Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS73_t11z1_4\mts73_t11z4.pdf
M E C H A N I K A
TEORETYCZNA
I STOSOWANA
4, 11 (1973)
O S O B L I W O Ś Ć NAPRĘ Ż EŃ W LINIOWYM OŚ RODKU M I K R O P O L A R N Y M SPOWODOWANA
NIECIĄ GŁYMI OBCIĄ Ż ENIAMI (II)
JANUSZ D Y S Z L E W I C Z , STANISŁAW M A T Y S I A K (WARSZAWA)
1. Wprowadzenie
W pracy rozpatrzymy osobliwość n a p r ę ż eń siłowych i n a p r ę ż eń momentowych w p ó ł
przestrzeni mikropolarnej Q
(1.1) Q = {(*!, x2): Xi ^ 0, co < x2 < oo},
s p o w o d o w a n ą niecią głymi obcią ż eniami statycznymi Pi(x2), ( / = 1 , 2 , 3 ) r o z ł o ż o n y mi
na jej brzegu. R o z w a ż a n ia dotyczą płaskiego stanu odkształcenia (w ramach liniowej
teorii niesymetrycznej sprę ż ystoś ci) reprezentowanego przez wektor przemieszczenia u
i wektor obrotu «p postaci [1].
(1.2) n(Xl,x2) s ( W , , H 2 , 0 ) ,
3).
0 funkcjach obcią ż eń pi(x2) z a k ł a d a ć bę dziemy, że są nieparzyste, p r z e d z i a ł a m i cią głe
1 bezwzglę dnie c a ł k o w a l n e w przedziale ( — oo, oo):
(1.3) Pi(x2) = Pi(x2),
(1.4) limiP i(x2) = pf Ф 0,
*2>0
00
05) / \pt(x2)\dx2 < o o , (i = 1 , 2 , 3 ) .
— 00
W pracy k o r z y s t a ć bę dziemy z naszych poprzednich w y n i k ó w [10], gdzie badając
wpływ n a p r ę ż eń momentowych na osobliwoś ci n a p r ę ż eń p o c h o d z ą ce o d skupionych
obcią ż eń p o d a l i ś m y, w oparciu o [1] i [2], podstawowe r ó w n a n i a i o g ó l n e rozwią zanie
dla stanu n a p r ę ż e n ia w p ó ł p r z e s t r z e n i . W ramach teorii n a p r ę ż eń momentowych zagadnie
nie rozwią zań osobliwych posiada b o g a t ą l i t e r a t u r ę (patrz [1], [3]). Obecna praca, jak
r ó w n i e ż praca [10], zrodziły się niejako na podstawie prac [4] i [5].
2. Ogólne rozwią zanie dla składowych stanu naprę ż enia
N a podstawie [10] dwuwymiarowy stan n a p r ę ż e n ia w półprzestrzeni wyznaczamy ze
w z o r ó w
(2.1) aaB = a'ap +
a'a'fi, 033 = « 3 3 + 033,
(22) /Ля 3 = / 4 > + / ^ ' з , i"3a = / 4 а + <«3« (CC, в = 1,2).
394 J. DYSZLEWICZ, St. MATYSIAK
D l a wyznaczenia r r 3 J , а '33, а33 oraz ц3х, /л '3х, ц3х pozostają słuszne wzory
(2.3) С Т 33 Щ Щ < . °" + ° ^ > ^ = у + ^ з , ( « = 1 , 2 ) .
