Исследование электромагнитоупругого состояния конечной многосвязной тонкой плиты
Автор: Калоеров С.А., Сероштанов А.В.
Статья в выпуске: 4, 2023 года.
Бесплатный доступ
С использованием комплексных потенциалов теории изгиба тонких электромагнитоупругих плит получено решение задачи об изгибе конечной плиты с произвольными отверстиями и трещинами. При этом с помощью конформных отображений, разложений голоморфных функций в ряды Лорана и по полиномам Фабера и удовлетворения граничным условиям на контурах плиты обобщенным методом наименьших квадратов задача сведена к решению переопределенной системы линейных алгебраических уравнений методом сингулярных разложений. Описаны результаты численных исследований для круговой плиты с круговым отверстием, круговой плиты с внутренней или краевой трещиной, для плиты с двумя внутренними отверстиями или внешними выемами. Исследованы закономерности влияния физико-механических свойств материала плиты и геометрических характеристик отверстий, трещин и выемов на значения изгибающих моментов и коэффициентов интенсивности моментов для концов трещин. Установлено, что влияние учета пьезосвойств материала на значения изгибающих моментов в плите велико и ими при исследовании напряженно-деформированного состояния пренебрегать нельзя, то есть нужно решать задачу электромагнитоупругости, а не задачу классической теории изгиба анизотропной плиты, к тому же при действии только электромагнитного поля в пьезоплите возникают достаточно большие изгибающие моменты (следовательно, напряжения и деформации), и их можно найти только решая задачу электромагнитоупругости. Определено, что трещину в плите можно рассматривать как эллиптическое отверстие, у которого отношение полуосей менее 10-3, и в этих случаях можно вычислять коэффициенты интенсивности механических и электромагнитных моментов. Также установлено, при каких расстояниях между контурами влияние одного из них на напряженно-деформированное состояние около другого незначительно и им можно пренебречь.
Пьезоплита с отверстиями и трещинами, комплексные потенциалы, обобщенный метод наименьших квадратов, изгибающие моменты, коэффициенты интенсивности моментов
Короткий адрес: https://sciup.org/146282735
IDR: 146282735 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.04
Investigation of the electro-magneto-elastic state of a finite multiply connected thin plate
The problem of bending a finite plate with arbitrary holes and cracks is solved with the use of complex potentials of the theory of bending of thin electro-magneto-elastic plates. Moreover, with the help of conformal mappings, expansion of holomorphic functions into the Laurent series or Faber polynomials owing to satisfaction of boundary conditions on the contours of the plate by the generalized least squares method, the problem is reduced to solving an overdetermined system of linear algebraic equations by the method of singular value decompositions. Results of numerical investigations for a circular plate with a circular hole, for a circular plate with an internal or edge crack, for a plate with a two circular internal holes or external recesses are reported. We study how physical and mechanical properties of the plate material and geometric characteristics of holes, cracks and recesses influence the values of the bending moments and moments intensity factors for the crack ends. It is important to consider the piezoproperties of the material on the values of bending moments in the plate. They cannot be neglected in the study of the stress-strain state, that is, it is necessary to solve the problem of electro-magneto-elasticity, and not the problem of the classical theory of bending of an anisotropic plate. Moreover under the electromagnetic field in the piezoelectric plate there are sufficiently large bending moments (hence stresses and deformations), and they can be found only by solving the problem of electro-magneto-elasticity. It is determined that a crack in a plate can be considered as an elliptical hole, in which the ratio of the semiaxes is less than 10-3, and in these cases it is possible to calculate the intensity factors of mechanical and electromagnetic moments. We also outline the distances between the contours, which have an insignificant influence of one of them on the stress-strain state around the other and can be neglected.
Список литературы Исследование электромагнитоупругого состояния конечной многосвязной тонкой плиты
- Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях // Физическая акустика / под ред. У. Мэзона. – М.: Мир, 1966. – Т. 1, ч. А. – С. 204–326.
- Кэди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение. – М.: Иностр. лит., 1949. – 717 с.
- Магнитоэлектрические материалы / М.И. Бичурин [и др.] – М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2006. – 296 c.
- Пятаков А.П. Магнитоэлектрические материалы и их практическое применение // Бюллетень МАГО. – 2006. – Т. 5, № 2. – С. 1–3.
- Rahmoune M., Benjeddou A., Ohayon R. New thin piezoelectric plate models // J. Intell. Mater. Syst. Struct. – 1998. – Vol. 9. – Р. 1017–1029.
- Srinivas S., Jiang Y.L. The effective magnetoelectric coefficients of polycrystalline multiferroic composites // Acta Mater. – 2005. – Vol. 53. – Р. 4135–4142. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.05.014
- Vel S.S., Batra R.C. Exact solution for the cylindrical bending of laminated plates with embedded piezoelectric shear actuators // Smart Mater. Struct. – 2001. – Vol. 10. – Р. 240–251. DOI: 10.1088/0964-1726/10/2/309
- Бочкарев С.А., Лекомцев С.В. Гидроупругая устойчивость коаксиальных цилиндрических оболочек, выполненных из пьезоэлектрического материала // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 2. – С. 35–48. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.04
- Шляхин Д.А., Кальмова М.А. Нестационарная задача термоэлектроупругости для длинного пьезокерамического цилиндра // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2021. – № 2. – С. 181–190. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.16
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1982. – 621 с.
