Аширбаев Н. К.

 Южно - Казахстанский государственный университет,Республика Казахстан

Особенности поведения контурных точек при распространении плоских волн

 в  однородном  теле прямоугольного сечения

 

Ниже исследована задача о распространении динамических возмущений в однородном массиве конечных размеров. Для простоты рассматривается тело, сечение которого имеет форму прямоугольника. Нестационарная динамическая проблема в однородных телах была предметом многочисленных исследований [1 – 6]. Основная цель, которая преследуется в настоящей работе, заключается в анализе влияния характера изменения внешней нагрузки на распространение динамических возмущений в упругой однородной среде и анализе явлений, происходящих на границе тела. Эти вопросы не получили надлежащего раскрытия в упомянутых работах.  Следует отметить, что  динамическая нагрузка приложена на ограниченном участке границы. По координате она имеет П–образную форму, а во времени изменяется в виде синусоидального импульса. Таким образом, по координате граничные условия не являются непрерывными. Они терпят разрыв первого рода в точках, в которых начинается действие П–образной динамической нагрузки. Такие точки являются особыми и при протекании динамических процессов являются источниками дополнительных дифрагированных волн. Сформулированная в терминах напряжений и скоростей смешанная задача  моделируется численно с помощью явной разностной схемы сквозного счета, основанной на методе пространственных характеристик[1-3]. 

       Постановка задачи.  Исследуется плоская деформация упругого тела с прямоугольным  поперечным  сечением.  Сечение имеет размеры 0  £ x 1 £ L 1   и  L £ x 2 £  L.

     В начальный момент времени  t =  0   на части     L*  £  x 2  £  L**  поверхности x 1 = 0   прикладывается внешняя нормальная П–образная нагрузка

 

                            p +q  = f (x 2, t) = A sin (wt),      

                                                  

                                                                          0 £  t  £  t*                      (1)

                            t  = 0,

 

изменяющаяся во времени  t  и постоянная по поперечной координате x 2 , а остальная часть поверхности  x 1 = 0 свободна от напряжений. В (1) принято, что A – амплитуда внешней нагрузки, а w её частота. Нагрузка действует на ограниченном участке времени  t*, определяя период его воздействия и соответствующую длину волны силы возбуждения. В моменты времени, превышающие  t *, нагрузка на этом участке границы полностью снимается, т.е. считается

 

                            p + q  = 0,      

                                                                         при  t ³  t*                       (2)

                            t  = 0.

 

 

Поверхность x 1 = L 1  не нагружена и потому считается свободной от каких–либо воздействий, т.е.

                            

                            p + q  = 0,      

                                                                         при  t ³  0                       (3)

                            t  = 0.

 

 

Наконец, поверхности x 2 = ± L  предполагаются  закрепленными  и  на  них скорости перемещений равны нулю в любой момент времени, т.е.

 

                      v1 (x 1; t) = v2 (x 1; t) = 0,          при  t ³  0                      (4)

 

Перечисленные граничные  условия (1) – (4) должны быть дополнены начальными условиями.  Предполагается,  что  в  начальный  момент времени  (t =  0)   тело  не  нагружено  и  находится  в  состоянии  покоя,  т.е.

 

  v1(x1; x 2; 0) = v 2 (x1; x 2; 0) = p ( x1; x 2; 0) = q (x1; x 2; 0)=

                

                       = t (x1; x 2; 0) = 0.                                                             (5)

 

В условиях плоской деформации волновой процесс во внутренних точках полосы описывается системой динамических уравнений гиперболического типа, содержащей в качестве неизвестных безразмерные напряжения   p, q, t,

 скорости перемещений    v 1 ,v 2 [1-3].

 

v1, t p , 1 q , 1t , 2 = 0 ;   v2, t p , 2 q , 2 t , 1 = 0 ;                           ( 6 )

g 2 ( g 2  – 1 ) -1 p , t – v1 ,1 – v2 , 2= 0 ;       g 2 q , t – v1 ,1+ v2 , 2 = 0 ;   

                       g 2 t , t – v1 , 2  + v2 , 1 = 0 .

 

 Поставленная задача решена методом пространственных характеристик, подробный алгоритм численной реализации которого изложен в [1-3]. В дополнение к известным соотношениям [1-3] получены разрешающие уравнения в особых точках   x 2  =  L*  и  x 2 =  L**  границы х1=0, для нахождения искомых функций, в которых граничные условия терпят разрыв первого рода.

     На базе разработанного алгоритма численной реализации создана единая программа расчетов на языке Фортран для  персональных ЭВМ. В качестве материала исследуемой изотропной среды используется сплав 30ХГСА со следующими свойствами: плотность  r = 7.9 * IO3 кг/m3, модуль упругости  E = 200 ГПа, коэффициент Пуассона n = 0.3. Для этих характеристик материала скорость распространения продольной волны с1 составляет 5817 m/сек, а скорость распространения сдвиговой волны с2 оказывается равной 3109 m/сек. Безразмерный параметр g для рассматриваемого материала оказывается равен 1.87.   Расчеты  проведены  для прямоугольной области  0  £ x1  £  100 h1 и  ½ x 2 ½ £ 100 h 2. При этом h1 = h 2 = h = 0.05. Шаг по времени t выбран в соответствии с необходимыми условиями  устойчивости используемой явной расчетной схемы. В расчетах он считался равным t =  0.025. Коэффициент А в равенстве (1) принят равным единице, а период приложенной импульсной нагрузки был выбран равным Т = 100t. Таким образом, круговая частота динамической нагрузки w принята равной w = p / Т = p / 100t.

   Обсуждается характер изменения во времени продольных v1, поперечных v2 скоростей частиц при распространении динамических возмущений, нормальных волн напряжений pq , а также энергии деформации U на граничных лицевой x 1 = 0 и тыльной x 1 = 100 h поверхностях исследуемого тела..

 

                                               

                                                ЛИТЕРАТУРА             

 

1. Клифтон Р. Дж. Разностный метод в плоских задачах ди­намической упругости. - Механика (Сб.перев.), 1968,   N1, с.103-122.

      2. Ержанов Ж. С., Каримбаев Т. Д., Байтелиев Т. Б. Двумерные волны напряжений в однородных и структурно-неоднородных средах. - Алма-Ата: Наука, 1983, 171 с.

      3. Ержанов Ж. С., Каримбаев Т. Д., Байтелиев Т. Волны напряжений в однородных и неоднородных средах. – Алматы: Гылым, 1998, 142 с.

      4. Аширбаев Н. К., Байтелиев Т. Б. Каримбаев Т. Д. Аналитические исследования влияния инородных включений на параметры волнового движения в упругом прямоугольнике // Изв. АН СССР, МТТ, 1987, N4, с. 126 – 133.

      5.  Аширбаев Н. К. Каримбаев Т. Д. Байтелиев Т. Б. Волновое поле в прямоугольной пластине с нецентральным отверстием // Прикладная механика, Киев, 1990, Т. 26, N 5, C. 76 – 81.

      6. Чебан В. Г. и др. Численные методы решения задач динамической теории упругости. – Кишинев: Штиинца, 1976, 225 с.