Wielkoś ci a'a!i, a'3i są s k ł a d o w y m i tensora n a p r ę ż eń dla odpowiedniego rozwią zania
klasycznego. « P r i m o w a n e » n a p r ę ż e n ia momentowe /u'x3 wyliczamy ze w z o r ó w
(2.4)
A*i3 — • 2 \а1г л ~°\ 1,2 + ^33,2)
/ «23 = (022,1 ^з з, 1 0 1 2 , 2 )
2/ł
D l a rozwią zania uzupełniają cego obejmują cego s k ł a d o w e n a p r ę ż eń siłowych а 'я'р , a33
i naprę ż eń momentowych /л 'х'3, /i3x pozostają słuszne wzory w postaci całek Fouriera
(2.5)
oraz
•
(2.6)
a,, =
00
?L/ £l[<|A°<0),l+ra
+ 2a0C
2 \e 2 I p-pxi __ JILe1*1*1) e-*
x* d£f
00
Q
eiix*dŚ ,
,/2лГ .' Ill Д о ( 1)
( l A 0 ( f ) ) | f | . v 1 e ! ^ ' +
+ 2 e „ f 2 ( e < w » e | ł | * 0 e-' d̂t,
Q i
1
у 2л
СО г
e U 2
e,ix*dS
/«13 = | £ Г I ^ T t O Ao(0)e^e"x']e^di,
\/2л J Д о («
00
2 я 0 r™
^ 2 3 " ^ J Д о( 0 J A 0 (
(1 A o ( 0 ) e i « i * . _ JHe"
x'je'f X j^,
i4 ! Ł V \ = « E » ,
OSOBLIWOŚĆ NAPRĘ Ż EŃ W OŚ RODKU MIKROPOLARNYM 395
gdzie wprowadzono oznaczenia
(2.7) , li1 r 4i] ' , Ao(f) = l + 2 a 0 l
2 ( l Щ ,
,2 _ (У + « ) ( Р + а) . _ (у + е )(Я + 2//>
(2.8) / 2 = v , , ^ , ^
Symbole ot, Я, y, £ oznaczają stałe m a t e r i a ł o w e . W i e l k o ś ć />*(£) oznacza wykładniczą
transformację Fouriera [7] w y k o n a n ą na funkcji p *(x2),
00
(2.9) p4£) = L Г p *(x2)e^*d i.
v 2л J
— oo
3. Półprzestrzeń pod działaniem rozłoż onych obcią ż eń normalnych (1), stycznych (2) i momentowych (3)
P r z y p a d e k 1. Obcią ż enie normalne ( / ' = 1 ) .
Warunki brzegowe zapisujemy tu w postaci
(3.1) О ц(0, x2) = Pi{x2), o l2(0,x2) = O, (i13(0, x2) = 0.
Ponadto od rozwią zania okreś lają cego oI/?, <У33, / г а 3, ц3а wymaga się, aby dla (xf + xl)
112 *
> co odpowiednie składowe dą ż yły do zera. Warunek w n i e s k o ń c z o n o ś ci uwzgl ę dni ony
jest w rozwią zaniu o g ó l n y m (2.1)ь (2.9), wobec czego przy f o r m u ł o w a n i u w a r u n k ó w
brzegowych bę dziemy go p o m i j a ć .
Rozwią zanie klasyczne cr^ spełnia dwa pierwsze warunki (3.1). Z uwagi na nieparzys
tość f u n k c j i р { ( х 2 ) ma ono p o s t a ć [por. [6], 287]
У 2л J
2 °°
(3.2)
a'22=~~i?wf ̂ i(l)(1~^i)e~fx,sin^)^!
0
2д г,
° 2 1 = ~ I ^ ( D ^ ' c o s ^ x , ) ^ .
| / 2 T E J
' о
« P r i m o w a n e » n a p r ę ż e n ia momentowe wyznaczamy z (2.4) przy uż yciu (2.3) i (3.2)
oo • _
fi\ 3 = Г u ( f ) &
f * « c o s ( £ j c 2 ) r f £ ,
1/27Г J
' о
(3.3)
00
/"23 = 4 а ° f ^ , ( D f e « X l s i n ( f * 2 ) r f f .
1/2зг J
' о
R o z w i ą z a n ie okreś lają ce (тяд i / z ^ uzyskujemy ze w z o r ó w (2.5), (2.6) p o d s t a w i a j ą c
(34) /3*(1) = /5,(1)
396 J . DYSZLEWICZ, St. MATYSIAK
i uwzglę dniając (1.3). W ten s p o s ó b otrzymamy
2 г Щ )
V2T7 J Ao(sł)L
+ 2a0 e \er~* «"*"«jJ sin(|x2)dS,
0"22 =
2
]/2яГ
00 w i
/ Ј щ [ о л о ( 1 ) ) ( 1 + ^ ) е ^ +
( 3 5 ) + 2 a 0 f
2 ^ " ' ' ' t l | e f j c ' j j s i n ( | x 2 ) ^ ,
' о
' о
+ 2я0121 ( | т е " *1 e f x ' ) | cos (f*2) rf|
oraz
со
' ' " " W / A7(fK1A<>(f))e'te,e"'x']cos<^>*'
' d
' o
P r z y p a d e k 2. Obcią ż enia styczne (i = 2).
