Boundary value problem of nonsymmetrical deformation of the cylindrical vessel with liquid in the thermal field

Abstract


We framed a precise solution of the nonsymmetrical boundary value problem of the elasticity theory for a cylindrical vessel with liquid placed in the thermal field. The thermoelastic problem is unlinked, i.e. at first we solve the thermal conductivity equation, and then the linear problem of the elasticity theory for a circular cylinder in displacements. It should be noted that until the present time there were no precise solutions of nonsymmetrical problems of the elasticity theory in the cylindrical coordinate system with a consideration of the thermal field. It is explained by the complexity of the system of resolvent equations, such as high order, variable coefficients. The authors of the article managed to form integrable combinations of resolvent equations in this work, at first by taking no account and then considering the thermal fields. For this purpose an additional equation related to a volumetric deformation was introduced into the system of resolvent equations instead of the relator connecting the volumetric deformation with the movement of the cylinder points. When we took into account the heat conduction equation, we managed to gain the equation which had been obtained earlier without the consideration of the thermal elements. As a result, the problem was brought to a successive solution of each equation separately. Since the additional equation was obtained by the derivation of the rest of the equations, the order of the resolvent equations system became higher which resulted in «excess» constants of the integration. The authors proved that the use of the replaced correlation between the volumetric deformation and displacements as an additional condition eliminated this disadvantage. We formed a precise solution of the boundary value problem for the cylindrical vessel with liquid upon the condition of the linear dependence of temperature and displacements of the cylinder along its axis. The numerical example was considered where the temperature of the external side area of the cylinder is changed in the circumferential direction.

