Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS70\MTS70_t8z1_4_PDF\mts70_t8z2.pdf M E C H A N I K A T E O R E T Y C Z N A I S T O S O W A N A , 2, 8 (1970) P O D S T A W O W E T W I E R D Z E N I A Z Z A K R E S U T E O R I I D O S T O S O W Y W A N I A S I Ę K O N S T R U K C J I S P R Ę Ż Y S T O P L A S T Y C Z N Y CH D O O B C I Ą Ż EŃ Z M I E N N Y C H W C Z A S I E JAN А. К б N I G (WARSZAWA) I. W s t ę p W projektowaniu i obliczaniu konstrukcji od szeregu lat uwzglę dniane są o d k s z t a ł cenia plastyczne. W szczególnoś ci teoria noś noś ci granicznej znalazł a j u ż dosyć szerokie zastosowanie praktyczne. J e d n a k ż e j u ż w k o ń cu lat dwudziestych GRUNING [ 1 ] i BLEICH [2] zwrócili u w a g ę na niebezpieczeń stwo w postaci moż liwoś ci zniszczenia konstrukcji p o d d z i a ł a n i e m obcią ż eń cyklicznych, czy to w wyniku stopniowo narastają cych (choć ogra niczonych na k a ż d ym cyklu) p r z y r o s t ó w odkształceń plastycznych, czy też wskutek z m ę czenia plastycznego przy kolejno wystę pują cych odkształceniach plastycznych przeciw nych z n a k ó w , pomimo że stan graniczny nie został jeszcze osią gnię ty. MELAN [3] ( 1 9 3 8 ) i KOITER [ 5 , 6 ] ( 1 9 5 6 ) podali twierdzenia podstawowe dotyczą ce m o ż liwoś ci zniszczenia powyż szego typu przed osią gnię ciem stanu granicznego. PRAGER [7] i ROZENBLUM [ 8 , 9 ] uogólnili te twierdzenia na przypadek obcią ż eń termicznych. W pracy [ 1 7 ] rozpatrzono twierdzenie M e l a n a , w przypadku gdy z a r ó w n o warunek plastycznoś ci, jak i m o d u ł y sprę ż ystoś ci m a t e r i a ł u są zależ ne od temperatury. Poję cie dostosowywania się, tj. powstawania w ciele s a m o n a p r ę ż eń pozwalają cych mu r e a g o w a ć na n a s t ę p ne cykle obcią ż eń j u ż w s p o s ó b czysto sprę ż ysty, ma sens również dla ciał sprę ż ystoplastycznych ze wzmocnieniem. D o w ó d odpowiednio zmodyfikowanego twierdzenia p o d a ł MELAN [ 4 ] dla wzmocnienia translacyjncgo. Bardziej o g ó l n e typy wzmocnienia były badane, ze sta nowiska teorii dostosowania, w pracy [ 1 9 ] . Bezpoś rednie wykorzystanie twierdzeń o dostosowaniu do bardziej złoż onych proble m ó w napotyka w praktyce znaczne t r u d n o ś ci matematyczne, podobnie jak w przypadku t r ó j w y m i a r o w y c h p r o b l e m ó w teorii sprę ż ystoś ci i plastycznoś ci. D l a konstrukcji, k t ó r y c h jeden lub dwa wymiary są m a ł e w p o r ó w n a n i u z p o z o s t a ł y m i (prę ty, p o w ł o k i ) , buduje się teorie spełniają ce podstawowe zależ noś ci o ś r o d ka cią głego w s p o s ó b przybliż ony. Pozwala to znacznie uproś cić rozpatrywane problemy kosztem stosunkowo niewielkich n i e d o k ł a d n o ś c i. W takich przybliż onych teoriach operują cych wielkoś ciami u o g ó l n i o n y m i rozpatru jemy konstrukcję nie jako zbiór p u n k t ó w , lecz j a k o u k ł a d jej p o d z b i o r ó w nazywanych przekrojami. Z a siły u o g ó l n i o n e bierze się przy tym siły i momenty wzajemnego oddzia ł y w a n i a tych p r z e k r o j ó w lub też wielkoś ci do nich proporcjonalne. 150 J . A . K O N i G W pracy [ 1 6 ] pokazano, jak m o ż na stosować klasyczne twierdzenie MELANA [3] o dos tosowaniu, w przypadku gdy teoria opisują ca stan sił wewnę trznych i deformacji rozpa trywanej konstrukcji w y r a ż o na jest w u o g ó l n i o n y c h siłach i u o g ó l n i o n y c h odkształceniach, k t ó r e to wielkoś ci okreś lone są nie dla p u n k t ó w , lecz dla p r z e k r o j ó w konstrukcji. Zasto sowanie ogólnych w y n i k ó w pracy [ 1 6 ] do konstrukcji ramowych, ł u k o w y c h oraz dla p ł y t przedstawiono w pracach [ 1 8 i 2 0 ] . Poję cia u o g ó l n i o n y c h odkształceń , tj. wielkoś ci qr wprowadza się w ten s p o s ó b , że w ramach ś cisłoś ci rozpatrywanej teorii zachodzi r ó w n o ś ć m (1.1) faijeijdV = f yQrqrda, gdzie V oznacza obję tość rozpatrywanej konstrukcji, с т ,7 — tensor n a p r ę ż e n i a, Etj — tensor odkształcenia, Qr — siły u o g ó l n i o n e , m — ich liczbę, a — pole wszystkich p r z e k r o j ó w danej konstrukcji. Istnieje naturalnie (por. [ 1 6 ] ) jednoznacznie okreś lone przekształcenie pola n a p r ę ż eń ffyjjjc), x e i, gdzie | e a jest rozpatrywanym przekrojem konstrukcji, w siły u o g ó l n i o n e ( 1 . 