- Можен Ж. Механика электромагнитных сплошных сред. – М.: Мир, 1991. – 560 с.
- Новацкий В. Электромагнитные эффекты в твердых телах. – М.: Мир, 1986. – 160 с.
- Партон В.З., Кудрявцев Б.А. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел. – М.: Наука, 1988. – 472 с.
- Eringen A.C., Maugin, G.A. Electrodynamics of Continua I. – Springer, New York, 1990. – 436 p. DOI: 10.1007/978-1-4612-3226-1
- Eringen A.C. Theory of electromagnetic elastic plates // International journal of engineering science. – 1989. – Vol. 27, no. 4. – Р. 363–375. DOI: 10.1016/0020-7225(89)90128-6
- Galeş C., Baroiu N. On the bending of plates in the electromagnetic theory of microstretch elastity // ZAMM – Journal of Applied Mathematics and Mechanics. – 2014. – Vol. 94, no. 1–2. – Р. 55–71. DOI: 10.1002/zamm.201200219
- Ieşan D., On the bending of piezoelectric plates with microstructure // Acta Mech. – 2008. – Vol. 198, no. 3. – P. 191–208. DOI: 10.1007/s00707-007-0527-8
- Librescu L., Hasanyan D., Ambur D.R. Electromagnetically conducting elastic plates in a magnetic field: modeling and dynamic implications // International journal of non-linear mechanics. – 2004. – Vol. 39, no. 5. – P. 723–739.
- Xu S.-P., Wang W. Bending of piezoelectric plates with a circular hole // Acta Mech. – 2009. – Vol. 203. – P. 127–135. DOI: 10.1007/s00707-008-0025-7
- Yang J. The Mechanics of Piezoelectric Structures. – Singapore: World Scientific, 2006. – 313 p. DOI: 10.1142/6057
- Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. – М.: Наука, 1977. – 416 с.
- Калоеров С.А., Петренко А.В. Двумерные задачи электромагнитоупругости для многосвязных тел. – Донецк: Юго-Восток. – 2011. – 232 с.
- Калоеров С.А. Основные соотношения прикладной теории изгиба тонких электромагнитоупругих плит // Вестн. ДонНУ. Сер. А. Естеств. науки. – 2022. – № 1. – С. 20–38.
- Калоеров С.А., Сероштанов А.В. Исследование изгиба тонких электромагнитоупругих плит // Прикладная мехника и техническая физика. – 2022. – Т. 63, № 2. – С. 151–165.
- Калоеров С.А., Паршикова О.А. Термовязкоупругое состояние многосвязной анизотропной пластинки // Прикладная механика. – 2012. – № 3 (48). – С. 103–116.
- Калоеров С.А., Горянская Е.С. Двумерное напряженное состояние многосвязного анизотропного тела с полостями и трещинами // Теорет. и прикладная механика. – 1995. – № 25. – С. 45–56.
- Калоеров С.А., Авдюшина Е.В., Мироненко А.Б. Концентрация напряжений в многосвязных изотропных пластинках. – Донецк: Изд-во ДонНУ, 2013.– 440 с.
- Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры. – М.: Наука, 1977. – 304 с.
- Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. – М.: Мир, 1980. – 280 с.
- Drmač Z., Veselič K. New fast and accurate Jacobi SVD algorithm. 1 // SIAM J. Matrix Anal. Appl. – 2008. – Vol. 29, no. 4. – P. 1322–1342.
- Drmač Z., Veselič K. New fast and accurate Jacobi SVD algorithm. 2 // SIAM J. Matrix Anal. Appl. – 2008. – Vol. 29, no. 4. – P. 1343–1362.
- Калоеров С.А. Определение коэффициентов интенсивности напряжений, индукции и напряженности для много-связных сред // Прикладная механика. – 2007. – Т. 43, № 6. – С. 56–62.
- Tian W.-Y., Gabbert U. Multiple crack interaction problem in magnetoelectroelastic solids // Europ. J. Mech. Part A. – 2004. – Vol. 23. – P. 599–614. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2004.02.002
- Yamamoto Y., Miya K. Electromagnetomechanical Interactions in Deformable Solids and Structures. – Amsterdam: Elsevier Science-North Holland, 1987. – 450 p.
- Hou P.F., Teng G.-H., Chen H.-R. Three-dimensional Greens function for a point heat source in two-phase transversely isotropic magneto-electro-thermo-elastic material // Mech. Mater. – 2009. – Vol. 41. – P. 329–338. DOI: 10.1016/j.mechmat.2008.12.001.
