Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS69\MTS69_t7z1_4_PDF\mts69_t7z3.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
3, 7 (1969)
STATECZNOŚĆ N I E P R Y Z M A T Y C Z N Y C H PRĘ TÓW W STRUMIENIU P Ł Y N U
ANTONI G A J E W S K I (KRAKÓW)
1. Wstęp
Rozwój współczesnych metod budowy maszyn, rozwój lotnictwa i techniki rakietowe
istotnie rozszerzył klasę badanych dotychczas obcią ż eń elementów konstrukcji, głównie
na tak zwane obcią ż enia niezachowawcze, a więc nie posiadają ce potencjału. Wś ród nich
wiele uwagi poś wię cono obcią ż eniu elementów konstrukcji ciś nieniem wywieranym przez
poruszają cy się z dużą prę dkoś cią strumień płynu.
W niniejszej pracy zajmiemy się badaniem statecznoś ci prę ta (płytki) niepryzmatycznego,
jednostronnie utwierdzonego, umieszczonego w strumieniu płynu. Prę dkość płynu jest
równa U, a jej kierunek równoległy do nieodkształconej osi prę ta. Ciś nienie boczne wy
wierane przez strumień płynu obliczymy z moż liwie najprostszego prawa opływu, z podanego
przez ILIUSZYNA [10] oraz ASHLEYA i ZARTARIANA [1], tzw. prawa tłokowego. Prawo to
i zakres jego stosowania omawia w elementarny sposób WOLMIR [18], a ś cisłe wyprowa
dzenie zamieszczone jest w pracy ILJUSZYNA [10], w której autor formułuje tzw. hipotezę
płaskich przekrojów. Przyjmując prawo tłokowe BOLOTIN [3] bada stateczność płyty w stru
mieniu gazu, a MOWCZAN [16], [17] drgania wspornikowej płyty o nieskoń czonej szerokoś ci,
poruszają cej się w gazie z dużą prę dkoś cią naddź wię kową, w kierunku od utwierdzenia
do swobodnego brzegu, oraz stateczność pokrycia skrzydła samolotu poruszają cego się
w gazie. Ponadto prawo tłokowe jest wykorzystane w pracach HEDGEPETHA [9], BIOTA [2]
i innych, a w Polsce przez KORDAS [14], która zbadała stateczność prę ta wspornikowego
opływanego równoległym strumieniem płynu, z równoczesnym uwzglę dnieniem działania
siły ś ledzą cej. Znacznie ś ciś lejsze prawa opływu, oparte na założ eniu istnienia potencjału
prę dkoś ci, są wykorzystane w pracach KACPRZYŃ SKIEGO i KALISKIEGO [11], DŻ YGADŁY
[5], [6], KALISKIEGO i SOLARZA [12], KALISKIEGO i WOROSZYŁA [13], oraz w innych pracach
tych samych autorów. N a ogół dotyczą one drgań samowzbudnych. (typu flatteru) powłok
cylindrycznych i stoż kowych opływanych strumieniem płynu oraz statecznoś ci drgań
rakiet sprę ż ystych. Przyję ty tu rozkład sił aerodynamicznych jest zgodny z podaną przez
DORRANCE'A [4] i MILESA [15] teorią opływu ciał smukłych. Ponadto w pracach tych po
równano rozwią zania uzyskane w oparciu o prawo tłokowe z rozwią zaniami ś ciś lejszymi.
Celem niniejszej pracy jest znalezienie rozwią zań jak najprostszych, które, chociaż nie
ś cisłe, pozwolą ocenić wpływ niepryzmatycznoś ci prę ta na prę dkość krytyczną strumienia
312 A . GAJEWSKI
gazu. Założ ymy, że utrata statecznoś ci nastę puje przez wyboczenie i bę dziemy stosowali
tylko statyczne kryterium statecznoś ci.
