obrotu
0, — oo < (x2,x3) < co},
na którą za poś rednictwem sztywnego, nieskoń czenie dł ugiego w kierun ku osi 0x
3
stem pla
dział a na jedn ostkę dł ugoś ci sił a P = Pipc^ , x
2
). P on adto zakł adam y, że przekrój stem pla
pł aszczyznami x
3
= const jest zawsze jedn akowy.
Warun ki brzegowe dla rozważ anego zagadnienia zapiszemy w postaci
UL (0,X
2
) = / ( x2 ) dla \ x2\ < c,
(3.1) 0^ (0, x
2
) - 0 dla \ x
2
\ > c,
ff12(0, xt) — fii3(0, x2) = 0 dla - co. < x2 < co
oraz uwzglę dniać bę dziemy warunki regularnoś ci w nieskoń czonoś ci
(3.2) Oji - > 0, fi
}
i - > 0 przy r = ]/ xl+x% - > co.
Przy rozwią zywaniu zagadnienia brzegowego (3.1) wykorzystam y rozwią zanie pom ocn i-
cze, mianowicie najpierw rozpatrzym y poł przestrzeń D w pł askim stanie odkształ cen ia
(1.1) z nastę pują cymi warun kam i brzegowym i:
(3.3) oru(O, x2) = - p(x2), a12(0, x2) = 0, ft13(0, x2) = 0, dla - oo < x2 < co.
Rozwią zanie ukł adu równ ań równowagi (2.1) z warun kam i (3.3) i (3.2) jest postaci
[2], [13]:
e I III
Xi - i
P Ł ASK IE Z AG AD N I E N I E KON TAKTOWE 185
oraz
-i
_J £ Le - l f l * i j| «
CO
- - j= f • ^- - ~ - ^l l | e H I | X l + 2 a °| 2 ( e " °X l - e " 1 ^) } ^
CO
(3.5)
tf22fe, x2) = - i= J
We wzorach (3.4) i (3.5) j5( |) oznacza tran sform ację F ouriera
(3.6)
oraz
(3.7) A
o
m A
0
Q) = l+2a
0
Ą l- ^ j, Q •
a przez a 0 , 1
2 ozn aczyliś m y:
Aby rozwią zać równ an ia równ owagi (2.1) z mieszanymi warun kam i brzegowymi (3.1)
należy znaleźć taką funkcję p(x
2
) [okreś loną w (3.3)], aby speł nione był y warunki (3.1).
Z auważ m y, że rozwią zan ie (3.4) i (3.5) speł nia toż sam oś ciowo (3.1)3 i (3.1) 4, (tzn . < r12(0, x2)
= fł
13
(0, x
2
) = 0 dla — oo < x
2
< oo).
186 S. MATYSIAK
Rozpatrzmy teraz nastę pują ce dwa przypadki:
P r z y p a d e k l : o fun kcji/ (x2), okreś lonej w (3.1), zakł adamy, ż e:
(3.9) f{x
2
) = / ( - * ,) * const dla x
2
e (- c, c).
Wykorzystując (3.9), (3.1)! i (3.1)2 oraz (3.4) i (3.5) uzyskujemy nastę pują cy ukł ad dual-
nych równań cał kowych:
„ 1 f Pf * cosfoOtf = / fe) dla O < x
2
< c,
(3.10)
f p(£)co&(Cx
2
)dC - 0 dla x2 > c.
o
M oż na zauważ yć, że jeż eli przejdziemy do granicy ze stał ymi materiał owymi a
0
,
P - > O to - ^od) - * 1 i ukł ad dualnych równań cał kowych (3.10) odpowiada ukł adowi dla
zagadnienia kontaktowego w klasycznej teorii sprę ż ystoś ci ([8] s. 433).
P r z y p a d e k 2: o funkcji f(x
2
) okreś lonej w (3.1) zakł adamy, że
(3.11) / ( *a ) - - / ( - * *) dla x
2
e{- c,c).
