Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS66\MTS66_t4z2\mts66_t4_z2.pdf
M E C H AN I K A
TEORETYCZNA
I STOSOWANA
2,4(1966)
O PEWN YM ZAG AD N IEN IU KONTAKTOWYM
N I E JE D N OR OD N E J PÓŁPŁASZCZYZN Y SPRĘ Ż YSTEJ
BARBARA S T A C H O W I Ć 2, G WID ON S Z E F E R (KRAKÓW)
1. Wstę p
N iejednorodny oś rodek sprę ż ysty był przedm iotem rozważ ań wielu autorów. Mię dzy
innymi klasyczny problem F lam an ta o rozkł adzie naprę ż eń w pół pł aszczyź nie, wywoł a-
nych sił ą skupioną , dział ają cą na brzegu, dla oś rodka niejednorodnego rozwią zany został
przez W. OLSZAKA i J. RYCH LEWSKIEG O [5] oraz S. G . LECH N ICKIEG O [4]. Oni też postawili
ogólnie problem poszukiwan ia postaci niejednorodnoś ci, okreś lonej zmiennym moduł em
sprę ż ystoś ci dla danego z góry stan u naprę ż enia.
Z adan ie to został o nastę pnie uogólnione n a przypadek pół przestrzeni przez N . A. Ro-
STOWCEWA [6]. N iektóre typy niejednorodnoś ci dla pół przestrzeni rozważ ał K. H RU BAN [2],
a pewne zagadnienie kon taktowe dla okreś lonego typu niejednorodnoś ci omawiał B. G . Ko-
REN IEW [3].
Rys. 1
W pracy niniejszej podam y rozwią zanie pł askiego zagadnienia kontaktowego dla
jedn ego i dwu sztywnych stempli spoczywają cych bez tarcia na izotropowej, niejedno-
rodnej pół pł aszczyź nie sprę ż ystej (rys. 1),
84 BARBARA ST AC H O WI C Z , G W I D O N SZ E F E R
N iejednorodność oś rodka przyjmujemy w postaci dopuszczają cej radialn y rozkł ad
naprę ż eń. Jak wiadomo [4] zachodzi to w wypadku, gdy m oduł Youn ga jest typu E(x, y) =
= E(r,
cos"'(p = E
Q
y"\ 0 < m < 1;
wtedy m am y:
d = 1, C2 = 0, 6 = — Bl, 72 = |/ ( l + m)( l — W/ ł),
(2.7) >
• Co
J
" 2
D la przemieszczeń otrzymujemy wię c z (2.4) i (2.5)
(2.9) 0 , ( i
Ze zwią zku (2.6) p o uwzglę dnieniu wartoś ci z (2.7) wynika nastę pują cy zwią zek dla funkcji
f i 0:
(2.10)
V
'(cp)+ } f(
prw , —5 I '
T Ł
11 + 3 • * " I / - . r r . —- —s 1
(2.13)
(£) jest poszukiwan ym naprę ż eniem.
P o wykorzystaniu (2.13) lub (2.12) dla ę = n/ 2 otrzymamy
lub krócej
(3.3)
l—um . rat f / >(!) ,
t u
»
1— A sin - -- r v /, dl; = A {x)
mn 2 J x—Ę \
m
—a
f Ĥ. dB = f( X)
BARBARA ST AC H O WI C Z , G W I D O N SZ E F E R
nmAx
gdzie
( 1—
Jest to równanie cał kowe F redholm a I rodzaju z ją drem osobliwym. C ał ka w (3.3)
ma sens jedynie dla m < 1, co jest wynikiem przyję tego typu nicjednorodnoś ci. R ówn an ie
(3.3) był o badane przez K. D . SAKALIU KA [7]. Stosują c przedł uż enie n a dziedzinę zmiennej
zespolonej, rozwią zując pomocniczo zagadnienie brzegowe H ilberta- R iem an na dla funkcji
analitycznych oraz sprowadzają c nastę pnie zadanie do równ an ia cał kowego Abela otrzy-
muje się rozwią zanie w postaci
(3.4)
gdzie
>«.. si n WOT d
l - m
271
f(t)dt
l - m
\ 2 /
s
nr
s
t)5 0,4 Q3 0,2 0.1 0 0,1 Q2 0,3 0,4 0,5
Rzą dne wykresu należ y pomnoż yć przez
nm j
Rys. 5
Cał ka we wzorze (3.4) nie jest elem entarna nawet dla prostych postaci funkcji f(f) [a wię c
A{t)]. M oż na ją obliczyć jedynie numerycznie. D la 'm == 1/2 i A(x) — A =* const otrzy-
mujemy rozwią zanie, którego wykres przedstawiono n a rys. 5. (Obliczenia przeprowadzon o
n a maszynie cyfrowej U M C- 1).
Z AG AD N I E N I E K O N T AK T O WE N I E JE D N O R O D N I ;; P ÓLP Ł ASZ C Z YZ NY 89
W dalszym cią gu rozpatrzym y kilka prostych przypadków zagadnienia odwrotn ego,
tzn. zakł adając zn an y rozkł ad n aprę ż eń pod stemplem wyznaczymy odpowiadają ce mu
przemieszczenie, tzn . kształ t stem pla.
P rzypuś ć my, że / ?(£) = p
0
— con st. Otrzymujemy wtedy z (3.3)
/ 4sin - y- ( l— (J,m) "
J
Asm —(I — pm)
i po obliczeniu cał ek
(3.5)
J/ I % • n nA(l—fim)sm. - z~
T lili r
1 —YYl
D la A- > a znajdujemy
]
t
\ x\ a mamy
(3- 8) 4 W —
. rm
A{ \ — f
. im
nm
Wykres dla m = ]/ 2 zamieszczono n a rys. 7.
w
(s)L(|, s) &.