Pręt (płytka) niepryzmatyczny, jednostronnie utwierdzony, znajduje się w strumieniu
płynu. Prę dkość płynu jest równa U i jest równoległa do nieodkształconej osi prę ta. Za
kładają c, że mamy do czynienia z opływem stacjonarnym przyjmiemy, że ciś nienie boczne
jest okreś lone prawem tłokowym. W przypadkach prę ta niepryzmatycznego ciś nienie
z jednej jego strony jest wię ksze od ciś nienia płynu w obszarze niezaburzonym (w nieskoń
czonoś ci), a z drugiej mniejsze, przy czym po obu stronach jest prostopadłe do odpowied
nich ś cianek prę ta.
Wielkość tych ciś nień jest, zgodnie z prawem tłokowym, proporcjonalna do prę dkoś ci
płynu i do ką ta nachylenia ś cianki wzglę dem osi prę ta nieodkształconego. Ograniczając się
do badania utraty statecznoś ci przez wyboczenie, rozważ ymy działanie sił statycznych
na niepryzmatyczny prę t, przedstawiony na rys. 1. N a jedną stronę prę ta działa cią głe
obcią ż enie na jednostkę długoś ci równe
2. Założ enia upraszczają ce i równania podstawowe
Rys. 1
(2.1) Px = BUb(x)d.
gdzie В = Р о и /co jest stałą charakteryzują cą własnoś ci płynu. D l a gazu c0,po i U oznaczają
odpowiednio: prę dkość dź wię ku, ciś nienie i prę dkość płynu w obszarze niezaburzonym,
x — wykładnik politropy. D l a cieczy stałą В należy wyznaczyć doś wiadczalnie. Funkcja
STATECZNOŚĆ NIEPRYZMATYCZNYCH PRĘ TÓW 313
b(x) okreś la zmienną szerokość prę ta (płytki) w płaszczyź nie prostopadłej do płaszczyzny
wyboczenia, a kąt 6t jest zawarty mię dzy osią x i styczną do prę ta.
Podobnie na drugą stronę działa cią głe obcią ż enie
(2.2) P l = BUb{x)d2.
Jak widać z rysunku, ką ty <5j i d2 zależą od ugię cia prę ta oraz od stopnia zbież noś ci prę ta
(2.3) d1 =
, 62 =
— ką tem zawartym mię dzy osią prę ta i styczną do powierzchni. Obcią ż enia p{ i p2
należy rozłoż yć na składowe poziome i pionowe, co w rezultacie daje wypadkowe obcią
ż enie poziome równe
(2.4) p — j 9 1 c o s ó l + / 7 2 c o s ó 2
oraz obcią ż enie pionowe równe
(2.5) q = р ̂ sin ó) + p2 sin <52.
Ograniczymy się w dalszym cią gu do małych ką tów ó\ i ó2, tzn. do teorii małych ugięć
(95 1) oraz do prę tów smukłych (ip 4v2+ • • • ) * ? ] / '
2IU / ! Л (1 + у ^ 1 у ••) / = о .
Ponieważ do dalszych rozważ ań przyjmiemy tylko prę ty smukłe, wię c, jak wynika z ry
sunku oraz równania (2.8), nie popełniając wię kszego błę du moż emy pominąć wyrazy
zawierają ce drugie i wyż sze potę gi ką tów ę i f. . . . .
