Уточненная модель упругопластического изгибного деформирования гибких армированных пологих оболочек, построенная на основе явной схемы типа «крест»
Автор: Янковский Андрей Петрович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
Сформулирована начально-краевая задача упругопластического деформирования перекрестно армированных по эквидистантным поверхностям гибких пологих оболочек. Механическое поведение материалов компонентов композиции искривленных панелей описывается определяющими уравнениями упругопластической среды Прандтля-Рёйсса-Хилла. Геометрическая нелинейность задачи рассматривается в приближении Кармана. Полученные разрешающие уравнения и соответствующие им начальные и граничные условия в обобщенных кинематических переменных позволяют с разной точностью рассчитывать напряженно-деформированные состояния в компонентах композиции и учитывать при этом у изготовленных из нее гибких пологих оболочек и пластин ослабленное сопротивление поперечному сдвигу. В первом приближении из построенных уравнений, начальных и граничных условий следуют соотношения, отвечающие традиционной неклассической теории Редди. Численное интегрирование поставленной начально-краевой задачи осуществляется на основе метода шагов по времени. Для аппроксимации производных по времени используются центральные конечные разности. На основе этой аппроксимации построена явная численная схема типа «крест» для случая приложения нагрузок взрывного типа. Исследованы особенности упругопластического динамического поведения армированной пологой сферической оболочки, имеющей в плане кольцевую форму, с абсолютно жесткой внутренней шайбой, а также цилиндрических панелей разной толщины, удлиненных прямоугольных в плане, под действием фронтальных нагрузок, порожденных воздушной взрывной волной. Пологие оболочки рационально армированы по направлениям главных напряжений и деформаций и жестко закреплены на опорных кромках. Показано, что в ряде случаев теория Редди становится совершенно неприемлемой для достижения адекватных результатов при расчетах упругопластически деформируемых пологих композитных оболочек даже при условии их относительно малой толщины. Продемонстрировано, что в силу геометрической и физической нелинейности исследуемой задачи динамическое поведение армированных искривленных панелей в значительной степени зависит от того, к какой из лицевых поверхностей оболочки - выпуклой или вогнутой - прикладывается внешняя нагрузка. Установлено, что наиболее вероятный механизм предразрушения таких конструкций заключается в накоплении связующим материалом композиции повреждений за счет малоцикловой усталости, возникающей в процессе осцилляций нагруженной армированной конструкции.
Пологие оболочки, армированные конструкции, упругопластическое деформирование, геометрическая нелинейность, теория редди, уточненные теории изгиба, динамическое поведение, схема типа "крест"
Короткий адрес: https://sciup.org/14320851
IDR: 14320851 | УДК: 539.4 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.3.22
A refined model of elastic-plastic bending deformation of flexible reinforced shallow shells based on explicit “cross” scheme
An initial-boundary value problem is formulated for elastoplastic deformation of flexible shallow shells, cross reinforced by equidistant surfaces. The mechanical behavior of the component materials of the composition of curved panels is governed by the Prandtl-Reuss-Hill equations for an elastoplastic medium. The geometric nonlinearity of the problem is considered in the Karman approximation. The resulting governing equations and the corresponding initial and boundary conditions in the generalized kinematic variables allow one to calculate with different accuracy the stress-strain state in the components of the composition of flexible shallow shells and plates, taking into account their weakened resistance to the transverse shear. The relations corresponding to the traditional non-classical Reddy theory are obtained in the first approximation from the equations, initial and boundary conditions. The numerical integration of the initial-boundary value problem is carried out on the basis of the method of steps in time. The central finite differences are used to approximate derivatives with respect to time. On the basis of this approximation the explicit numerical “cross” scheme is constructed in the case of impact loads of explosive type. The properties of elastoplastic dynamic behavior is investigated for the reinforced shallow spherical shell of annular form in plan, with a perfectly rigid inner insert, also for the cylindrical panels of rectangular elongated shape in plan of different thickness under the action of the front load generated by the air blast. Shallow shells are rationally reinforced in the directions of principal stresses and strains and at the supported edges they are rigidly clamped. It is shown that in some cases the Reddy theory is absolutely inadmissible to produce adequate results of calculations of the elastic-plastic deformable composite shallow shells, even with a relatively small thickness. It is demonstrated that, due to the geometrical and physical nonlinearity of the investigated problem, the dynamic behavior of reinforced curved panels significantly depends on the fact that the form of the front surface of the shell, subjected to the external load, is convex or concave. It is established that the most probable mechanism of pre-destruction of such structures is the accumulation of damage due to low-cycle fatigue of binder that occurs in the oscillation process of a reinforced structure.
Список литературы Уточненная модель упругопластического изгибного деформирования гибких армированных пологих оболочек, построенная на основе явной схемы типа «крест»
- Bannister M. Challenges for composites into the next millennium -a reinforcement perspective//Compos. Part A-Appl. S. -2001. -Vol. 32, no. 7. -P. 901-910.
- Mouritz A.P., Gellert E., Burchill P., Challis K. Review of advanced composite structures for naval ships and submarines//Compos. Struct. -2001. -Vol. 53, no. 1. -P. 21-42.
- Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. -СПб: Научные основы и технологии, 2010. -822 с.