W a r u n k i brzegowe mają tu p o s t a ć
(3.7) a „ ( 0 , x 2 ) = 0 , .
/•2
L 2 | / 2 8 f 2 / 2 U j
I
1
dla £ -* co.
T r a n s f o r m a n t ę sinusową obcią ż enia pt(£) przedstawiamy w postaci wzoru [8]
2 »?
(4.3) Ш = j= f + 0 ( f " 3 ) , dla £ co.
Symbol 0(f"") oznacza wyraż enie, k t ó r e przy £ -* co zachowuje się j a k £~".
Wykorzystując rozwinię cia (4.1) +(4.3) i b i o r ą c pod uwagę tylko te czę ś ci funkcji
p o d c a ł k o w y c h , k t ó r e przy xt = x2 = 0 i przy £ > co są r z ę du 0 ( f
1 ) lub wię kszego
[por. [3 + 5], [7]], oraz korzystając z [9], otrzymamy
P r z y p a d e k 1.
N a p r ę ż e n ia siłowe
2/7?/ _ x2 xtx2\ 4/?? a0 л ,л 2
= " — ( t a n i — + 7 T T J + — — + T a — + 0 0 ) .
c r 2 2 ( x 1 , X 2 ) = M l t a n ' ] +
7Г
^2 _ XjX2 \
Xi r2 J
(4.4) + M $ 7 T ^ ) + 0 ( D ,
N a p r ę ż e n ie momentowe
tyl QQ
я а 0 + /
(4.5)
^1з (хих2) = „ " ° , 2 x , l o g r + 0 ( l ) ,
* 2 ) = M ^ t a n ^ +0(1).
400 J . DYSZLEWICZ, St. MATYSIAK
P r z y p a d e k 2.
N a p r ę ż e n ie siłowe
2p°2 xj 4p°2 a0 xi
On(xl,x2) = , ,2 ~r +0(1),
n r n a0 + i r
( 4 . 6 ) „,<*„*,) _ М (м . ^ ^ ) _ М ^ _ +̂ 0 ( 1 ) ,
2pS
cr2, ( x , , .v2) = I t a n
1 I +
V i %2
x .
1 * 2 Xl x2
'
*1 r
2
4p° a0 I. x 2 xtx2
I tan
л; а0 + г \ Xi 2r
z
N a p r ę ż e n ia momentowe
(4.7)
2p2 a0 xtx2
>• „(*,.«,) = — +00),
P r z y p a d e k 3.
N a p r ę ż e n ia siłowe
2A_ _ i
я a 0 + f
ffn(x,, * 2 ) = z
1 _ , t 2 * i l o g r + 0 ( l ) ,
e22(Xi ,x2)= —J ——гT^"^! l o g r + 0 ( l ) ,
2pg 1
Л a 0 + /
2
<4.8)
o12(xltx2)=
2 p l L v , t a n ^ + 0 ( l ) ,
n a 0 +l Xi
o21(Xl,x2) = L v l t a n ^ + 0 ( l ) .
N a p r ę ż e n ia momentowe
fi3(xi,x2)= M t a n ' ^ + 0 ( l ) ,
. £ Л]
(4.9)
f*23(xi,x2) = ^ l o g r + 0 ( l ) .
We wzorach ( 4 . 4 ) ( 4 . 9 ) symbol 0(1) oznacza czę ść r e g u l a r n ą rozwią zania.
Ponadto zachodzi
^ < t a n ' * 2 < * г = > / л Т + Т Г.
2 X i 2
OSOBLIWOŚĆ NAPRĘ Ż EŃ W OŚ RODKU MIKROPOLARNYM 401
W przypadku 1 ze w z o r ó w (4.4) i (4.5) w i d a ć , że dla r » 0 o s o b l i w o ś ć rzę du O(logr)
wykazuje s k ł a d o w a c r 2 1 . P o z o s t a ł e n a p r ę ż e n ia są r z ę du 0(1).