Wykorzystując (3.11), ( 3.1) 1 ; (3.1)2 oraz (3.4) i (3.5) uzyskujemy nastę pują cy ukł ad
dualnych równań cał kowych:
(3- 12)
I p(S)sm(ix
2
)di = 0 dla x
2
> c.
o
Jeż eli przejdziemy do granicy ze stał ymi materiał owymi I 2, a
0
- > 0 to A
0
(j;) - * 1 i ukł ad
(3.12) odpowiada ukł adowi równań cał kowych dla odpowiedniego zagadnienia w ramach
klasycznej teorii sprę ż ystoś ci ([8] s. 438).
4. Rozwią zanie ukł adów dualnych równań cał kowych (3.10) i (3.12)
Wprowadzając teraz nastę pują ce oznaczenia:
(4.1) rj = ic, x
2
= cy
oraz wykorzystując fakt, że
(4.2) cosz = - | / - Jz J l 4 ( z ) , sinz =
dla przypadku 1 (ukł ad dualnych równań cał kowych (3.10)) otrzym am y:
dla 0 < y < 1
(4- 3) °
/ W 2v(n)}J- ł (ny)dri = o d l a
y
>\ ,
P Ł ASK IE Z AG AD N I E N I E K O N T AK T O WE 187
gdzie
(4 . 4 )
(4 5)
zaś
(4.6) y W a d } , gdzie p(i) = f2
W przypadku 2 [ukł ad dualn ych równ ań cał kowych (3.12)] uż ywając (4.1) i (4.2)2
moż emy zapisać w p o st aci:
co
J r l IVS/ 2V(V)] (1 +H{rj))Ą {r
)
y)dr
)
- ^GO dla 0 < j> < 1,
= 0, dla y > 1,
gdzie / ?(??) jest okreś lone wzorem (4.4), g(y) wzorem (4.5), zaś y(ł ?) wzorem (4.6)
Teraz n aszym zadan iem bę dzie wyznaczenie niewiadom ych funkcji z równ ań (4.3)
i (4.7). M etoda, którą zastosujemy został a p o d a n a przez K I N G A [15], [14]. R ozpatrzon o
t am nastę pują cy ukł ad dualn ych równ ań cał kowych:
/ - h(x) dla 0 < x < 1,
o
(4.8)
co
/
I,
o
gdzie F ( | ) , h(x) funkcje zn an e, niewiadom ą jest funkcja
M et o d a [15] polega n a t ym , że rozwią zanie przybliż one ukł adu równań (4.8) dla
\ F(£)\ < 1 m oż na przyjąć w postaci
(4- 9)
gdzie funkcja q>
0
(S) speł n ia nastę pują cy ukł ad dualn ych równ ań cał kowych:
CO
J F\ ,
ł ! <• ' ' ' - i'
188 S. M ATYSI AK.
funkcja zaś (pi(£) speł nia ukł ad dualnych równ ań cał kowych w postaci:
dt - h(x) dia o < x < i ,
= 0 dla x > 1,
o
gdzie
00
(4.12) hdx) = - j FF{g) 1 lub —j- <̂ 1 i - p- -̂ 1 mamy |/ T(^)| <̂ 1, moż emy więc do rów-
n ań (4.3) i (4.7) zastosować m etodę podan ą wzoram i (4.9), (4.10), (4.11) i (4.12).
P r z y p a d e k 1: Rozwią zanie ukł adu dualnych równ ań cał kowych (4.3) przyjmujemy
w postaci
(4.13)
N a podstawie (4.10) funkcja ip
o
(v)
m u s i speł niać nastę pują cy ukł ad ró wn ań :
OD
J y-
1
[ri
sl2
y>o(?i)]J- i(
r
iy)di1 = g(y)
d J a 0 1.
o
U kł ad równ ań (4.14) m a taką samą postać, ja k ukł ad równ ań odpowiadają cy zagad-
nieniu stempla dział ają cego n a pół przestrzeń sprę ż ystą w pł askim stanie odkształ cen ia
w klasycznej teorii sprę ż ystoś ci ([8] s. 434).
