Контактные задачи для трансверсально-изотропного слоя
Автор: Пожарский Д.А., Золотов Н.Б.
Статья в выпуске: 2, 2022 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются две пространственные, одна осесимметричная и две плоские контактные задачи для трансверсально-изотропного упругого слоя, одна грань которого находится в условиях скользящей заделки. В пространственных и плоских контактных задачах плоскости изотропии могут быть параллельны или перпендикулярны граням слоя. В случае осевой симметрии плоскости изотропии параллельны граням слоя. При помощи интегрального преобразования Фурье контактные задачи сводятся к интегральным уравнениям относительно контактного давления, из которых предельными переходами можно получить известные уравнения соответствующих задач для изотропного слоя. Для решения пространственных задач с неизвестной областью контакта применяется метод нелинейных граничных интегральных уравнений, который позволяет одновременно определить контактные давления и область контакта. При выделении главной части ядра интегрального уравнения пространственной задачи, когда плоскости изотропии перпендикулярны граням слоя, используется полученное ранее в форме, свободной от квадратур, ядро интегрального уравнения соответствующей контактной задачи для трансверсально-изотропного полупространства. Интегральное уравнение осесимметричной задачи при помощи метода парных уравнений сводится к интегральному уравнению Фредгольма второго рода, для численного решения которого применяется метод механических квадратур. Получены замкнутые решения плоских контактных задач, основанные на специальных аппроксимациях символов ядер. Точность аппроксимаций возрастает с увеличением анизотропии. При этом уровень анизотропии можно охарактеризовать отличием отношения корней характеристического уравнения от единицы, соответствующей изотропному случаю. Расчеты механических характеристик и погрешностей аппроксимаций сделаны для известных трансверсально-изотропных материалов.
Теория упругости, контактные задачи, интегральные уравнения, трансверсальная изотропия, слой, скользящая заделка
Короткий адрес: https://sciup.org/146282467
IDR: 146282467 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.2.10
Contact problems for a transversely isotropic layer
Two spatial, one axisymmetric and two plane contact problems are considered for a transversely isotropic elastic layer with one face subjected to sliding support. In the spatial and plane contact problems, the planes of isotropy may be either parallel or perpendicular to the layer faces. In the case of axial symmetry, the planes of isotropy are parallel to the layer faces. By using Fourier integral transforms, the contact problems are reduced to integral equations with respect to the contact pressure, the limiting cases of which are the well-known equations of the corresponding problems for an isotropic layer. For solving the spatial problems with unknown contact domains, the nonlinear boundary integral equations method is used, which make it possible to determine the contact pressure and the contact domain simultaneously. To extract the kernel principal part of the spatial problem integral equation when the isotropy planes are perpendicular to the layer faces, it is used the kernel of the integral equation of the corresponding contact problem for a transversely isotropic half-space obtained earlier without quadratures. The integral equation of the axially symmetric problem is reduced to a Fredholm integral equation of the second kind with the help of the method of pair equations, and the method of mechanical quadratures is used for numerical solutions. Plane problems are solved in a closed form based on special approximations of the kernel symbols. The approximations accuracy grows as anisotropy increases. Here, the anisotropy level can be characterized by the difference between ratio of a characteristic equation roots and unit because the unit value corresponds to the isotropic case. Mechanical characteristics as well as errors of the approximations are calculated for well-known transversely isotropic materials.
Список литературы Контактные задачи для трансверсально-изотропного слоя
- Argatov I.I., Borodich F.M. A macro model for electroad-hesive contact of a soft finger with a touchscreen // IEEE Transactions on Haptics. - 2020. - Vol. 13, no. 3. - P. 504-510. DOI: 10.1109/TOH.2020.2969628
- Argatov I.I., Jin X.Q., Keer L.M. Collective indentation as a novel strategy for mechanical palpation tomography // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2020. - Vol. 143. -P. 104063. DOI: 10.1016/jjmps.2020.104063
- Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. -М.: Наука, 1977. - 416 с.
- Ding H., Chen W., Zhang L. Elasticity of transversely isotropic materials. - Dordrecht: Springer, 2006. - 435 p.
- Pan E., Chen W. Static Green's functions in anisotropic media. - New York: Cambridge University Press, 2015. - 356 p.
- Popov V.L., Heß M. Method of dimensionality reduction in contact mechanics and friction. - Berlin: Springer, 2015. - 265 p. DOI: 10.1007/978-3-642-53876-6
- Argatov I., Heß M., Pohrt R., Popov V.L. The extension of the method of dimensionality reduction to non-compact and non-axisymmetric contacts // ZAMM. - 2016. - Vol. 96, no. 10 -P. 1144-1155. DOI: 10.1002/zamm.201600057
- Barber J.R. Contact mechanics. - Berlin: Springer, 2018. -585 p. DOI: 10.1007/978-3-319-70939-0
- Argatov I. From Winkler's foundation to Popov's foundation // Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. - 2019. Vol. 17, no 2. - P. 181-190. DOI: 10.22190/FUME190330024A
- Уфлянд Я.С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 368 с.
- Ворович И.И., Александров В.М., Бабешко В.А. Неклассические смешанные задачи теории упругости. - М.: Наука, 1974. - 456 с.
- Александров В.М., Коваленко Е.В. Задачи механики сплошных сред со смешанными граничными условиями. - М.: Наука, 1986. - 336 с.