W przypadku 2 osobliwość logarytmiczn ą wykazują s k ł a d o w e a22, a33 (wzory (2.3)
i (4.6) 2 ). Natomiast p o z o s t a ł e s k ł a d o w e pozostają s k o ń c z o n e.
W przypadku 3 (wzory (4.8) i (4.9)) s k ł a d o w e n a p r ę ż eń siłowych oraz fil3 są r z ę du
0(1), natomiast dla r *• 0 fi23 i fi32 wykazują osobliwość logarytmiczną (wzór (2.3) 2
i (4.9) 2 ).
W p r o w a d ź my biegunowy u k ł a d w s p ó ł r z ę d n y ch (г, в ):
(4.10) x1=rs'md, х2 = г с о &в , tan"
1 — = ~ в (0 < 0 ̂ л )
i zapiszmy wzory (4.4)" (4.9) w tym u k ł a d z i e .
P r z y p a d e k 1.
N a p r ę ż e n ia siłowe
аы(г , в ) = ^ ( ^ 2 6 + s i n 2 0 ) +
2 ^ — ^ T 2 s i n 2 e + 0 ( l ) ,
л л a0 + l~
a22{r, 0) = ^ ° f a 2 g s i n 2 0 ) +
a° , , ( 7 r 2 f l s i n 2 0 ) + O ( l ) ,
л л а0 + г
(4.11)
ffl2(r,0) = M s i n 2 e _ M _ ^ _ s i n 2 6 + o ( 1 ) ,
a a i ( r , 0) = ̂ s i „ 2 0 M _ ^ _ ( l o g r + | s i n 2 e ) + o ( 1 ) .
N a p r ę ż e n ia momentowe
f *i 3(r , 0) =
2 / > 1 "1, 2 r s i n e i o g r + 0 ( l ) ,
(4.12)
^ е ) = | 1 ^ ( т ° ) " 1 п е + 0 ( 1 )
P r z y p a d e k 2.
N a p r ę ż e n ia siłowe
ffu(r, 0) = M 8 i n 2 f l _ M _ f ° ^ i n 0 + o ( l ) ,
Ti л a0 + l
(4.13)
0, z a r у w n o dla przypadku (i = 1) jak i dla (/ = 2) zachodzi
(4.18) < # > 0 , ^ з ^О ( a , / 3 = 1 , 2 ) .
We wzorach (4.4), (4.6), (4.11), (4.13) pozostają tylko n a p r ę ż e n ia a'^ reprezentują ce od
powiednie rozwią zania klasyczne (por. [6]). G d y
л i — Lv
ff»(r'fi)=4p27logf+0(,)'
ffi 2(r, 0) = ^ j ^ 2 0 + ~ £ ^ s i n
2 2 f 3 j + 0 ( 1 ) ,
ff2i(r, в) = — l~l
V (7g+2e+sin2e)+0(l).
N a p r ę ż e n ia momentowe
(422) P i s f r , в) = 0(1), p „ ( r , 0) = 0(1).
Dyskusja w z o r ó w (4.15) i (4.16) dotyczą ca przypadku (3) wymaga zanotowania granic
(423) l i m —pr = 0, l i m = — — — * . :
a o a0 + l
2 aoo a0 + l
2 ( 3 2 v ) ( / * ) 2 '
/* oznacza tu w y m i a r o w ą stałą sprę ż ystoś ci z teorii ze zwią zanymi obrotami. D l a a + 0
otrzymujemy o ś r o d ek mikropolarny przenoszą cy tylko n a p r ę ż e n ia momentowe (wzory
(416)).
Podstawiając (4.23)2 do w z o r ó w (4.15) otrzymujemy, w połą czeniu z niezmienionymi
wzorami (4.16), rozwią zanie teorii ze zwią zanymi obrotami w u k ł a d z i e (r, 6) lub wzory
(4.8), (4.9) w u k ł a d z i e (JC, , x2).
5. Uwagi koń cowe
W klasycznej teorii sprę ż ystoś ci w punkcie niecią głoś ci obcią ż enia px(x2) (a = 1,2)
wszystkie s k ł a d o w e n a p r ę ż eń są s k o ń c z o ne dla przypadku 1, natomiast dla przypadku 2
tylko s k ł a d o w e a22 i a33 wykazują osobliwość logarytmiczną przy r * 0. Wszystkie skła
dowe natomiast (w obu przypadkach) są niecią głe w p o c z ą t ku u k ł a d u w s p ó ł r z ę d n y ch
w tym sensie, że przy ustalonych 0 dla r » 0 otrzymujemy róż ne w a r t o ś ci n a p r ę ż e ń.