Full Text

Решением задач деформации цилиндрических конструкций в температурных и силовых полях ученые всего мира занимаются более 100 лет. Рассматривались в основном одномерные и двумерные задачи (стержни, балки, пластины, тонкие оболочки, осесимметричные задачи теории упругости, бесконечно длинные цилиндры). К середине прошлого века были построены разрешающие уравнения, описывающие деформацию оболочек вращения, а также получены точные решения простейших задач упругости и термоупругости, являющиеся в настоящее время классическими [1-13]. Абсолютное большинство точных решений реализовано в декартовой системе координат, так как уравнения в этой системе наиболее просты. Построено несколько решений осесимметричных краевых задач теории упругости в цилиндрических и сферических координатах [21-32]. Точных решений трехмерных краевых задач теории упругости практически не было. Решены были только уравнения относительно объемной деформации цилиндра и шара [9]. Это было связано с непреодолимыми на тот момент трудностями построения интегрируемых комбинаций разрешающих уравнений как относительно перемещений, так и напряжений. С последней четверти XX века появилось большое количество приближенных решений, в том числе и трехмерных задач, основанных на численных методах. Численные решения позволили существенно увеличить число рассматриваемых областей, в том числе сложных конфигураций. Поскольку при численном решении не важно, в какой системе координат решать краевую задачу, использовалась декартова система координат. Интерес к аналитическим решениям задач появился, когда встал вопрос о достоверности численных решений. Проверка могла быть осуществлена либо экспериментом, что затруднительно по финансовым и иным соображениям, либо сравнением с точными решениями. Для увеличения числа аналитических решений краевых задач появилась необходимость получать решения в иных системах координат. Однако преодолеть трудности решения уравнений и выполнения краевых условий, близких к реальным, удалось не сразу. Привести систему разрешающих уравнений трехмерной теории упругости в цилиндрической и сферической системах координат к отдельным уравнениям относительно каждой искомой функции и проинтегрировать их удалось авторам данной статьи [14-20]. Опубликованных работ по этому направлению нет. Настоящая работа обобщает эти результаты на задачу теомоупругости. Рис.1. Цилиндрический резервуар Fig.1. Cylindrical vessel В цилиндрической системе координат рассматривается несвязанная задача термоупругости для цилиндрического резервуара с жидкостью, причем первая координата отнесена к внешнему радиусу резервуара R, третья - к его высоте H, вторая координата - есть угол поворота вдоль направляющей. Таким образом, исследуемая область , причем , радиус внутренней боковой поверхности. Система разрешающих уравнений задачи термоупругости может быть представлена следующим образом [8]: , , , , (1) . Здесь перемещения вдоль координаты , окружном и вдоль соответственно (рис. 1); объемная деформация; температура тела; температурный коэффициент линейного расширения; модуль упругости и коэффициент Пуассона; плотность жидкости. ; , , . (2) Первое уравнение системы - есть уравнение теплопроводности для несвязанной задачи термоупругости, второе - уравнение относительно объемной деформации, включенное в систему разрешающих уравнений вместо соотношения , (3) используемого в дальнейшем в качестве дополнительного условия для определения значений «лишних» произвольных постоянных, появившихся в решении в результате повышения порядка системы после включения в нее уравнения [14]. Точное решение системы (1) строится в предположении, что температура и перемещения линейны относительно координаты . Этот вариант встречается при исследовании деформации резервуаров, заполненных жидкостью. Периодическое по решение системы (1) ищется в виде , , , (4) . Замечание. Возможны другие варианты решения, когда меняются местами синусы и косинусы, а также комбинация этих решений. После подстановки соотношений (4) в систему уравнений (1) приходим к двум системам уравнений , , (5) и , , (6) , Следует отметить, что последние два уравнения системы (6) получены как сумма и разность четвертого и пятого уравнений из (1). С учетом предположения о линейности перемещений в направлении считаем , , , (7) После подстановки соотношений (7) в уравнения (5) и (6) получаем серию обыкновенных дифференциальных уравнений. В результате их интегрирования имеем , , , , (8) , . Если после интегрирования определить значения и , то , , , , (9) Здесь постоянные интегрирования, . (10) С учетом соотношений (4), (7) дополнительное условие (3) приводит к тождествам (11) , . Подставляя в первые два из них соотношения (8), получаем откуда следует А с учетом (10) В результате . . Из третьего условия (11) имеем Очевидно, Последнее условие из (11) приводит к Таким образом, получены соотношения, определяющие значения «лишних» постоянных интегрирования , (12) , , . При исследовании деформации резервуара с жидкостью одним из обязательных граничных условий является условие, накладываемое на напряжение . Это напряжение определяется из соотношений Дюгамеля-Неймана и в принятых обозначениях имеет вид . Соотношения (4), (7), позволяют считать Тогда . После подстановки входящих в эти уравнения соотношений с учетом (12) получаем (13) Решаем краевую задачу: цилиндрический резервуар с жидкостью находится в несимметричном температурном поле. Для температурной задачи принимаем следующие краевые условия. Оба торца резервуара и его внутренняя боковая поверхность термоизолированы от внешней среды, то есть . Внешняя боковая поверхность имеет температуру , параметры постоянны. С учетом соотношений (4), (7), (8), (9) имеем Из первого граничного условия Из второго , откуда следует . Тогда , . В итоге , , , , (14) то есть в рассматриваемой краевой задаче , , не равны нулю, остальные - нули. При полученных значениях постоянных интегрирования , следовательно, все краевые условия температурной задачи выполняются. Граничные условия упругой задачи принимаем в следующем виде: , , , , , , (15) , , . Кроме этих условий имеем соотношения , , (16) , , которые с учетом (14) следуют из (12). Из (4), (7) и (13) имеем , , , . В результате из условий (15) получаем , , откуда следует , (17) , . Из и с учетом соотношений (8) имеем систему , откуда . Теперь из второго соотношения (16) получаем , из первого . Из третьего и четвертого имеем . Из и с учетом (8) получаем , , откуда следует , . Из и с учетом (9) имеем систему , откуда следует . После чего из оставшихся соотношений (16) имеем , . Из и с учетом (9) приходим к системе уравнений , откуда следует , . Из и с учетом (16) приходим к системе , откуда следует , или . Из и имеем . Из , , с учетом (9) следует (18) Суммируем первые два уравнения и вычитаем из первого уравнения второе: Ранее было установлено, что , следовательно, , Таким образом, , , , , , , , , , (19) . Из третьего уравнения системы (18) с учетом (19) получаем или то есть одно из уравнений для определения оставшихся постоянных интегрирования . Выполним условие . Подставляя в , используя соотношения (9), получаем С учетом (19) приходим к уравнениям Итак, имеем пару уравнений относительно , (20) . Выполним оставшиеся граничные условия из (15) , , , добавив к ним соотношения из (16). Из (14) имеем , откуда следует . Из указанных граничных условий имеем систему шести однородных уравнений решение которой единственное, следовательно, нулевое: . Таким образом, постоянные интегрирования , определяются из системы (20), значения остальных постоянных интегрирования имеют вид , , , , , , , , , , , , (21) ,…,…,…, , , , , . Теперь , , , , Вычисления проводились для следующих параметров задачи: Оказалось, что перемещения пренебрежимо малы, как и смещение точек наружной боковой поверхности. Перемещения точек внутренней боковой поверхности практически не меняются по высоте и не превышают 0,004 толщины стенки резервуара. Максимальным при указанных параметрах задачи является напряжение и меняется оно только по окружной координате, практически не завися от и . На рис. 2 представлено распределение напряжения по от внутренней до внешней боковых поверхностей резервуара. Рис. 2. Распределение напряжений по координате Fig. 2. The stress distribution on coordinate На рис. 3 показано распределение того же напряжения по окружной координате от до . Рис. 3. Распределение напряжений по координате Fig. 3. The stress distribution on coordinate Остальные напряжения значительно меньше. Без учета влияния температуры качественная картина та же, но максимальные напряжения на 1-2 порядка меньше. Итак, точное решение поставленной краевой задачи построено.

