Уравнения Феппля – фон Кармана - Föppl–von Kármán equations - Wikipedia

В Уравнения Феппля – фон Кармана, названный в честь Август Фёппл[1] и Теодор фон Карман,[2] представляют собой набор нелинейных уравнения в частных производных описание больших прогибов тонких плоских пластин.[3] С приложениями, начиная от дизайна корпуса подводных лодок к механическим свойствам клеточной стенки,[4] уравнения, как известно, сложны для решения и принимают следующий вид:[5]

куда E это Модуль для младших материала пластины (предполагается однородным и изотропным), υ это Коэффициент Пуассона, час толщина пластины, ш - отклонение пластины от плоскости, п - внешняя нормальная сила на единицу площади пластины, σαβ это Тензор напряжений Коши, и α, β находятся индексы которые принимают значения 1 и 2 (два ортогональных направления в плоскости). Двумерный бигармонический оператор определяется как[6]

Уравнение (1) выше может быть получено из кинематический предположения и учредительные отношения для тарелки. Уравнения (2) - это два уравнения сохранения количества движения в двух измерениях, в которых предполагается, что напряжения вне плоскости (σ33,σ13,σ23) равны нулю.

Справедливость уравнений Феппля – фон Кармана

Хотя уравнения Феппля – фон Кармана представляют интерес с чисто математической точки зрения, физическая справедливость этих уравнений вызывает сомнения.[7] Ciarlet[8] состояния: Двумерные уравнения фон Кармана для пластин, первоначально предложенные фон Карман [1910], играют мифическую роль в прикладной математике. Хотя они были обильно и удовлетворительно изучены с математической точки зрения, особенно в отношении различных вопросов существования, регулярности и бифуркации их решений, их физическая надежность часто подвергалась серьезным сомнениям. Причины включают факты, которые

  1. теория зависит от приблизительной геометрии, которая четко не определена
  2. данное изменение напряжения по поперечному сечению принимается произвольно
  3. используется линейное определяющее соотношение, которое не соответствует известному соотношению между четко определенными мерами напряжения и деформации
  4. некоторые компоненты деформации произвольно игнорируются
  5. существует путаница между эталонными и деформированными конфигурациями, что делает теорию неприменимой к большим деформациям, для которых она, очевидно, была разработана.

Условия, при которых эти уравнения действительно применимы и дадут разумные результаты при решении, обсуждаются в Ciarlet.[8][9]

Уравнения в терминах функции напряжений Эйри

Три уравнения Феппля – фон Кармана можно свести к двум, если ввести Функция воздушного стресса куда

Уравнение (1) принимает вид[5]

в то время как функция Эйри удовлетворяет по построению уравнению баланса сил (2). Уравнение для получается, усиливая представление деформации как функции напряжения. Один получает [5]

Чистый изгиб

Для чистый изгиб тонких пластин уравнение равновесия имеет вид , куда

называется изгиб или же цилиндрическая жесткость пластины.[5]

Кинематические допущения (гипотеза Кирхгофа)

При выводе уравнений Феппля – фон Кармана основное кинематическое допущение (также известное как Гипотеза Кирхгофа) в том, что нормали к поверхности к плоскости пластины остаются перпендикулярными пластине после деформации. Также предполагается, что смещения в плоскости (мембраны) малы, а изменение толщины пластины незначительно. Из этих предположений следует, что поле смещения ты в пластине можно выразить как[10]

в котором v - смещение в плоскости (мембраны). Эта форма поля смещения неявно предполагает, что величина вращения пластины мала.