Rozwią zanie ukł adu równ ań (4.14) jest zn an e, [8], i m a postać
I
+ f ( l -
i
gdzie funkcja f(x) jest podan a we wzorze (3.1).
P Ł ASK I E Z AG AD N I E N I E K ON TAK TOWE 189
F un kcja fAtf) m usi speł niać nastę pują cy ukł ad równ ań cał kowych:
co
J rj- 1[r]sl2ip(ij)]J- .
i
(r)y)di) = giiy) dla 0 < y < 1,
(4.16)
CO
= 0 dla y > 1,
5
gdzie
0 0
(4.17) gi(y) = - / n~ lH(%
o
Rozwią zaniem ukł adu ró wn ań (4.16) jest
i
(4.i8) vM"- ^ \ - \J^ !̂ - y
i
+ J ( i - *8 ) - 1 7 8 * f
o o
P rzybliż one rozwią zanie u kł ad u dualn ych równ ań cał kowych (3.10) bę dzie miał o postać
(4.19)
gdzie y>o jest okreś lone przez (4.15) a y>i przez (4.18).
R ozkł ad przemieszczeń, obrotów i n aprę ż eń pochodzą cych od dział ania symetrycz-
nego stem pla okreś lon ego przez warun ki brzegowe (3.1) oraz (3.9) uzyskujemy podsta-
wiają c do (3.4) i (3.5) funkcję p(g) okreś loną wzorem (4.19).
P r z y p a d e k 2. Stosują c m etodę rozwią zan ia podan ą wzoram i (4.8), (4.9), (4.10),
(4.11) i (4.12) do ukł adu ró wn ań (4.7) wprowadzam y rozwią zania w postaci
(4.20) Vfo) = Uri+vM,
gdzie foiy) niusi speł niać nastę pują cy ukł ad równ ań cał kowych:
dla 0 < y < i ,
(4.21)
CO
/ [v5l2n(7i)]Jt(yy)dn = o d l a y>i.
o
U kł ad równ ań (4.21) m a t aką samą postać, ja k ukł ad dualnych równ ań cał kowych
odpowiadają cy odpowiedn iem u zagadn ien iu stem pla w klasycznej teorii sprę ż ystoś ci
([8] s. 439).
4 Mechanika teoretyczna
190 S. M ATYSU K
Rozwią zaniem (4.21) jest
i
(4.22) $o(»?) = - ^ U- 'Mv)!y(i- y2r1/ ig(y)dy+
1 1
+ f tci- t3)- 1'2* I ng{it)Jo(yv)dn],
o o
funkcja zaś y>i(rj) musi speł niać nastę pują cy ukł ad równ ań :
r
1
lv
5l2
v>i(v)lĄ (ny)dy - ^OO dia o < y < i,
/ foyWł = 0 dla y > 1,
o
gdzie
(4.24) ftO) =
o
Rozwią zanie ukł adu równ ań (4.23) m a postać
i
(4.25) fad) [
o o
Rozwią zanie przybliż one ukł adu dualnych równ ań cał kowych (3.12) uzyskujemy w postaci
(4.26) p(S) - ^ t vo ( ^ ) + Vi( lc ) L
gdzie ^ 0 ( |c ) jest okreś lone wzorem (4.22), a v»i(fc) wzorem (4.25).
R ozkł ad przemieszczeń, obrotów i n aprę ż eń pochodzą cych od dział ania n a pół prze-
strzeń D stemplem o warunkach brzegowych (3.1) i z zał oż eniem (3.11), uzyskujemy pod-
stawiają c (4.26) do (3.4) i (3.5).
5. Przypadek szczególny
Oddzielnego rozwią zania wymaga zagadnienie stem pla gł adko zakoń czon ego, które
jest opisane nastę pują cymi warunkam i brzegowym i:
«i( 0. X2) = const dla \ x
2
\ < c,
(5.1) c,
°ri2(0» *z) • / "i3(0> - 2̂) = 0 dla - 00 < Xi < 00
oraz warunkami regularnoś ci w nieskoń czonoś ci (3.2).
PŁ ASKIE ZAG ADN IEN IE KONTAKTOWE 191
P odobn ie ja k w pracy [16] dla klasycznej teorii sprę ż ystoś ci i w pracy [9] dla nie-
symetrycznej teorii sprę ż ystoś ci ze zwią zanymi obrotam i, zam iast rozpatrywać warunki
(5.1), rozwią zywać bę dziemy ukł ad równ ań (2.1) z nastę pują cymi warunkam i brzego-
wym i:
8x
2 ( 0. x2)
= O, dla \ x
2
\ < c,
(5.2) cruCO, x
2
) - 0, dla \ x
2
\ >c,
ffi2(0, x
2
) = ,"13(0, x
2
) - 0 dla — co < x
2
< co.
Wykorzystując (3.4), (3.5) oraz (5.2) uzyskujemy nastę pują cy ukł ad dualnych równań
cał kowych:
(5.3)
00
= 0 dla 0 < x 2 < c,
j j5(£ ) cos (£*;>) <# = 0 dla x
2
> c.
o
Aby wyznaczyć n iewiadom ą funkcję / >(£) z powyż szego ukł adu równ ań cał kowych naj-
pierw scał kujemy p o x
2
drugie równ an ie z (5.3). Wtedy ukł ad dualnych równań cał ko-
wych (5.3) m oż emy zapisać w p o st ac i:
(5.4)
CO
f Jfilsin(f*j)* = 0 dla 0 < x
2
< c,
00
f £
o *
00
£ ^ = .S dla
gdzie B oznacza n iezn an ą stał ą.
Jeż eli wykorzystam y ozn aczen ia (4.1), (4.4) oraz zależ noś ci (4.2) t o ukł ad (5.4) za-
piszemy n astę pują co:
- 1/ 2- B- y dla > - > !,
gdzie wprowadziliś my n astę pują ce ozn aczen ie:
(5.6)
D la - ^ ^ 1 i — > 1 lu b \ « 1 i - 4- « 1 m am y |flT(iy)| <̂ 1 [funkcja H(T J) jest
C l C I
okreś lona wzorem (4.4)], zatem m oż emy zastosować przybliż oną m etodę Kin ga cytowaną
już w pracy [wzory (4.8), (4.9), (4.10), (4.11) i (4.12)].
192 S. M AIYSIAK
Rozwią zanie ukł adu dualnych równań cał kowych (5.5) przyjmujemy w postaci
(5.7) y( i j) - yo ( i 7 ) + yi 0 fl .
gdzie funkcja W oiy) speł nia nastę pują cy ukł ad dualnych równań cał kowych:
= 0 dla 0 < y < 1,
" S y ^ O y / ) ^ = - l /A * ' dla y>\ ,
a funkcja ^ ( ł ? ) jest rozwią zaniem nastę pują cego ukł adu ró wn ań :
co
I 7i?1(rj)Ji(rjy)drj = k(y) dla 0 < j> < 1,
(5.9) °
= 0 dla v > 1,/
o
gdzie przez &(;>) oznaczyliś my
(5.10) * c ) = - / nH(n)YMh 0, Re/? > 0, u > a.
Tu K
o
jest funkcją Mac- D onalda. Wykorzystując (5.18) moż emy funkcję k(y) [wzór
(5.12)] przedstawić w postaci
(5.19) k(y) - - | . | / |- BA
o
QKo(q)^ = sh(yQ).
D alej moż emy zapisać, że
(5.20) f 2*!̂ k(y)dy = - - !/ -BA
Q
QK
0
{Q) c f-
r
f=
i
sh(Qy)dy.
J y't
2
- y
2
n \ n J
y
U
2
- y
2f 2!̂ k(y)dy = !/ BAQQK0{Q) c frf=
J y't
2
- y
2
n \ n J
y
U
2
- y
2
Ale
* r 1
o ] / ' 2 - J2 0 o
Powyż sza cał ka po obliczeniu ma dość skomplikowaną postać (zawierać bę dzie funkcje
c 2
I i , i i —funkcje Bessela i Mac- D onalda) zatem,ponieważ dla - & < 1 mamy Q < I,
więc moż emy przyjąć ch (txQ) w 1.
Stąd
(5.21) f - 7
194 S. M AIYSIAK
Zanotujemy teraz nastę pują cą cał kę [18]:
t
(5.22) j xv+1J
v
(ax)dx = a-
x
Ą
+l
(a), d l a R e v > - 1 ,
o
zatem wstawiając do (5.14) wzór (5.20), nastę pnie wykorzystując (5.21), (5.22) oraz
(4.1), otrzymamy
(5.23) j>(!) = ~BJ
0
(CĆ )- —BA
0
Q
2
K
0
(Q)J
2
^ c).
6. Wyznaczanie naprę ż eń kontaktowych a
n
(0,x
2
) (dla \ x
2
\ < c)
Wykorzystując (3.5) t mamy
(6.1) < r u ( 0, x2) = -
Z atem, ponieważ [18]
oo coslvarcsin —
(6.2) f J
r
(ax)cos(fix)dx =
T
"' dla p 0. W tym
celu zanotujmy nastę pują ce gran ice:
1 / 1 \ "1 / 2
lim — = lim £ 2 + 75- = 0 , lim A
0
(i) = l,
lim H(
V
)= lim ^ - ^ = 0.
PŁ ASKIE ZAG AD N IEN IE KON TAKTOWE 195
Z atem
(7.2) Hm v>i(fc) = o, lim ^ ( f c ) = 0. lim !P(£c) - 0,
gdzie fi jest okreś lone wzorem (4.18), f
t
wzorem (4.25) zaś W ^ wzorem (5.13). Z atem
jeż eli wykorzystam y gran ice (7.1) w (3.4) i (3.5), a n astę pn ie jeś li uwzglę dnimy dla posz-
czególnych przypadków rozwią zanie n a funkcję p ( !) dan e odpowiednimi wzoram i: (4.19)
wraz z (4.15), (4.26) wraz z (4.22) i (5.14), to otrzym am y rozkł ad przemieszczeń i n aprę-
ż eń dla analogicznych zagadn ień kon taktowych w klasycznej teorii sprę ż ystoś ci [8].
M oż na także zauważ yć, że ch arakter osobliwoś ci naprę ż eń < 7u ( 0, ; t 2) dla x2 = c
i x
2
= — c w przypadku stem pla om awianego w rozdziale 5 pozostaje niezmieniony w sto-
sun ku do klasycznej teorii sprę ż ystoś ci I rozpatrzyliś my przypadek, gdy - ~ - 4 1 i ^ ^
R ozpatrzon e w pracy przypadki (1) i (2) zagadn ien ia stempla (rozdział 4) oraz przypadek
z rozdział u 5 umoż liwiają otrzym an ie w prosty sposób, wobec zasady superpozycji, roz-
wią zania, gdy funkcja f(x
2
) [dan a w (3.1)] nie jest ani parzysta, an i nieparzysta dla x
2
e
Literatura cytowana w tekś cie
1. W. N O WAC K I , T eoria niesymetrycznej sprę ż ystoś ci, P WN , Warszawa 1971.
2. W. N O WAC K I , Buli. Acad. P olon . Sci, Techn ., 6 (1971), 237, [427],
3. J I . A. F AJI H H , KownamnHue 3adami meopuu ynpyeocmu, rocrexH 3flaTj MocKBa 1953.
4. J I . H . UlTEEpiwAHj Koumamnnue 3abanu meopuu ynpyeocmu, rocTexH3flaT, MocKBa 1949.
5. JŁ C . y*jiH H A3 Mmneepa/ ibHue npeo6pa3oeanun o sadanax meopuu ynpyiocmu, H 3# aT. AH C C C P ,
MocKBa- JIeH H urpafl 1963.