Wprowadzając bezwymiarowe zmienne у = w/1 i x = *//, bezwymiarowe obcią ż enia
PP Bb0UP
oraz zakładają c, że sztywność zmienia się według wzoru EJ = EJogipc), a szerokość
prę ta b = b0f(x), przekształcimy równanie (2.8) do postaci
(2.10) [g(x)y'T+P/'2<*f(.xW = °
314 A . GAJEWSKI
Do równania tego dołą czamy warunki brzegowe, wynikają ce z założ enia, że siła czołowa
ma charakter siły ś ledzą cej oraz z warunków utwierdzenia
Przejdziemy obecnie do podania rozwią zań dla dwóch typów prę tów: płaskozbież nego
o stałej wysokoś ci przekroju poprzecznego, wybaczają cego się z płaszczyzny zbież noś ci,
oraz płaskozbież nego o stałej szerokoś ci b = b0, wybaczają cego się w płaszczyź nie zbież
noś ci. W pierwszym przypadku stosowalność prawa tłokowego jest nie mniej uzasadniona
niż w zagadnieniach statecznoś ci prę tów (płytek) pryzmatycznych, natomiast w drugim
popełniamy wię ksze błę dy z powodu odrzucenia składowych pionowych ciś nienia. Je
dnakże przy założ eniu małego ką ta yi (niewielkiej zbież noś ci prę ta), również i tu stoso
wanie prawa tłokowego wydaje się uzasadnione.
Pręt jednostronnie utwierdzony, przedstawiony na rys. 2, poddany jest działaniu
ciś nienia bocznego na ś ciankę o zmiennej szerokoś ci b(x) = b0f(x). Założ ymy, że wysokość
przekroju prę ta jest stała i znacznie mniejsza niż szerokość oraz że opór czołowy jest
pomijalnie mały w porównaniu z ciś nieniem bocznym, /? = 0. To ostatnie założ enie jest,
jak widać z rysunku, uzasadnione w przypadku małej powierzchni przekroju poprzecznego
swobodnego koń ca prę ta.
Moment bezwładnoś ci jest tu zmienny w taki sam sposób jak szerokość prę ta: J =
= Jof(x) i równanie (2.10) ulega uproszczeniu
(2.11) У Ф ) = / ( 0 ) = g (!)/'(!) = [Gf/')'],=i = 0.
3. Stateczność prę ta płaskiego o wykładniczo zmiennej szerokoś ci
Rys. 2
(3.1) Ш у "]"2я /(х )у ' = 0 gdzie a =
STATECZNOŚĆ NIEPRYZMATYCZNYCH PRĘ TÓW 315
Założ ymy w dalszym cią gu, że szerokość prę ta zmienia się wykładniczo, tzn.
(3.2) f(x) = e",
gdzie Ё jest dowolną stałą, okreś lają cą stopień zbież noś ci prę ta. Podstawiając (3.2) do
równania (3.1) otrzymujemy równanie róż niczkowe liniowe czwartego rzę du o stałych
współczynnikach
(3.3) у1У+2е у '"+е
2у "2а у ' = 0.
Poszukując rozwią zania tego równania w postaci
(3.4) y(x) = CeXx,
dostajemy równanie charakterystyczne
(3.5) A 4 +2eA 3 +e 2 A 2 2aA = 0 ,
którego jeden pierwiastek jest równy zeru, h = 0, a pozostałe okreś lone są wzorami
Cardana. Przez podstawienie A = z—2/3e sprowadzamy równanie (3.5) do postaci ka
nonicznej
(3.6) Z 3 _ I Ł 2 Z _ | ^ . Ł 3 + 2 A | = 0
Ponieważ A = a(cc+2/27e3) > 0 przynajmniej dla dodatnich e (jak okaże się póź niej
również dla dowolnych ujemnych), więc
(3.7) k2=2(i—2e, X) = nĄ iy, XĄ = fiiy,
gdzie wprowadzono oznaczenia
^ 2 ( i / a + 2 T + ^ + i / a + ^ ł / j
r\ 2
3 E
(3.8)
Całką ogólną równania (3.3) jest więc funkcja
(3.9) y(x) = C i + C 2 e ^ + C 3 e " * s i n y x + C 4 e ^ c o s y . x ,
w której dowolne stałe C, ... C 4 należy wyznaczyć z warunków brzegowych (2.11).