Отношения деформация-смещение (деформации фон Кармана)

Компоненты трехмерного лагранжиана Тензор деформации Грина определены как

Подстановка выражений для поля смещения в приведенные выше дает

Для небольших штаммов, но умеренные вращения, члены более высокого порядка, которыми нельзя пренебречь, являются

Пренебрегая всеми другими членами более высокого порядка и выполняя требование, чтобы пластина не изменяла свою толщину, компоненты тензора деформации сводятся к фон Карман штаммы

Первые члены являются обычными малыми деформациями для средней поверхности. Вторые члены, включающие квадраты градиентов смещения, являются нелинейными, и их необходимо учитывать при довольно большом изгибе пластины (когда угол поворота составляет около 10-15 градусов). Эти первые два термина вместе называются мембранные штаммы. Последние члены, включающие вторые производные, являются изгибные (изгибные) деформации. Они связаны с кривизной. Эти нулевые члены обусловлены предположениями классической теории пластин, согласно которой элементы, нормальные к средней плоскости, остаются нерастяжимыми, а линейные элементы, перпендикулярные средней плоскости, остаются нормальными к средней плоскости после деформации.

Отношения напряжения и деформации

Если предположить, что Тензор напряжений Коши компоненты линейно связаны с деформациями фон Кармана соотношением Закон Гука, пластина изотропная и однородная, и что пластина находится под плоское напряжение условие,[11] у нас есть σ33 = σ13 = σ23 = 0 и

Расширяя термины, три ненулевых напряжения равны

Результирующие напряжения

В результирующие напряжения в пластине определяются как

Следовательно,

устранение смещений в плоскости приводит к

и

Решения легче найти, если основные уравнения выражены в терминах равнодействующих напряжений, а не напряжений в плоскости.

Уравнения равновесия

Слабая форма пластины Кирхгофа

здесь Ω обозначает среднюю плоскость. Слабая форма приводит к

Результирующие основные уравнения:

Уравнения Феппля – фон Кармана в терминах равнодействующих напряжений

Уравнения Феппля – фон Кармана обычно выводятся с помощью энергетического подхода с учетом вариации внутренней энергии и виртуальной работы, совершаемой внешними силами. Результирующие статические управляющие уравнения (уравнения равновесия):

Когда прогибы малы по сравнению с габаритными размерами пластины и не учитываются деформации средней поверхности,

.

Уравнения равновесия сводятся (чистый изгиб тонких пластин) в

.

Рекомендации

  1. ^ Фёппл, А., "Vorlesungen über technische Mechanik", Б.Г. Teubner, Корп. 5., с. 132, Лейпциг, Германия (1907)
  2. ^ фон Карман, Т., "Festigkeitsproblem im Maschinenbau", Энцик. D. Математика. Wiss. IV, 311–385 (1910)
  3. ^ Cerda, E .; Махадеван, Л. (19 февраля 2003 г.). «Геометрия и физика морщин». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 90 (7): 074302. Дои:10.1103 / Physrevlett.90.074302. ISSN  0031-9007.
  4. ^ Дэвид Харрис (11 февраля 2011 г.). «Фокус: упрощение мятой бумаги». Физический обзор. Получено 4 февраля 2020.
  5. ^ а б c d «Теория упругости». Л. Д. Ландау, Э. М. Лифшиц, (3-е изд. ISBN  0-7506-2633-X)
  6. ^ Двумерный Лапласиан, Δ, определяется как
  7. ^ Уравнения пластины фон Кармана http://imechanica.org/node/6618 Проверено вторником 30 июля 2013 г., 14:20.
  8. ^ а б Ciarlet, П. Г. (1990), Пластины и переходы в упругих мультиконструкциях, Springer-Verlag.
  9. ^ Ciarlet, Philippe G. (1980), "Обоснование уравнений фон Кармана", Архив рациональной механики и анализа, 73 (4): 349–389., Bibcode:1980ArRMA..73..349C, Дои:10.1007 / BF00247674
  10. ^ Ciarlet, Philippe G. (1980), "Обоснование уравнений фон Кармана", Архив рациональной механики и анализа, 73 (4): 349–389., Bibcode:1980ArRMA..73..349C, Дои:10.1007 / BF00247674
  11. ^ Как правило, предположение нулевое напряжение вне плоскости сделано на этом этапе.

Смотрите также