- Gibson R.F. Principles of composite material mechanics. -Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2012.
- Gill S.K., Gupta M., Satsangi P. Prediction of cutting forces in machining of unidirectional glass fiber reinforced plastic composite//Front. Mech. Eng. -2013. -Vol. 8, no. 2. -P. 187-200. DOI
- Григоренко Я.М. Изотропные и анизотропные слоистые оболочки вращения переменной жесткости. -Киев: Наукова думка, 1973. -228 с.
- Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. -М.: Наука, 1974. -446 с.
- Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетерс Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. -Рига: Зинатне, 1980. -571 с.
- Андреев А.Н., Немировский Ю.В. Многослойные анизотропные оболочки и пластины. Изгиб, устойчивость и колебания. -Новосибирск: Наука, 2001. -287 с.
- Абросимов Н.А., Баженов В.Г. Нелинейные задачи динамики композитных конструкций. -Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2002. -400 с.
- Reddy J.N. Mechanics of laminated composite plates and shells: Theory and analysis. -Boca Raton: CRC Press, 2004.
- Muc A., Ulatowska A. Design of plates with curved fiber format//Compos. Struct. -2010. -Vol. 92, no. 7. -P. 1728-1733.
- Muc A., Muc-Wierzgoń M. An evolution strategy in structural optimization problems for plates and shells//Compos. Struct. -2012. -Vol. 94, no. 4. -P. 1461-1470.
- Баженов В.А., Кривенко О.П., Соловей Н.А. Нелинейное деформирование и устойчивость упругих оболочек неоднородной структуры: Модели, методы, алгоритмы, малоизученные и новые задачи. -М.: Книжный дом «Либроком», 2012. -336 с.
- Андреев А. Упругость и термоупругость слоистых композитных оболочек. Математическая модель и некоторые аспекты численного анализа. -Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2013. -93 c.
- Каледин В.О., Аульченко С.М., Миткевич А.Б., Решетникова Е.В., Седова Е.А., Шпакова Ю.В. Моделирование статики и динамики оболочечных конструкций из композиционных материалов. -М.: Физматлит, 2014. -196 с.
- Белькаид К., Тати А., Бумараф Р. Простой конечный элемент с пятью степенями свободы в узле, основанный на теории сдвигового деформирования третьего порядка//Механика композитных материалов. -2016. -Т. 52, № 2. -С. 367-384.
- Whitney J. A higher order theory for extensional motion of laminated composites//J. Sound Vib. -1973. -Vol. 30, no. 1. -P. 85-97.
- Композиционные материалы. Справочник/Под ред. Д.М. Карпиноса. -Киев: Наукова думка, 1985. -592 с.
- Справочник по композитным материалам: В 2-х кн./Под ред. Дж. Любина. -М.: Машиностроение, 1988. -448 с.
- Композиционные материалы. Справочник/Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. -М.: Машиностроение, 1990. -512 с.
- Maćko W., Kowalewski Z.L. Mechanical properties of A359/SiCp metal matrix composites at wide range of strain rates//Appl. Mech. Mater. -2011. -V. 82. -P. 166-171.
- Янковский А.П. Упругопластическое деформирование изгибаемых армированных пластин при ослабленном сопротивлении поперечному сдвигу//ПММ. -2013. -Т. 77, № 6. -С. 853-876.
- Янковский А.П. Применение явного по времени метода центральных разностей для численного моделирования динамического поведения упругопластических гибких армированных пластин//Вычисл. мех. сплош. сред. -2016. -Т. 9, № 3. -С. 279-297.
- Янковский А.П. Моделирование динамического поведения гибких армированных пластин из нелинейно-упругих материалов//Конструкции из композиционных материалов. -2017. -№ 1. -С. 12-26.
- Романова Т.П., Янковский А.П. Сравнительный анализ моделей изгибного деформирования армированных балок-стенок из нелинейно-упругих материалов//Проблемы прочности и пластичности. -2014. -Т. 76, № 4. -С. 297-309.
- Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. -М: Мир, 1972. -418 с.
- Самарский А.А. Теория разностных схем. -М.: Наука, 1989. -616 с.
- Houlston R., DesRochers C.G. Nonlinear structural response of ship panels subjected to air blast loading//Comput. Struct. -1987. -Vol. 26, no. 1-2. -P. 1-15.
- Zeinkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method. -Oxford: Butterworth-Heinemann, 2000. -707 p.
- Librescu L., Oh S.-Y., Hohe J. Linear and non-linear dynamic response of sandwich panels to blast loading//Compos. Part B-Eng. -2004. -Vol. 35, no. 6-8. -P. 673-683.
- Kazanci Z. Dynamic response of composite sandwich plates subjected to time-dependent pressure pulses//Int. J. Nonlinear Mech. -2011. -Vol. 46, no. 5. -P. 807-817.
- Новожилов В.В. Теория упругости. -Л.: Судпромгиз, 1958. -371 с.
- Немировский Ю.В., Янковский А.П. О некоторых особенностях уравнений оболочек, армированных волокнами постоянного поперечного сечения//Механика композиционных материалов и конструкций. -1997. -Т. 3, № 2. -С. 15-39.
- Фрейденталь А., Гейрингер Х. Математические теории неупругой сплошной среды. -М.: Физматгиз, 1962. -432 с.