Po wstawieniu (3.9) do (2.1) otrzymujemy układ równań liniowych i jednorodnych
ze wzglę du na stałe C ; , który ma niezerowe rozwią zanie tylko wtedy, gdy jego wyznacznik
główny jest równy zeru. Obliczając ten wyznacznik, dostajemy po przekształceniach
równanie przestę pne na poszukiwaną bezwymiarową prę dkość strumienia a w zależ noś ci
od parametru e
(3.10) 2 ( ^ + £ ) е 3 ^ 2 П ( 3 ^2 у 2 + 2 £ / г ) 8 т у + 2 у ( 2 ^ + е ) с о 8 у ] + у 0 г2 + у 2 ) = 0.
W przypadku, gdy e = 0 otrzymujemy równanie podane już przez MOWCZANA [17], BIOTA
[2], BOŁOTINA [3] i KORDASA [14]
(311) 2 e 3 " ° c o s ( l/3>0)+1 = 0, gdzie ^ = ~ У ~2*
316 A . GAJEWSKI
Pierwiastki równania przestę pnego (3.10) obliczono dla czterech wartoś ci s, miano
wicie: dla e = —2, a = 8,325; dla e = —1, •••1 (—'^й з +<• Ę ib
( 1 * ) ' 2 Ч ( 1 * Г
o
Wyraż enie to posiada osobliwość w punkcie x = 1, i aby uniknąć nieskoń czonych prze
krojów na koń cu prę ta, należy ją usunąć przez odpowiedni dobór stałych Cy i C2. Musimy
zaż ą dać, aby wartość x = 1 była podwójnym zerem licznika wzoru (4.8). Jak łatwo spraw
dzić, gdy
Z—i n+3 ^—/ и +4 n+4
л=0 л=0 л = 0
moż na licznik wzoru (4.8) podzielić przez (I—*)2. Uwzglę dniając ponadto dodatkowe
założ enie g(0) = 1 otrzymujemy nastę pują cy rozkład sztywnoś ci prę ta oraz zwią zek
mię dzy bezwymiarowymi obcią ż eniami
a [ V _ ? " 2 У ^ (lx)
n+i\eY Ь . ( l v ) + 2
. . . . . . а [ л 4 о " +3 2 Z ( „ + 3 ) ( W + 4 ) ( W + 5 )
U X ) J ^ , ( " + 3 ) ( n + 4 )
( 1 X )
(Ч .У ) g\X)— N ,
Ian(lxT
л=0
л=0 л =и л=0
Korzystając z powyż szych wzorów moż emy znaleźć dowolnie wiele rozwią zań podanego
problemu statecznoś ci. Oczywiś cie jesteś my tu, wobec stosowania metody odwrotnej,
«skazani» na rozwią zanie takie, jakie otrzymamy przy założ onej linii ugię cia prę ta. Mimo
to, mając do dyspozycji ogromną ilość moż liwoś ci doboru parametrów an, moż emy (co
prawda z duż ym nakładem prą cy) starać się przybliż yć otrzymany kształt prę ta do danego
z góry.
Przechodząc do przykładu przyjmiemy N = 0, a0 Ф 0 (af = 0 dla i > 0); wobec czego
(4.11) g(x)=a\j±(lx)
3]±mx) 2, 18а = 60+5/5.
STATECZNOŚĆ NIEPRYZMATYCZNYCH PRĘ TÓW 319
Przy sile czołowej równej zeru otrzymujemy pręt bardzo zbliż ony do pryzmatycznego
(4.12) = ! [ Ю ( 1 х )3 ] , a = ^ = 3,3333
(wobec a = 3,1651 dla prę ta pryzmatycznego).
N a zakoń czenie należy zauważ yć, że przyję cie prę dkoś ci strumienia płynu równej
zeru nie prowadzi do rozwią zań (fi < 0), ponieważ stosowane przez nas statyczne kryte
rium statecznoś ci nie może okreś lić ś ledzą cej siły krytycznej.
5. Sformułowanie problemu optymalnego kształtu prę ta niepryzmatycznego o stałej szerokoś ci,
opływanego strumieniem płynu
Opierając się na metodzie Czencowa szczegółowo przedstawionej w pracy [8] i równaniu
(4.1), w którym fi — 0, moż emy sformułować problem optymalizacji kształtu prę ta po
kazanego na rys. 4.