6. A. E. G R E E N , W. Ż E R N A, T heoretical Elasticity, Oxford 1954.
7. H . H . MycxEJimnBHJiHj HeKomopue ocuoeuue 3adawi MamcMamuuecKOii meopuu ynpyeocmu, H 3^., 3,
H 3«. AH C C C P , MocKBa- JIeH H urpafl 1949.
8. I . N . SN E D D O N , Fourier T ransforms, N ew Jo rk 1951.
9. R . M U K I , E. STERN BERG , Z AM P , 5, 16 (1965).
10. M . SOKOŁ OWSKI, O teorii naprę ż eń momentowych, P WN , Warszawa 1972.
11. J. D YSZ LE WI C Z , W. R U D N I C K I , Buli. Acad. P olon . Sci., Ser. Sci. Tech., 11 (1972) 465, [851],
12. R . S. D H ALI WAL, Arch . M ech . Stos., 24, 4 (1972), [645].
13. J. D YSZ LE WI C Z , S. M ATYSI AK, M ech . Teor. i Stos., 4 (1973).
14. I , N . SN E D D O N , Mixed Boundary Value Problems in Mathematical Physics, D uke U niversity, 1960
(Report).
15. L. V. K I N O , P r o c , Roy. Soc. A., 153 (1936), [1- 16].
16. I . N . SN E D D O N , Integral T ransform Methods for the Solution of Mixed Boundary Value Problems in the
Classical T heory of Elasticity (Skrypt).
17. E . C . TI TC H M AR SH , T heory of Fourier Integrals, Oxford U niversity Press, 1948.
18. H . C . rpAfliiiTEHH, H . M . P H JK H K , T ab~Auiiu immeipaAoe, cyMM,pHdoa, npouseedeimii, Viap,. H AYKA,
MocKBa 1971.
P e 3 K) M e
nJIOCKH E KOHTAKTHLIE SAJIA^H B HECHMMETPOTECKOft
TEOP H H ynpyrocTH
B pa6oTe paccMOTpeHa, B paiwKax HecHMMeTpiraecKoii Teopnn yn pyrocrH j [ 1, 2] 3aflaia o nojiynpo-
crpaHCTBe B njiocKOM AeK>
npefljioH ceH H oro B [15, 14]. j\ nn cjiy^an , Kor# a f(x
2
) = c o n st , HCCJieflOBaHa OCO6CHHOCT& H an-
Korfla pajKeHHii ó u ( 0 j x
2
) B T O ^ I O X X
2
= c a # 2 = — c. H aKOH en, paccM aipH BaroTca npeaejiŁH bie
nepexoflbi M aiepn am aiaji KOHCTaHxa a
o
,l
2 - • 0 cipeiwHTCH K H ym o.
S u m m a r y
PLAN E CON TACT PROBLEM OF ASYM M ETRIC ELASTICITY
In the paper the static contact problem of a rigid punch and a half- space is considered in the frame-
work of asymmetric elasticity [1, 2]. I t is assumed that the medium is in a plane state of strain, and the
friction forces are neglected. The displacement under the punch iti(0,x
1
) —f(x
2
) for |.x- 2| < c is con-
sidered assuming/ (A- 2) = / ( —x 2 ) ov f(x2) = — / ( —x 2 ) . The problem is reduced to a system of dual in-
tegral equations and solved by means of the method given in [15], [14].
In the case of/ (A2) = const the stress singularities at the points x2 = c and x2 = — c are discussed.
The limiting case of the material constant a
o
,l
z - > 0 tending to zero is also considered,
IN STYTU T M E C H AN I KI
U N IWERSYTET WARSZAWSKI
Praca został a zł oż ona w Redakcji dnia 10 kwietnia 1974 r.