About the authors

N G Gur'jyanov

Kazan (Volga region) Federal University

O N Tyuleneva

Kazan (Volga region) Federal University

References

  1. Лурье А.И. Теория упругости. - М.: Наука, 1970. - 939 с.
  2. Ляв А.Э.Х. Математическая теория упругости. - М.-Л.: ОНТИ, 1935. - 676 с.
  3. Александров А.Я., Соловьев Ю.И. Пространственные задачи теории упругости - М.: Физматлит, 1978 - 462 с.
  4. Коваленко А.Д. Избранные труды. - Киев: Наукова думка, 1976. - 762 с.
  5. Новацкий В. Теория упругости. - М.: Мир, 1975. - 872 с.
  6. Новацкий В. Вопросы термоупругости - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 364 с.
  7. Огибалов П.М., Колтунов М.А. Оболочки и пластины. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969. - 695 с.
  8. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. - М.: Наука, 1981. - 688 с.
  9. Рекач В.Г. Руководство к решению задач по теории упругости. - М.: Высшая школа, 2010. - 227 с.
  10. Снеддон И.Н., Берри Д.С. Классическая теория упругости. - М.: Физматлит, 1961. - 219 с.
  11. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. - 575 с.
  12. Хан Х. Теория упругости. - М.: Мир, 1988. - 343 с.
  13. Термоупругость тел при переменных коэффициентах теплоотдачи / Я.С. Подстригач, Ю.М. Коляно, В.И. Громовык, В.Л. Лизбень. - Киев: Наукова думка, 1977. - 158 с.
  14. Гурьянов Н.Г., Тюленева О.Н. Краевые задачи теории упругости для шара и цилиндра. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2008. - 207 с.
  15. Тюленева О.Н., Гурьянов Н.Г. Краевые задачи термоупругости для шара. - Saarbucken : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. - 160 с.
  16. Гурьянов Н.Г., Тюленева О.Н. Пространственная задача термоупругости для сферического купола // Теория и практика современной науки: сб. ст. XV Междунар. науч.-практ. конф. - М., 2014. - С. 10-17.
  17. Гурьянов Н.Г., Тюленева О.Н. Задача термоупругости для шара // Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики: сб. тез. докл. X Всерос. съезда. - Н. Новгород, 2011. - № 4 (4). - С. 1466-1467.
  18. Гурьянов Н.Г., Тюленева О.Н. Двоякопериодическое решение задачи термоупругости для полого шара // Современные проблемы механики: сб. ст. междунар. науч.-техн. конф. - Ташкент, 2009. - Т. 1. - С. 283-288.
  19. Гурьянов Н.Г., Тюленева О.Н. Точное решение несимметричной задачи теории упругости для цилиндра в температурном поле // Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики: тез. докл. XI Всерос. съезда. - Казань, 2015. - С. 1106-1108.
  20. Гурьянов Н.Г., Тюленева О.Н. Сферический купол в температурном поле // Известия вузов. Авиационная техника. - 2013. - Т. 1. - С. 8-12.
  21. Попов Г.Я., Белкасем К. Точное решение смешанной неосесимметричной краевой задачи теории упругости для кругового цилиндра конечной длины // Доклады Академии наук. - 2010. - Т. 433, № 1. - С. 48-54.
  22. Попов Г.Я. Осесимметричные краевые задачи теории упругости для цилиндров и конусов конечной длины // Доклады Академии наук. - 2011. - Т. 439, № 2. - С. 192-197.
  23. Карташов Э.М., Кудинов В.А. Аналитическая теория теплопроводности и прикладной термоупругости. - М.: ЛИБРОКОМ, 2012. - 656 с.
  24. Фастовская Т.Б. Существование глобальных решений нелинейной задачи термоупругости // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - Харьков, 2014. - Т. 2, № 4. - С. 125-127.
  25. Chanyu Shang Global attractor for the Ginzburg-Landay thermoviscoelastic system with hinger boundary conditions // Math. Anal. Appl. - 2008. - Vol. 343. - P. 1-21.
  26. Саталкина Л.В. Несвязанная задача нелинейной термоупругости для тела с сингулярной границей // Вестник ТулГУ. Актуальные вопросы механики. - Тула, 2009. - Вып 5. - С. 157-160.
  27. Родионов А.Ю. Точные решения уравнений термоупругости // Институт прикладной механики Владикавказского научного центра РАН. - 2009. - Т. 11, № 1. - С. 54-62.
  28. Шевченко А.В. Применение вариационного метода при расчете замкнутых цилиндрических оболочек с учетом температурных деформаций // Вестн. Белгород. гос. техн. ун-та им. В.Г.Шухова. - 2005. - № 10. - С. 492-494.
  29. Байден О.В., Шаповалов С.М., Шевченко А.В. Учет температурных деформаций при расчете замкнутых цилиндрических оболочек вариационным методом // Строительная механика и расчет сооружений. - 2009. - № 5. - С. 6-9.
  30. Волков А.Е., Кухарева А.С. Расчет напряженно-деформированного состояния в цилиндре из TiNi при охлаждении под нагрузкой и разгрузке // Изв. РАН. Серия физическая. - М.: Наука, 2008. - Т. 72, № 9. - С. 1337-1340.
  31. Иванов А.С., Ковалев В.И., Цаповская О.А. Температурные напряжения в сплошном длинном цилиндрес переменным объемным тепловыделением // Проблемы машиностроения и автоматизации. - М., 2008. - № 1. - С. 111-114.
  32. Амосов А.А., Жаворонок С.И., Леонтьев К.А. О решении некоторых задач о напряженно-деформированном состоянии анизотропных толстостенных оболочек вращения в трехмерной постановке. // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2004. - Т. 10, № 3. - С. 301-310.

Statistics

Views

Abstract - 41

PDF (Russian) - 23

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2017 Gur'jyanov N.G., Tyuleneva O.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies