Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS75_t13z1_4\mts75_t13z3.pdf
M E C H A N I K A
TEORETYCZN A
I STOSOWAN A
3, 13: (1975)
O STRU KTU RZE ROZWIĄ ZAŃ W ZAG AD N IEN IACH PŁYT OR TOTR OP OWYC H
BOG D AN R O G O W S K I ( Ł Ó D Ź )
M etodą asymptotycznego cał kowania równań teorii sprę ż ystoś ci badano wewnę trzny
stan naprę ż enia w problem ie zginania pł yt ortotropowych w pracach [1, 2] oraz stan
naprę ż enia w warstwie przybrzegowej w [3]. W niniejszej pracy buduje się rozwią zania
ogólne dla pł yty ortotropowej, przy dowolnym obcią ż eniu pł aszczyzn ograniczają cych
|x31 = h oraz rozwią zania jedn orodn e, tj. takie, które speł niają jednorodne naprę ż eniowe
warunki brzegowe n a tych pł aszczyznach, a n a pozostał ych brzegach (na konturze) mogą
przyjmować z góry dan e wartoś ci naprę ż eń lub przemieszczeń. Posł uż ono się przy tym
metodą symbolicznego operatorowego zapisu rozwią zań [4] oraz zastosowano wprowadzo-
ne n a wstę pie pracy funkcje przemieszczeń dla rozpatrywanej klasy materiał ów.
1. R ówn an ia podstawowe zagadnienia
Rozpatrzymy jedn orodn e, sprę ż yste ciał o z prostoliniową ortotropią wł aś ciwoś ci
sprę ż ystych. Przyjmiemy kartezjań ski, prostoką tny ukł ad współ rzę dnych X- ,.
Równania równowagi
(1.1) Gij- j+X; = 0; i , y = 1 , 2 , 3 ,
po uwzglę dnieniu zwią zków fizycznych
(1.2) O
22
=
< 733 = C13U1,l+C23U2,2 + C33lf3,3, 023 = < J 23(j/ 2, 3 + "3,2)
przyjmą postać równ ań przemieszczeniowych (pominię to sił y masowe X
(
)
t ' l l W l , l l + G : i 2 W l , 2 2 + G ! 1 3 H l l 3 3 + ( c 1 2 + G l 2 ) w 2 j l 2 + ( c 1 3 + G
!
I3)M 3, 13 = 0 ,
(1.3) G 1 2 M 2 > 1 1 + C 2 2 M 2 , 2 2 + G
!
23M 2,33 + ( C 1 2 + G
!
1 2 ) W 1 1 1 2 + (C 23 + G
!
23)W3,23 = 0 ,
)u
2a3
== 0 .
Rozpatrzymy klasę m ateriał ów ortotropowych, których odpowiednie stał e sprę ż ystoś ci
w dwóch wzajemnie prostopadł ych pł aszczyznach symetrii sprę ż ystej x
l
O x
3
, x
2
O x
3
są
proporcjonalne
n A\ G23 c 2 3 _ ] / c 2 2 C i.a+ 2G 1 2 _ .(l.ą ) — — - — — — A,
"1 3 c i 3
422 B. RoaowsKi
czyli te materiał y, których wł aś ciwoś ci sprę ż yste charakteryzuje sześć niezależ nych stał ych.
Zwią zek (1.4.) speł niony jest w przypadku materiał ów poprzecznie izotropowych (A = 1),
izotropowych, a w niektórych materiał ach konstrukcyjnych ortotropowych proporcjo-
nalność ta może mieć miejsce (np. laminaty, czy pewne przypadki anizotropii konstruk-
cyjnej).
D la rozpatrywanej klasy materiał ów przemieszczeniowe równania równowagi przyj-
mują postać
) ( ) u 3 a 3 = 0,
)w3, 23 = 0,
= 0 .
Równania (1.5) uzupeł nione warunkami brzegowymi na pł aszczyznach ograniczają cych
opisują zagadnienia równowagi rozpatrywanego oś rodka.
2. F un kcje przem ieszczeń
Rówania (1.5.) mają budowę podobną do równ ań przemieszczeniowych oś rodka po-
przecznie izotropowego i dlatego moż liwe jest rozdzielenie tych równ ań przez wprowadze-
nie trzech funkcji przemieszczeń [6]. Postę pując analogicznie jak w [6] otrzymuje się
u
t
= axp
lt
y + (p
2
(2.1) u
2
= a
(3.1) ffisU - A± ffisl*.- - A =Pl±PT ,
O23U - '1 ± ""asU, - - 1, - pt ±pl •
Wyraż ając funkcje okreś lają ce intensywność obcią ż eń stycznych przez nowe funkcje
x
±
(x
l
,x
2
), %
±
(x
1
,x
2
)
i i ' ±,,± _ 5- 1 ii. ' 1 u%
(3.2)
Pi" h*
dx
2
dXi
i wykorzystują c odpowiedn ie zwią zki (2.6.), otrzymuje się z (3.1.) warunki brzegowe dla
funkcji przemieszczeń
+ ±91 +Xt > 3|
(3- 3) 3 3 ( C P ! +(p2)\ X3 = / l ±d 3{cpt + 9 » 2 ) U = - A =
T +
2 3
424 B. ROG OWSKI
Z (3.2) wynikają zwią zki
(3.4) A £
gdzie oznaczono
Stosując symboliczny zapis rozwią zań, odpowiadają cych liniowym równ an iom róż nicz-
kowym czą stkowym [4], zapiszemy rozwią zania równ ań (2.2) w postaci
3
(x
a
), i/ >4(xa) są funkcjami począ tkowymi
okreś lonymi w pł aszczyź nie ś rodkowej x
3
= 0, które wyznacza się z warun ków brzego-
wych (3.3), a dział ają ce n a te funkcje operatory Ś
i;
Ci (i = 1, 2, 3) są liniowymi operato-
ram i nieskoń czonego rzę du, zależ nymi param etryczn ie od zmiennej x
3
(3.6)
_ sin ^|/ Ax3 y (- l)"x
2
3
n+1
sf"A
n
V1
- 2 (2«)1
F unkcje począ tkowe wa i y>3 opisują, ja k wynika z (2.1), i (3.5), pole przemieszczeń, w któ-
rym u
a
są antysymetryczne wzglę dem pł aszczyzny ś rodkowej, a u
3
symetryczne wzglę dem
tej pł aszczyzny; opisują więc problem zginania pł yty, czyli tzw. zagadnienie pł ytowe.
P ozostał e funkcje począ tkowe, wystę pują ce w (3.5), opisują zagadnienie tarczowe w pł ycie.
Z warunków brzegowych (3.3) otrzymuje się
(37) l s c C - U W
(3.7) ftCCSJAy
dla zagadnienia pł ytowego oraz
dla zagadnienia tarczowego.
O STRU KTU RZE ROZWIĄ ZAŃ W ZAG ADN IEN IACH PŁYT 4 2 5
Operatory S
t
, C
t
otrzymuje się z operatorów Ą , Q danych wzorami (3.6), zamieniają c
formalnie x
3
n a A. U wzglę dniając (3.7), (3.8) w (3.5), a t e w (2.1), otrzymujemy rozwią zania
w symbolicznym zapisie operatorowym
(3.9)
12 — C ] S2
dla a = 1,
dla a = 2
dla zagadn ien ia pł ytowego oraz
~ {[siS
1
Ć
2
- as
z
2
S
2
Ć
1
](q++q- \
a
-
3
5 2 - 4 C2 Ą
dla zagadn ien ia tarczowego.
Zwią zki (3.9), (3.10), stanowią ce rozdzielone przemieSzczeniowe równania równowagi
omawianego oś rodka, uwzglę dniają obcią ż enia n a pł aszczyznych ograniczają cych \ x
3
\ = h.
P o lewej stron ie dział ają n a skł adowe wektora przemieszczenia Ui(x
t
) operatory róż nicz-
kowe zależ ą ce od dwóch zm iennych x
a
, a p o prawej n a funkcje obcią ż eń (dwóch zmien-
nych x
a
) dział ają operatory róż niczkowe zmiennych x
a
, parametrycznie zależ ą ce od
zmiennej x
3
. W przypadku, gdy n a kon turze pł yty wystę pują warunki brzegowe typu
antysymetrii, z ró wn ań tych m oż na otrzym ać ś cisłe rozwią zanie. W tym bowiem przy-
padku m oż na posł uż yć się m etodą podwójnych szeregów F ouriera i wówczas dział anie
operatorów wystę pują cych w tych rozwią zaniach n a funkcje obcią ż eń i przemieszczenia u
t
bę dzie zn an e [5]. P rzy in n ych typach warun ków brzegowych, dla speł nienia warunków
brzegowych, n iezbę dne są rozwią zan ia jedn orodn e, tj. takie rozwią zania, przy których
znikają n aprę ż en ia n a pł aszczyznach ograniczają cych \ x
3
\ = h, n atom iast n a pozostał ych
powierzchniach brzegowych pł yty pole przemieszczeń i naprę ż eń przyjmuje z góry dane
wartoś ci.
426 B. R O G O WSK I
4. R ozwią zan ia jedn orodn e
Wyznaczmy pole przemieszczeń odpowiadają ce nieobcią ż onym pł aszczyznom ogra-
niczają cym \ x
3
\ = h. Trzeba zatem znaleźć taką klasę funkcji począ tkowych w
a
(x
a
),
»„(*<,), y>
3
(x
a
), if4.(x
a
), które zgodnie z (3.3) i (3.5) speł niają równania
(4.1) C 1(wJ) + C2(vv2) = 0,
C3( v3) - 0
w zagadnieniu pł ytowym oraz
(4. 2)
AS 3 ( y 4 ) = 0
w zagadnieniu tarczowym.
W zagadnieniu pł ytowym funkcja ^ ( J O , ) taka, że
(4.3) wj - C
2
(y>
1
), w
2
= - C iC yi)
speł nia równania (4.1)x i (4.1)2, jeś li jest rozwią zaniem równania
(4.4)
Funkcja ta opisuje zgodnie z (3.5) i (2.1) potencjalne pole przemieszczeń w zagadnieniu
pł ytowym
, «£ = [ flAC j- AC ilv!, .,
(4.5)
u
3
= [ C iC a - o C a C J yi-
Funkcja ?//3, speł niają ca równanie (4.1)3, opisuje rotacyjną czę ść pola przemieszczenia
wzorem
(4.6) a*_- X
t
§tĄ yi
ilP
, u
n
= u
F
a
+u*,
przy czym
(A dla a = 1,
k • u
W zagadnieniu tarczowym otrzymuje się
(4.7)
(4.8) «? - ^ Ć , e gV4 .f f , «0 = < +
przy czym funkcja ip
2
(x
a
) speł nia równanie
(4.9) [ j| d ^ 2 - jj C 2 Ą] Ay2 = 0,
a funkcja y4(xa) jest rozwią zaniem równania (4.2)3.
O STRU KTU RZE ROZWIĄ ZAŃ W ZAG ADN IEN IACH PŁYT 4 2 7
Symboliczna postać równ ań ( 4.1) 3, (4.4) oraz ( 4.2) 3, (4.9) dla funkcji ipi(xa), f3(xa)
oraz ip2(xa), V*(xo)> opisują cych jedn orodn e rozwią zania w zagadnieniu pł ytowym oraz
tarczowym, prowadzi do cał kowan ia równ ań róż niczkowych nieskoń czenie wysokiego
rzę du [4].
5. Struktura rozwią zań jednorodnych
Aby zastą pić symboliczną formę zapisu równ ań ( 4.1) 3, (4.4) oraz (4.2) 3, (4.9) formą
róż niczkową, przedstawim y funkcje argum entów operatorowych w postaci iloczynów
nieskoń czonych wzglę dem ich miejsc zerowych.
Otrzymuje się
n
gdzie Q
k
, Qk, qt, Q% są zespolon ym i pierwiastkam i równ ań
(5 5) sin fa- Ą Jg _ sin(jx+ .r2)e
(S
1
S
2
)Q
przy czym gfc, e* są liczbam i sprzę ż on ymi z Qk, Q* (por. [5]). Ogólne rozwią zania równań
(5.1)- (5.4) przedstawim y w postaci
(5.7) y>y = 0
t
-
( 5. 8) y>
3
=
(5- 9) y>
2
= # 2 + 2J (iP2k+T 2k),
CO
(5.io) V 4 = y V 4 f c ,
428 B. ROG OWSKI
gdzie poszczególne skł adn iki tych sum są rozwią zaniami równ ań
(5.11) A2
t
= 0 ,
(5.12) [k- Qilr2]y>ik = o,
(5.13) [ A- e fA-2 ] ? !* = 0, fc- 1,2,3,...,
- 2(5.14) L - i ^ / j f e - l) A- 2jfs*= O , A:- 1.2, 3. ....
(5.15) A(Z>2 = 0,
(5.16) [A- rfaA- a]v»a* - 0,
(5.17) [A- e?»A-a]vaik = 0, fc- 1,2,3,...,
L4fc = 0,
J
(5.18) [ A- - ^ - r c2 A: 2 / r 2 L4fc = 0, fc « 0, 1,2, 3, . . . . '
U wzglę dniając w zwią zkach (4.5) — (4.8) zależ noś ci (5.7) (5.18) otrzymujemy rozwią zania
jedn orodn e.
W zagadnieniu pł ytowym m am y
K= I
CO
sin ^ (/c
gdzie
H
lk
(0 = a
(5.20)
H
Ł k
(C), F
lk
(O są zespolonym i sprzę ż onymi funkcjami z H
tk
(0, F
lk
(C), n at o m iast a
0
,
są rzeczywistymi liczbam i, które oblicza się ze wzorów
(5.21) a
0
=
W zagadnieniu tarczowym jest
0 0 0 0
w a = ^ 2 , a + ^ y, (H2kf2k~^ ~Hzkflk) ) a + ^ 1 e a ^ X C °S QcT tO f4k, fi >
(5.22)
k= l
O STRU KTU RZE ROZWIĄ ZAŃ W ZAG ADN IEN IACH PŁ YT 4 2 9
H
2k
(0 = as
(5.23)
r
2k\ .
_ , , I s i n ^ g* s i n i ' i e K sin^ef singel? £]
L e* ot et ot J
a H
2
k(0> F
2
k(.O są sprzę ż onymi funkcjami z H
2
k(0, F
2k
(C). Otrzymane rozwią zania jedn o-
rodne wraz z rozwią zan iami szczególnymi, uwzglę dniają cymi obcią ż enia n a pł aszczyz-
nach |*31 = h, które m oż na wyznaczyć z równ ań (3.9) lub (3.10), opisują problem sta-
tyczny pł yt ortotropowych lub poprzecznie izotropowych (A = 1), czy też pł yt wyko-
nanych z m ateriał u izotropowego (a = X = s
t
«• s
2
= 1). P odan e rozwią zania mogą być
wyjś ciowymi do analizy st an u n aprę ż en ia i przemieszczenia w dowolnie grubych pł ytach
ortotropowych, gdyż stwarzają moż liwość speł nienia z dowolną dokł adnoś cią warunków
brzegowych wystę pują cych n a kon turze pł yty, a w granicznym przypadku ś cisł ego ich
speł nienia. P odstawowy (wewnę trzny) stan n aprę ż en ia opisywany jest funkcjami &i(x
a
)
i &i(Xa) bę dą cymi rozwią zan iami równ ań (5.11) i (5.15). Rozwią zania opisywane funk-
cjami y>xk(xa)> iP2k(x
a
)> okreś lone n a zbiorze pierwiastków zespolonych równań transcen-
dentnych (5.5) i (5.6), opisują efekt brzegowy. N atom iast pole przemieszczeń przedsta-
wione funkcjami tp
3
k(x
a
), ip
4
k(Xa), okreś lone n a zbiorze wartoś ci wł asnych danych w po-
staci jawnej, jest rotacyjn ym polem przemieszczenia w pł ycie. Ograniczając się w roz-
wią zaniach jedn orodn ych do skoń czonych sum otrzymamy rozwią zania aproksymują ce
ś cisłe rozwią zania i w tym przypadku warun ki brzegowe n a kon turze bę dzie m oż na speł nić
w sposób przybliż ony.
R ówn an ie (5.11), okreś lają ce funkcję opisują cą wewnę trzny stan naprę ż enia w proble-
mie zgin an ia, m a p o wykorzystan iu oznaczenia (3.4') i zależ noś ci (1.4) postać
(5.24)
W klasycznej teorii zgin an ia pł yt ortotropowych stan naprę ż enia opisywany jest funkcją
ugię cia powierzchni ś rodkowej, speł niają cą równ an ie (por. [7] s. 332)
(5- 25)
w którym stał e współ czynniki zależą jedyn ie od param etrów sprę ż ystych w pł aszczyź nie
pł yty, podczas gdy współ czynniki wystę pują ce w równ an iu (5.24) zależą od wł aś ciwoś ci
sprę ż ystych m ateriał u w trzech kierun kach . Stwarza to moż liwoś ci uwzglę dnienia wpł ywu
param etrów m ateriał owych w kierun ku poprzecznym n a stany przemieszczenia i naprę-
ż enia, co w przypadku pł yt an izotropowych n ie jest bez znaczenia [8].
Jeś li odstą pić od ś cisł ego speł nienia warun ków brzegowych n a kon turze pł yty i za-
stą pić je przybliż onym i, cał kowymi lub uś redn ion ym i, to stan naprę ż enia i przemiesz-
czenia m oż na opisać funkcjami &i(x
a
), <2>2(*a)
o r a z fai i V4o. przy czym m oż na wówczas
speł nić pięć warun ków n a każ dym brzegu. R ówn an ia sł uż ą ce do obliczenia cał ki szczegół -
430 B. R O G O WSK I
nej, uwzglę dniają cej obcią ż enia pł aszczyzn ograniczają cych, wyznaczymy z równ ań przy-
bliż onych, jakie otrzymuje się z (3.9), (3.10)
3 IF . «i _,A l - «i .-3
(5.26)
w zagadnieniu pł ytowym oraz
z
- U
w problemie rozcią gania (ś ciskania) pł yty.
W zwią zkach (5.27) oznaczono
IJ.Ł oj t*3 — I ~ - 7 T̂ r I A, U i — —
6 3 3 C 3 3 VC 1 1 C 3 3 Ł 1 3 ; / C 33
Tak zbudowana „ teoria uś ciś lon a", oparta n a zał oż eniu stosowalnoś ci zasady de Saint
Venanta, może sł uż yć do wyznaczenia wewnę trznego stan u n aprę ż en ia i z pu n kt u widzenia
zastosowań technicznych bę dzie to dobre przybliż enie ś cisł ych rozwią zań. Wyjaś nienie
innych sprę ż ystych zjawisk w pł ycie, w szczególnoś ci efektu brzegowego, moż liwe jest przy
wykorzystaniu ogólnych rozwią zań podan ych w pracy.