- Александров В.М., Ромалис Б.Л. Контактные задачи в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1986. - 176 с.
- Alexandrov V.M., Pozharskii D.A. Three-dimensional contact problems. - Dordrecht: Kluwer, 2001. - 406 p.
- Аналитические решения смешанных осесимметрич-ных задач для функционально-градиентных сред / С.М. Айзи-кович, В.М. Александров, А.С. Васильев, Л.И. Кренев, И.С. Трубчик. - М.: Физматлит, 2011. - 192 с.
- Напряженно-деформированное состояние упругого мягкого функционально-градиентного покрытия при внедрении сферического индентора / С.С. Волков, А.С. Васильев, С.М. Айзикович, Н.М. Селезнев, А.В. Леонтьева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2016. - № 4. - С. 20-34. DOI: 10.15593/peim.mech/2016.4.02
- Васильев А.С., Волков С.С., Айзикович С.М. Приближенное аналитическое решение задачи о вдавливании проводящего штампа в электроупругое полупространство с неоднородным покрытием // Доклады Академии наук. - 2018. -Т. 478, № 1. - С. 34-39. DOI: 10.7868/S0869565218010073
- Yastrebov V.A. Anciaux G., Molinari J.-F. From infinitesimal to full contact between rough surfaces: evolution of the contact area // International Journal of Solids and Structures. -2015. - Vol. 52. - P. 83-102. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2014.09.019
- Goryacheva I.G., Tsukanov I.Y. Modeling of normal contact of elastic bodies with surface relief taken into account // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 991, no. 1 -P. 012028. DOI: 10.1088/1742-6596/991/1/012028
- Пожарский Д.А. Периодические контактные и смешанные задачи теории упругости (обзор) // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2021. -№ 2. - С. 22-33. DOI: 10.18522/1026-2237-2021-2-22-33
- Yakovenko A., Goryacheva I. The periodic contact problem for spherical indenters and viscoelastic half-space // Tribology International. - 2021. - Vol. 161. - P. 107078. DOI: 10.1016/j .triboint.2021.107078
- Индикация термоупругой неустойчивости скользящего контакта с помощью заглубленной пьезокерамической прослойки / В.Б. Зеленцов, Б.И. Митрин, А.Г. Сукиязов, С.М. Айзикович // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2017. -№ 1. - С. 63-84. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.05
- Goryacheva I.G., Makhovskaya Y. Combined effect of surface microgeometry and adhesion in normal and sliding contacts of elastic bodies // Friction. - 2017. - Vol. 5, no. 3. - P. 339-350. DOI: 10.1007/s40544-017-0179-1
- He X., Li Q., Popov V.L. Simulation of adhesive contact of soft microfibrils // Lubricants. - 2020. - Vol. 8, no. 10. - P. 94. DOI: 10.3390/lubricants8100094
- He X., Li Q., Popov V.L. Strength of adhesive contact between a rough fibrillar structure and an elastic body: influence of fibrillar stiffness // Journal of Adhesion. - 2021. - Published online June 2021. - P. 1-14. DOI: 10.1080/00218464.2021.1939017
- Vasiliev A.S., Volkov S.S., Aizikovich S.M. Indentation of an axisymmetric punch into an elastic transversely-isotropic half-space with functionally graded transversely-isotropic coating // Materials Physics and Mechanics. - 2016. - Vol. 28, no. 1-2. - P. 11-15.
- Fabrikant V.I. Non-traditional contact problem for transversely isotropic half-space // Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics. - 2011. - Vol. 64, no. 2. - P. 151-170. DOI: 10.1093/qjmam/hbq029
- Давтян Д.Б., Пожарский Д.А. Действие полосового штампа на трансверсально изотропное полупространство // Прикладная математика и механика. - 2012. - Т. 76, вып. 5. -С. 783-794.
- Fabrikant V.I. Contact problem for an arbitrarily oriented transversely isotropic half-space // Acta Mechanica. - 2017. -Vol. 228, no. 4. - P. 1541-1560. DOI: 10.1007/s00707-016-1788-x
- Бедоидзе М.В., Пожарский Д.А. Взаимодействие штампов на трансверсально изотропном полупространстве // Прикладная математика и механика. - 2014. - Т. 78, вып. 4. -С. 576-582.
- Пожарский Д.А. Контакт транстропных тел в теории Герца // Прикладная механика и техническая физика. - 2018. -Т. 59, № 3. - С. 121-128. DOI: 10.15372/PMTF20180313
- Fabrikant V.I. Contact and crack problems in linear elasticity. - Sharjah: Bentham, 2010. - 1030 p.
- Fabrikant V.I. New approach to interface crack problems in transversely isotropic materials // ZAMP. - 2021. - Vol. 72. -P. 86. DOI: 10.1007/s00033-020-01445-y
- Галанов Б.А. Метод граничных уравнений типа Гам-мерштейна для контактных задач теории упругости в случае неизвестных областей контакта // Прикладная математика и механика. - 1985. - Т. 49, вып. 5. - С. 827-835.
- Пожарский Д.А. Фундаментальные решения статики упругого клина и их приложения. - Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-Принт», 2019. - 312 с. https://www.rfbr.ru/ rffi/ru/books/o_2089067
- Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. - М.: Наука, 1971. - 1108 с.