W teorii mikropolarnej, analizując przypadek 1 i 2, o p r ó c z niecią głoś ci n a p r ę ż eń
w punkcie skoku obcią ż enia px(x2) i osobliwoś ci logarytmicznej s k ł a d o w y c h a22, a33
(przypadek 2), zwraca u w a g ę logarytmiczna o s o b l i w o ś ć składowej cr 2 i (przypadek 1)
przy r > 0. Stanowi to istotną róż nicę w odniesieniu do rozwią zania klasycznego. P o z o
stałe s k ł a d o w e n a p r ę ż eń z a r ó w n o siłowych jak i momentowych są r z ę du 0(1).
W stosunku do teorii ze zwią zanymi obrotami teoria mikropolarnej sprę ż ystoś ci nie
wnosi ż a d n y ch róż nic o d n o ś n ie rzę du osobliwoś ci składowyc h n a p r ę ż e ń. R ó ż n i ca tkwi
we w s p ó ł c z y n n i k a c h intensywnoś ci i w moż liwoś ci otrzymania p r z y p a d k ó w granicznych
(a = 0, a = oo). Jak w i d a ć ze w z o r ó w (4.4)н (4.7) oraz ze w z o r ó w (4.11)н (4.14), w s p ó ł
404 J . DYSZLEWICZ, St. MATYSIAK
czynniki intensywnoś ci osobliwoś ci teorii mikropolarnej o d p o w i a d a j ą ce n a p r ę ż e n i om
аФ /4'з są bezwymiarowe i zależą od stałych m a t e r i a ł o w y c h . N i e m o ż na tego powiedzieć
o osobliwoś ciach teorii ze zwią zanymi obrotami, gdzie współczynniki intensywnoś ci
osobliwoś ci n a p r ę ż eń zależą (przypadek 1,2) od wymiarowej stałej sprę ż ystoś ci /* (por.
[3:5]). W teorii tej przejś cie z /* » 0 nie prowadzi do rozwią zania klasycznego. Szczegó
łowe o m ó w i e n i e i wyjaś nienie tego faktu znaleźć m o ż na w pracy [3] na 41.
Oddzielnego o m ó w i e n i a wymaga przypadek 3. Nieklasyczny charakter obcią ż enia
(warunki brzegowe (3.13)) powoduje, że rozwią zanie klasyczne jest t o ż s a m o ś c i o we r ó w n e
zeru i rozwią zanie teorii mikropolarnej jest o k r e ś l o ne przez n a p r ę ż e n ia z dwiema kreskami.
R o z w i ą z a n ie to dla a > 0 nie dą ży do zera jak w przypadku 1 i 2 (pozostają n a p r ę ż e n ia
momentowe r ó ż ne od zera) i nie prowadzi do rozwią zania dla klasycznego o ś r o d ka Hooke'a,
lecz do pewnego o ś r o d ka hipotetycznego, w k t ó r y m moż liwe są tylko obroty cp3. R e
zultat ten jest usprawiedliwiony tym, że obcią ż enie momentowe na brzegu p ó l p r z e s t r z e n i
powinno być z r ó w n o w a ż o ne pewnym polem n a p r ę ż eń momentowych w jej w n ę t r z u.
Zwraca tu r ó w n i e ż u w a g ę fakt, że współczynnik intensywnoś ci osobliwoś ci n a p r ę ż eń
momentowych [wzory (4.9) lub (4.16)] jest bezwymiarowy i nie zależy od stałych materia
łowych, natomiast dla n a p r ę ż eń siłowych w s p ó ł c z y n n i k ten [wzory (4.8) lub (4.15)] zależy
od stałych m a t e r i a ł o w y c h i przestaje być bezwymiarowy. Przejś cie do teorii ze zwią zanymi
obrotami (a + oo) daje dla n a p r ę ż eń siłowych współczynnik intensywnoś ci zależ ny od
stałej sprę ż ystoś ci /*. Z a u w a ż my wreszcie, że dla r >• 0 wzory (4.15) i (4.16) implikują
osobliwość logarytmiczną dla ц г з i JU32 oraz o s o b l i w o ś ć rzę du 0(1) dla ц 13 i /u3l.