2 ) QX^) = Фг[<У ц {х )1 r = 1 , 2 , . . . , m . Operatory Фг są liniowe ' Ф М ;+ги) = Фг(р ц )+Фг(т ц ). ( } Ф ,Щ ) = Я Фг ( а 0 ) , gdzie A jest d o w o l n ą liczbą rzeczywistą. Przekształcenie odwrotne nie jest, w ogólnoś ci, jednoznaczne, j e d n a k ż e w obrę bie znanych teorii operują cych wielkoś ciami u o g ó l n i o n y m i (prę ty zginane, płyty, p o w ł o k i ) otrzymuje się jednoznaczne o d w r ó c e n i e zwią zku ( 1 . 2 ) dla przypadku czysto sprę ż ystego zachowania się m a t e r i a ł u przekroju. W y n i k a to z założ eń kinematycznych o d n o ś n ie moż liwych deformacji przekroju. Zatem m (1 4 ) Ц (Х ) = £ QriWjix), M a s * ; r=l gdzie afj(x) jest sprę ż ystym r o z k ł a d e m n a p r ę ż eń w przekroju, w y w o ł a n y m j e d n o s t k o w ą siłą u o g ó l n i o n ą Qr = 1, podczas gdy p o z o s t a ł e siły u o g ó l n i o n e r ó w n e są zeru, zaś tfj oznacza sprę ż ystą czę ść tensora n a p r ę ż e n i a. Wobec tego, stan n a p r ę ż e n ia w dowolnym punkcie przekroju m o ż e być przedstawiony w postaci m (1.5) Gij(x) = af,(x)+%(x) = y^Qralj+Sjj, r = 1 gdzie 0r(sjj) = 0 , r = 1 , 2 , . . . , m. Jeż eli dla danego typu konstrukcji uż yta teoria w wiel koś ciach u o g ó l n i o n y c h jest wystarczają co d o k ł a d n a , to w ramach jej ś cisłoś ci zbiór do wolnie wzię tych pól n a p r ę ż eń Sjj(x) dla poszczególnych p r z e k r o j ó w f m o ż e być u w a ż a ny za pole n a p r ę ż eń resztkowych, tj. n a p r ę ż eń spełniają cych warunki r ó w n o w a g i wewnę trz nej i pozostają cych w r ó w n a w a d z e z zerowymi obcią ż eniami z e w n ę t r z n y m i. P O D S T A W O W E T W I E R D Z E N I A D O S T O S O W Y W A N I A SIĘ K O N S T R U K C J I 151 W y k o n u j ą c operację (1.2) na r ó w n a n i a c h r ó w n o w a g i (lub wprost rozpatrują c warunki r ó w n o w a g i p r z e k r o j ó w ) , otrzymujemy r ó w n a n i a r ó w n o w a g i zapisane w siłach u o g ó l nionych (1.6) 2 ^ + ^ < ' ' к = \ ,2, ..., s, gdzie 2£kr są liniowymi operatorami róż niczkowymi, a Nk pewnymi wielkoś ciami okreś lo nymi przez zewnę trzne siły powierzchniowe i masowe. K a ż de pole Q°(S), f e e spełniają ce r ó w n a n i a (1.6) dla Nk = 0 bę dziemy, przez ana logię, n a z y w a ć resztkowym polem sił u o g ó l n i o n y c h . W pracy [16] wprowadzono, dla danego przekroju, poję cie powierzchni sprę ż ystej jako brzegu obszaru w przestrzeni sił u o g ó l n i o n y c h , w obrę bie k t ó r e g o ż a d en punkt przekroju nie doznaje uplastycznienia. Oznacza to, że powierzchnia sprę ż ysta dla m a t e r i a ł u sprę ż ystoplastycznego o k r e ś l o na jest, wobec (1.5), warunkiem ( i .7) 91 'Z e r « u r w + % w ] = к r = l w pewnym punkcie przekroju, a w p o z o s t a ł y c h
= к tylko na brzegu. Z tego faktu wypukłoś ci wypływa szereg waż nych własnoś ci powierzchni sprę ż ystych. Ze wzoru (1.7) widać, że powierzchnia sprę ż ysta o k r e ś l o na jest jednoznacznie przez podanie zwią zanych z nią n a p r ę ż eń s^x). Powierzchnię sprę ż ystą dla Sy(x) = 0, x e f n a z y w a ć bę dziemy dalej począ tkową powierzchnią sprę ż ystą. W y p u k ł o ś ć warunku plastycznoś ci m o ż na analitycznie zapisać w s p o s ó b nastę pują cy, jeż eli
)77(A),
(19)
F f ( x , 0 = ^ r ( < № ),
to j a k o siły u o g ó l n i o n e wziąć m o ż na parametry pt,p2, ...,pm (por. [11]), przy czym Tt
oznaczają siły powierzchniowe, Ft — obję toś ciowe.
152 J . A . K Ó N I G
2. Twierdzenia o dostosowaniu w y r a ż o ne w w i e l k o ś c i a ch u o g ó l n i o n y c h
Podstawowymi twierdzeniami w teorii dostosowywania się o ś r o d ka idealnie sprę ż ysto
plastycznego do obcią ż eń zmieniają cych się dowolnie w danych granicach są twierdzenia
M e l a n a i K o i t e r a (por. np. [6]) przytoczone p o n i ż e j. Twierdzenia te słuszne są ogólnie
pod warunkiem, że funkcje opisują ce stan n a p r ę ż e n ia i odkształcenia nie zawierają osob
liwoś ci oraz że obję tość rozpatrywanej konstrukcji jest s k o ń c z o n a. Zatem przypadki
koncentracji n a p r ę ż e ń, n a r o ż a lub lokalne plastyczne płynię cie muszą być wykluczone.
Twierdzenie Melana (1938). D l a dostosowania ciała potrzeba i wystarcza, aby istniało
niezależ ne od czasu pole n a p r ę ż eń resztkowych Qij(x) takie, by dla dowolnych zmian ob
cią ż eń w danych granicach zachodziła n i e r ó w n o ś ć
(2.1) ^j(x,t)+Qij(x)] [A Х Р г Ч у т а Д) 2 , ^ 2 ^ + Н + ( 1 Я ) 4] = Ą ^P^j+sl]^k.
Twierdzenie 3. N i e c h obszary A2 leżą odpowiednio w e w n ą t rz powierzchni sprę
ż ystych Si, S2 i niech przystaje do Л 2 poprzez ruch sztywny bez obrotu. Wtedy obszar
A = AAi + (l — X)A2, gdzie 0 < Я < 1 jest stałą, przystają cy w ten sam s p o s ó b do Ax
i A2 i p o ł o ż o ny mię dzy n i m i , leży wewną trz pewnej powierzchni sprę ż ystej S.
D o w ó d wynika z twierdzenia 2 , jeż eli p o ł o ż yć Px e A 1 ; P
2 e Л 2 . Wtedy obszar 5 Д po
krywa się z obszarem , 4 .
P O D S T A W O W E T W I E R D Z E N I A D O S T O S O W Y W A N I A SIĘ K O N S T R U K C J I 155
Twierdzenie 4. Jeż eli warunek plastycznoś ci <р (ри) = к spełnia (1.8) oraz funkcja
(p(Pij) jest parzysta wzglę dem n a p r ę ż eń
(3.1) 4>(. (°y) = C>(Oy) = к , gdzie atJ J£ Qra
r,j(x).
r=l
W a r u n k i (3.3) oznaczają, że
(3.5) ф ц +й ц ) < к , gdzie a 0 = ^ е ? < ; Ы + ^ ( ^ о ),
r—1
ф ( — t f y + « y) < fc» tj. у Щ —«y) < A:.
Z d w ó c h w a r u n k ó w (3.5) wynika dla Я = 1/2, że
? > | д O t y + e f yH у (f f y — « y ) l = >K) < к ,
co wraz z (3.4) stanowi sprzecznoś ć. Zatem oba punkty R\ R2 muszą leż eć na brzegu lub
na zewną trz tej samej powierzchni sprę ż ystej, a to dowodzi j u ż twierdzenia.
Twierdzenie 5. Jeż eli program obcią ż enia okre ś l ony jest przez u k ł a d nierównoś ci
(3.6) oCiPl < pi < p!, p1>0, «i>— 1, i= 1 , 2 , m,
gdzie pi oznaczają współczynniki obcią ż enia j a k we wzorach (1.9), to wtedy obszar do
stosowania w przestrzeni w s p ó ł c z y n n i k ó w p] jest wypukły.
4*
156 J . A . KONIG
D o w ó d : jeż eli punkty P1 = {p\,p\, P2 = O J ' , К . ...,psń ) należą do ob
szaru dostosowania, tzn. dana konstrukcja dostosowuje się do programu
с е я ?