Do równania ugię tej osi prę ta
(5.1) [ g ( * ) / ' ] " 2 a / = 0
wprowadzimy nową zmienną zależ ną okreś loną wzorem
(5.2) y' = t",
(5.3) [g(x)t"']"2at" = 0.
Po dwukrotnym scałkowaniu (5.3) mamy
(5.4) g(x)t"'2 ti...,(J
Rozwią zanie równań (5.10) wydaje się bardzo trudne bez uż ycia maszyn cyfrowych.
320 A . GAJEWSKI
Na zakoń czenie należy stwierdzić, że uzyskane rozwią zania są obarczone błę dami,
wynikają cymi z przybliż onego charakteru stosowanego prawa opływu. Dalsze uś ciś lenie
wyników powinno polegać na zwię kszeniu dokładnoś ci i uogólnieniu tego prawa.
Pragnę tu również wyrazić podzię kowanie prof, dr inż. MICHAŁOWI Ż YCZKOWSKIEMU
za cenne wskazówki, udzielone mi podczas wykonywania tej pracy.
Literatura cytowana w tekś cie
1. H . ASHLEY, С. ZARTARIAN, Piston theory — a new aerodynamics tool for the aeroelastician, J. Aeronaut.
Sci., 12, 23 (1956), 11091118.
2. M . А. В ю т, The divergence of supersonic wings including chord wize bending, Report No 67, Cornell
Aeronautical Lab., 1954.
3 . В. В. Б о л о т и н, К в о п р о с у о б у с т о й ч и в о с т и п л а с т и н к и в п о т о к е с ж и м а е м о г о г а з а , В о п р о сы п р о ч
н о с ти м а т е р и а л ов и к о н с т р у к ц и й, И з д. А . Н . С С С Р, М о с к ва 1959, 194204.
4. W. Н. DORRANCE, Nonsteady supersonic flow about pointed bodies of revolution, JAS, 8, 18 (1951),
505511.
5. Z . D Ż Y G A D Ł O, Drgania samowzbudne powłoki cylindrycznej o skoń czonej długoś ci w opływie naddź wię
kowym, Biul. W A T , 8, 10 (1961).
6. Z . D Ż Y G A D Ł O, Drgania samowzbudne zaostrzonej powłoki stoż kowej w opływie naddź wię kowym, Biul.
WAT, 7, 10 (1961).
7. A . GAJEWSKI, Pewne problemy optymalizacji kształtu prę tów przy niekonserwatywnych zagadnieniach
statecznoś ci (w druku).
8. A . GAJEWSKI, M . Ż YCZKOWSKI, Optymalne kształtowanie prę ta ś ciskanego siłą skierowaną do bieguna,
Rozpr. Inż ., 2, 17 (1969).
9. J. M . HEDGEPETH, On the flutter of panels at high Mach number, JAS, 6, 23 (1956), 609610.
10. А . А . И л ь ю ш и н, З а к о н п л о с к и х с е ч е н и й в а э р о д и н а м и к е б о л ь ш и х с в е р х з в у к о в ы х с к о р о с т е й , П р и к л.
м а т. и м е х ., 6, 20 (1956), 7 3 3 7 5 5 .
11. J. KACPRZYŃ SKI, S. KALISKI, Flatter odksztalcalnej rakiety w opływie naddź wię kowym, Biul. WAT, 8,
(97), 9 (1960), 319.
12. S. KALISKI, L . SOLARZ, Drgania aerosprę ż yste i statecznoś ć wirują cej rakiety odksztalcalnej w opływie
zlinearyzowanym, Biul. WAT, 7, (107), 10 (1961).
13. S. KALISKI, S. WOROSZYŁ, Flatter odksztalcalnej rakiety w opływie naddź wię kowym wg drugiego
przybliż enia asymptotycznego, Biul. W A T , 8 (144), 13 (1964).