Literatura cytowana w tekś cie
1. W. NOWACKI, Teoria niesymetrycznej sprę ż ystoś ci, PWN, Warszawa 1971.
2. W. NOWACKI, Plane problems of micropolar elasticity, Arch. Mech. Stos., 5, 23 (1971), 587—611.
3. M . SOKOŁOWSKI, O teorii naprę ż eń momentowych, PWN, Warszawa 1972.
4. D . B. BOGY and ELI STERNBERG, The effect of couplestresses on singularities due to discontinuous
loadings, Int. J . Solids Structures, 3, 757 (1967).
5. ROKURO MUKI and ELI STERNBERG, The influence of couplestresses on singular stress concentrations
in elastic solids, Z. angew. Math. Phys., 16, 611 (1965).
6. W. NOWACKI, Teoria sprę ż ystoś ci, PWN, Warszawa 1970.
7. I. N . SNEDDON, Fourier transforms, Mc GrawHill Book Company, Inc. New York—Toronto—London
1951.
8. A. ERDELYI, Rozwinię cie asymptotyczne, PWN, Warszawa 1967.
9. И . С. Г Р А Д Ш Т Е Й Н, И . M . Р И Ж И К, Т а б л и ц ы и н т е г р а л о в , с у м м , р я д о в , п р о и з в е д е н и й , И з д. Н а у к а,
М о с к ва 1971.
10. J . DYSZLEWICZ, S. MATYSIAK, Osobliwoś ć naprę ż eń siłowych i naprę ż eń momentowych w ciele mikro
polarnym wywołana obcią ż eniami skupionymi (I), Mech. Teor. i Stos., 4, 11 (1973), 363—391.
Р е з ю ме
С И Н Г У Л Я Р Н О С ТИ Н А П Р Я Ж Е Н ИЙ В Л И Н Е Й Н ОЙ М И К Р О П О Л Я Р Н ОЙ С Р Е Д Е,
В Ы З В А Н Н ЫЕ Р А З Р Ы В А МИ Н А Г Р У З ОК (II)
В р а м ах л и н е й н ой м и к р о п о л я р н ой с р е ды р а с с м о т р е на с т а т и ч е с к ая з а д а ча об у п р у г ом п о л у п р о
с т р а н с т ве в п л о с к ом д е ф о р м и р о в а н н ом с о с т о я н и и, о п и с ы в а е м ом в е к т о р а ми u ( « i , и2, 0) и <р (0, 0, <р3)
на к р ай п о л у п р о с т р а н с т ва в о з д е й с т в у ют с т а т и ч е с к ие р а с п р е д е л е н н ые р а з р ы в н ые н а г р у з ки (к а с а
OSOBLIWOŚĆ NAPRĘ Ż EŃ W OŚ RODKU MIKROPOLARNYM 405
т е л ь н ы е, н о р м а л ь н ые и м о м е н т н ы е ). Д ан а н а л из х а р а к т е ра о с о б е н н о с т ей в с и л о в ых и м о м е н т н ых
н а п р я ж е н и ях в т о ч ке р а з р ы ва н а г р у з о к. Р а с с м о т р е ны п р е д е л ь н ые с л у ч аи к л а с с и ч е с к ой у п р у г о с ти
(а = 0) и с в я з а н н ых в р а щ е н ий (а = о о ).
S u m m a r y
STRESS SINGULARITY IN A L I N E A R MICROPOLAR M E D I U M P R O D U C E D
BY DISCONTINUOUS LOADS
The static problem of a micropolar elastic halfspace in a plane state of strain (represented by the vectors
u ( M J , u2, 0) and cp (0,0, q>3) due to discontonuous (normal, tangential and couple) loadings at the bound
ary is considered. For these loadings, the singularites of stresses and couplestresses are discussed. Two
limiting cases are considered: а > 0 (classical theory of elasticity) and а > oo (couplestress theory of
elasticity).
INSTYTUT MECHANIKI UNIWERSYTETU WARSZAWSKIEGO
Praca została złoż ona w Redakcji dnia 5 marca 1973 r.
5 Mechanika Teoretyczna 4/73