94 BARBARA STACH OWICZ, G WID ON SZEFER
Podstawiając (4.8) i (4.10) do (4.6) znajdujemy
sm inn
p(f)K(l t)dt-
mn ,
ctg —
p(t)L (S, I)dt
i nastę pnie
smmT c— J
Ctg- j-
dt,
a oznaczając
(4.11)
otrzymamy ostatecznie
(4.12)
ctg-
p(t)M(i, t)dt,
a więc równanie cał kowe F redholma II rodzaju. Z uwagi na zł oż oną postać ją dra moż na
je rozwią zać tylko numerycznie.
Podobnie jak w przypadku jednego stempla rozpatrzymy jeszcze prosty przykł ad
wyznaczenia kształ tu stempli dla danego rozkł adu naprę ż eń. Przypuś ć my, że / ;(£) = p
a
=
= const. Wtedy z (4.1)
. nn
Po ~~t~m "ł " I 7 HI ~^ ~ ft
a po obliczeniu cał ek
(4.13) A{x) =
. im
in- _ -
nm l- m
- a)
1
- "
]
], xe[a, b].
Dla 0 < x < a
(4.14)
A{\ —
nm l~ w
Z AG AD N I E N I E KON TAKTOWE N IEJED N OROD N EJ P ÓŁ P Ł ASZ C Z YZ N Y 95
Dla x>b
A{\ -
(4.15) A(x) =
2
nm
Pa
— f u n ) sm- • -
r~- [(x+ by-m- (x+ a)l- m~(.x~b) 1- m+ (x- a)1- m],
1 —YYltiul i —YYl
D la m = 1/2 wykres przemieszczeń ma postać jak n a rys. 9.
% Jf'
Rzę dne wykresu
należ y pomnoż yć przez
n m
R ys. 9
L it erat u ra cytowana w tekś cie
1. <$>. JX. T AXO B. , Kpaeeue 3aóanu, <3>. M . Moci. M . M ocKBa.
4 . C . I \ JlEXH H IiKI- IWj PaduQAbiioe pacnpedejieHue nanpnjKemm e KAime u nojiyrwocKocmu c nepeMen-
IIOM ModyMM ynpyiocmu, npiiKK. M aT. M ex. , 2, 20 (1962), 146- 151.
5. W. O LSZ AK , J. R YC H LE WSK I , N ichthomogcnitats - Probleme im elastischen mid vorplastischen Berelchi
Óst. I n g. Archiv, 15 (1961), 130- 152.
6. H . A. POCTOBHEB, K meopuu ynpyiocmu neodhopodiwu cpcdu, IIpHKJi. M ax. M ex., 4, 23 (1964),
601- 611.
7. K. JX. C AK AJ I I O K , O6o6ią enuoe uumespamnoe ypamenue AÓSM, JJOKJI . AH C C C P , 4, T31 (1960).
" 748- 751.
8. W. SCH M EID LER, Iiitegratglcichungeii mit Anwendungen in Physik mul T echnik, Leipzig 1955.
P e 3 IO M e
O HEKOTOPOfł KOHTAKTHOft 3AJ3, IE flJIM HEOJ^HOPOAHOH,
n o jiym io c K O C T H
p ein em ie KOH T3KTH OH 3aflaqH flim OAHoro I I JI H flByx M- CBCTKHX nrraM noB, nonoHiUHXcn 6e3
Tpeim n Ha m o T p o n H o ń , HeoflHopoflHOii yn p yr o it nojiynjiocKocTH . H a ocHOBe pafliiajifcuoro pacn pefle-
Hanp«>KeHHH p,nn cocpeflOTOiieHHOH cm ibi, fleH CTByiomeii n a Kpaio, noc- rpoena (JjyHKiuM
96 BAR BAR A ST AC H O WI C Z , G W I D O N SZ E F E R
fljiH HanpfiJKeHHH u nepejiemenH H una Heofli- iopoflHOCTH Tuna E(x,y) — E
a
y
m
. Bo n p o c o KOHiaKTe
rmaM na CBOflmcH K HHTerpajiŁHOMy ypaBHCHHio pe#rojihMa n ep Bo ro p o # a co
F IpeflnaraeiCH pen iem ie STCTO ypaBHeHHH. KpoMC Toro o6cy>KflaerrcH HecKOJitKO n pum epoB oGpaTHoM
T . e. RT L SI n o 3aflaHHOMy pacnpefleneH H io iianpHHceiiHft n o a uiTamnoM onpcfleJinioTCH nepeine-
(cpopma niTaM na).
flByx uiTamnoE noiiKHO CBCCTH K ypaBn eim io
BToporo p o n a .
S u m m a r y
ON A CON TACT PROBLEM F OR N ON H OM OG EN EOU S ELASTIC H ALF - PLANE
A solution to the contact problem for one and two rigid punches lying without friction on the isotropic
nonhomogeneous elastic half- plane is presented. Starting from the radial stress distribution for concen-
trated force applied on the edge, the G reen function for stresses and displacements is built in case of non-
homogeneity of the type E(x, y) — E
a
y
m
. The contact problem for a punch is reduced to the Fredholm
integral equation of the first kind with the kernel of weak singularity. The solution of this equation is given.
Also, some examples of the inverse problem are investigated, i. e. the determination of the displacements
or the shape of the punch when the stresses under the punch are assumed.
It is shown that the problem of the pressure of two punches can be reduced to the F redholm integral
equation of the second kind.
P OLI TEC H N I KA KRAKOWSKA
Praca został a zł oż ona w Redakcji dnia 17 grudnia 1965 r.