14. Z . KORDAS, Statecznoś ć prę ta opływanego równoległym strumieniem płynu przy uwzglę dnieniu oporu
czołowego, Rozpr. Inż ., 1 , 1 3 (1965), 1941.
15. J. W. MILES, The potential theory of unsteady supersonic flow, Cambridge 1959.
16. А . А . М О В Ч А Н, О к о л е б а н и я х п л а с т и н к и , д в и ж у щ е й с я в г а з е , П р и к л. м а т. и м е х ., 2, 20 (1956),
2 3 1 2 2 2 .
17. А . А . М О В Ч А Н, О б у с т о й ч и в о с т и п а н е л и , д в и ж у щ е й с я в г а з е , П р и к л. м а т. и м е х ., 2 , 21 (1957),
211243
18. А . С. В О Л Ь М И Р, У с т о й ч и в о с т ь д е ф о р м и р у е м ы х с и с т е м , М о с к ва 1967.
Р е з ю ме
У С Т О Й Ч И В О С ТЬ Н Е П Р И З М А Т И Ч Е С К ИХ С Т Е Р Ж Н Е Й, О Б Т Е К А Е М ЫХ П О Т О К ОМ
Ж И Д К О С ТИ
О п и р а я сь на п р я м ой п о р ш н е в ой з а к он и с т а т и ч е с к ий к р и т е р ий у с т о й ч и в о с т и, в р а б о те п о л у
ч е ны н е с к о л ь к ие р е ш е н ия п р о б л е мы у с т о й ч и в о с ти н е п р и з м а т и ч е с к о го с т е р ж н я, н а х о д я щ е г о ся
в п о т о ке ж и д к о с т и. П о с ле ф о р м у л и р о в ки з а д а чи и о б с у ж д е н ии п р и н я т ых п р е д п о л о ж е н ий о п р е
STATECZNOŚĆ NIEPRYZMATYCZNYCH PRĘ TÓW 321
д е л е на к р и т и ч е с к ая в е л и ч и на с к о р о с ти п о т о к а, д ля п л о с к о го с т е р ж н я, с э к с п о н е н ц и а л ь но и з м е н я
ю щ е й ся ш и р и н о й. П р и м е н яя о б р а т н ый м е т о д, п о л у ч е ны ф о р мы п л о с к их с т е р ж н е й, д ля в ы ше
п р е д п о л о ж е н н ых л и н ий п р о г и б а. В з а к л ю ч е н ии о п р е д е л е на п р о б л е ма о п т и м а л ь н ой ф о р мы н е п р и з
м а т и ч е с к о го с т е р ж ня с п о с т о я н н ой ш и р и н о й, о б т е к а е м о го п о т о к ом ж и д к о с ти и д а ю т ся д и ф ф е р е н
ц и а л ь н ые у р а в н е н ия о б с у ж д а е м ой з а д а ч и. Р е з у л ь т а ты р а б о ты н а до п р и н и м а ть к ак п р и б л и ж е н н ы е,
т ак к ак п р и н я т ый з а к он не я в л я е т ся т о ч н ы м.
S u m m a r y
STABILITY OF NONPRISMATIC BARS IN F L U I D FLOW
Applying a simple law of flow about a bar (plate) i.e. «piston theory» (plane section law), some so
lutions of the stability problem of nonprismatical bars in parallel fluid flow were obtained in this paper.
After formulation df the problem and discussion of simplifying assumptions, the critical velocity value
was determined for a flat bar with exponentially varying width.
By a further application of the inverse method, the shapes of flat bars were found under the assumed
deflection lines.
Finally, the problem of optimalization of a nonprismatic bar shape of constant width in fluid flow was
formulated.
Results of this work cannot be treated as exact ones inasmuch as the «piston theory» is an approximate
one.
OLITECHNIKA K R A K O W S K A
Praca została złoż ona w Redakcji dnia 18 stycznia 1969 r.