Literatura cytowana w tekś cie
1. J I . A. ArAJioBHHj 06 ymoHHenun KJiaccwiecKou meopuu U3su6a anu3omponubix ruiacmuu, H 3B. AH
ApiwCCP, cep. 4>H3.- MaT. nayK, I . XVI I I ;, 5 (1965).
2. J I . A. ArAJioBHii, K meopuu miu6a opmomponuux nitacmun MT T , 6 (1966).
O STRUKTURZE ROZWIĄ ZAŃ W ZAGADNIENIACH PŁYT 431
3. J I . A. ArAJiOBHH, O nospaucjwe opmomponimx n/ iacmunoK, H 3B. AH Apiw. C C P 3 M exaniwa, T . XXVI ;
2 ( 1973) .
4. A. H . JlyPLBj npocmpaHCtneeuHbie sadami meopuu ynpyeocmu, rocTCXH3flaT, MocKBa 1955.
5. B. ROG OWSKI, Zagadnienia równowagi grubej pł yty poprzecznie izotropowej, Rozpr. Inż ., 22, 3 (1974)
445 - 467.
6. B. ROG OWSKI, Funkcje przemieszczeń dla oś rodka poprzecznie izotropowego, Mech. Teor. Stos., 1, 13
(1975), 69 - 83.
7. S. TIMOSH EN KO, S. WOIN OWSKY- KRIEG ER, T eoria pł yt i powł ok, Arkady, 1962.
8. B. ROG OWSKI, Zginanie pł yty poprzecznie izotropowej, AIL, 4 (1974).
V e 3 10 M e
O C T P yi C r yP E P E I I I E H H H 3AJ3, I OB OP TOTP OI I H LI X ITJIACTH H AX
(bynKUHH nepeM eiu,ennH H JW TCJia c npHMojiHHeHHofi opTOTponneft H mecTŁio He3aBHCH-
ynpyraM H KOHCTaHTaMił. yHKiJ(ira H cnonb3OBanacŁ H JIH peineH H H cTaTiroecKoii 3aAa*ni 06 o p io -
TponHOH nnH Te npon3BOJii>HO Harpy>i- iHoro 110-
pnfliKa- r: yflosjieTBopH iomne cooTBeTCTBeiino ypaBHenHHM
Toro u BToporo nopaflKOB cJ>yHKHHH onH CbisaiomH e BHyTpeHHce n a n p a K e im o e COCTOHHHC,
ypaBHeHHHM reJiLM roJibi^a, onpefleneH H we n a M H OKCCTBC KopH eii cooTBeicTByiomHX TpaHC-
ypaBHeHHHj tJjyHKiiHH, KoTopwe onHCMBaioT KpaeBbie 3(p(iieKTbi H , HaKOHea, on peflen en -
H bie lia MHO>I.
S u m m a r y
ON TH E STR U C TU R E O F SOLU TION S I N TH E PROBLEM S O F ORTH OTROPIC PLATES
D isplacement potentials are introduced in the case of rectilinear orthotropy characterized by six in-
dependent elastic constants. Th e potentials are used to solve,the static case of an orthotropic plate either
arbitrarily loaded on the bounding planes or free from loads. Two independent equations for the displace-
ment components are obtained, corresponding to the plane stress and plate bending problems, respectively;
the equations are written in a symbolic, operator form and are equivalent to differential equations of infinite
order. The homogeneous equations contain: the functions describing the internal state of stress and satis-
fying the 4th and 2nd order equations, respectively; the functions defined in the set of roots of the correspond-
ing transcendental equations satisfying the H elmholtz equations and describing the boundary effect, and
the functions defined in the set of real- valued eigenvalues, given in an explicit form, which satisfy the Helm-
holtz equations and describe the rotational field of displacements in the plate. Equations of the «more
accurate)) theory are presented.
POLITECHNIKA ŁÓDZKA, ŁÓDŹ
Praca został a zł oż ona w Redakcji dnia 16 grudnia 1974 r.