Full Text

Введение В последние годы большое внимание ученых привлечено к изучению напряженно-деформированного состояния (НДС) микрообъектов, ультратонких структур, наноструктурированных композитов. В этих структурах, согласно экспериментальным данным [1, 2], проявляются масштабные эффекты, т.е. зависимость НДС от характерных размерных параметров исследуемой модели. Для описания масштабных эффектов используются различные градиентные и нелокальные теории, которые в определяющие уравнения включают градиентные параметры размерности длины [3-6]. Градиентный параметр материала - это размер, характеризующий микроструктурное строение материала. Если длина объекта и градиентный параметр являются величинами одного порядка, то в среде будут проявляться масштабные эффекты. В градиентной теории упругости плотность энергии деформации зависит не только от деформации, как в классической теории, но и от его градиентов. Градиентная теория упругости была сформулирована в 60-х гг. прошлого века в работах Тупина [7] и Миндлина [8-10]. В 70-х гг. XX в. градиентная теория упругости получила обобщение и на механику связанных полей, в том числе на термоупругость [11]. Уточнение НДС микроцилиндров на основе модели градиентной теории упругости имеет особое практическое значение при расчете на прочность и потерю устойчивости устройств микроэлектроники и микромеханических систем MEMS, которые применяются в устройствах медицинской диагностики, солнечных батареях и т.д. [12]. Впервые задача Ламе в градиентной теории упругости для трубы бесконечной длины и сферической оболочки, находящихся под действием равномерного внешнего и внутреннего давления, была рассмотрена на основе модели Тупина - Миндлина в [13], которая в определяющие уравнения включает кроме параметров Ламе еще 5 дополнительных градиентных модулей, что наталкивается на сложности их идентификации [14]. В целях упрощения расчетов были предложены прикладные градиентные модели Айфантиса [15-18] и Лурье [19], которые в определяющие уравнения включают только один градиентный параметр. Так, в рамках модели Айфантиса с помощью аппарата модифицированных функций Бесселя получены аналитические решения задачи о нахождении НДС полого цилиндра при механическом нагружении, как в случае однородного материала [20-22], так и функционально-градиентного материала со степенным законом неоднородности [23]. В случае теплового нагружения цилиндра в рамках модели Айфантиса на основе численного метода обобщенных дифференциальных квадратур решена задача о нахождении НДС полого цилиндра со степенными законами неоднородности [24, 25]. В целях предотвращения износа и разрушения изделий вследствие действия интенсивных термомеханических нагрузок применяют защитные покрытия. В работах [26, 27] в рамках классической теории упругости и термоупругости получены аналитические решения задачи деформирования системы «покрытие - подложка», как в случае однородного, так и функционально-градиентного покрытия. Для уточнения НДС системы «покрытие - подложка» на основе градиентной модели получены аналитические решения в случае механического нагружения [28-31]. Так, в работах [28] в рамках модели Лурье исследуется задача равновесия двухслойного покрытия, находящегося под действием локализованной нормальной нагрузки. В исследовании [30] решается задача изгиба микробалки с частичным покрытием. Исследовано влияние изменения масштабного параметра на изменения распределения смещений, напряжений и нейтральной линии. В работах [32-34] получены аналитические решения задачи градиентной термоупругости для составных тел. В исследовании [34] решается задача градиентной термоупругости для составного стержня. Для нахождения напряжений Коши применяется асимптотический подход Вишика - Люстерника, учитывающий наличие погранслойных решений в окрестности границ и точки сопряжения стержней. Исследована зависимость скачка напряжений Коши от соотношения физических характеристик стержней и масштабного параметра. Однако задача градиентной термоупругости для цилиндра с покрытием остается неисследованной. В данной работе приведена постановка задачи однопараметрической градиентной термоупругости для цилиндра с покрытием. На основе вариационного принципа Лагранжа получены уравнения равновесия и граничные условия для составного цилиндра. После нахождения радиального распределения температуры решение для радиальных перемещений представлено в виде суммы решений задачи в классической постановке и дополнительных погранслойных слагаемых. Проведены вычисления радиального распределения перемещений, напряжений Коши, полных и моментных напряжений в случае как механического, так и теплового нагружения составного цилиндра. Сделан анализ полученных результатов. 1. Применение вариационной формулировки градиентной термоупругости к составному цилиндру В градиентной модели Айфантиса [16] вводят выражения для компонент тензоров деформации , напряжений Коши , градиентов деформаций , моментных напряжений , полных напряжений . Здесь и - параметры Ламе, - коэффициент температурных напряжений, - температура, - символ Кронекера, l - градиентный параметр, имеющий размерность длины. Уравнения равновесия и граничные условия в градиентной теории получают путем применения вариационного принципа Лагранжа для случая термоупругого равновесия [23, 25]. Для этого сначала составляют выражение для внутренней энергии по формуле (1) Выражение для внутренней энергии деформации в полярной системе координат имеет вид [23]: (2) В формулу (2) подставим компоненты тензоров деформации , , градиентов деформации , , напряжений Коши , моментных напряжений , , , полных напряжений , Далее находится работа внешних сил: (3) где fi - компоненты вектора плотности поверхностных сил. Сообщим телу виртуальные перемещения , а также, предполагая, что температурное поле при виртуальных перемещениях остается неизменным, согласно вариационному принципу Лагранжа имеем: (4) Применим вариационный принцип Лагранжа для получения уравнений равновесия и граничных условий составного термоупругого цилиндра. Рассмотрим равновесие бесконечного полого термоупругого двухслойного цилиндра, имеющего поверхность сопряжения . На внутренней боковой поверхности составного цилиндра поддерживается нулевая температура и действует внутреннее давление Внешняя поверхность свободна от напряжений и поддерживается при температуре Тогда выражение для первой вариации внутренней энергии (2) примет вид: (5) Полагая в (5) , , , выполняя условия принципа Лагранжа (4), учитывая при этом, что вариация от работы внешних сил равна , и введя обозначения , , после некоторых преобразований получим уравнения равновесия, записанные в полных напряжениях: , (6) статические граничные условия , , , (7) и условия сопряжения при , , , . (8) Обратим внимание, что граничные условия (7) и условия сопряжения (8) записываются не относительно радиальных напряжений Коши или полных напряжений , , а относительно выражений , , которые в градиентной теории являются определением вектора напряжений на поверхности тела. Обезразмерим задачу (6)-(8) согласно формулам: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Тогда постановка обезразмеренной задачи (6)-(8) примет вид: , , (9) , , , , (10) , , . (11) 2. Решение задачи градиентной термоупругости для составного цилиндра Решение задачи несвязанной термоупругости начинается с нахождения радиального распределения температуры слоистого цилиндра на основе решения задачи теплопроводности в классической постановке: , , (12) , , (13) , . (14) Обезразмерим задачу (12)-(14) согласно формулам: , , , , Постановка задачи теплопроводности в безразмерном виде примет вид: , , (15) , , (16) , (17) Решение задачи теплопроводности (15)-(17) имеет вид: , . (18) После нахождения распределения температуры далее определяют радиальные перемещения. Для этого уравнения равновесия (9) выразим в перемещениях: , . (19) Представим решение задачи в перемещениях согласно Айфантису [6] в виде суммы решения задачи термоупругости в классической постановке и дополнительных градиентных слагаемых , т.е. , . Полагая в (19) , получим уравнения равновесия в классической постановке: , . (20) Интегрируя уравнения (20), выражения для радиальных перемещений цилиндра и покрытия получим в виде: (21) Здесь константы , , , находят путем удовлетворения классических граничных условий, полагая в (10), (11) В случае механического нагружения цилиндра константы , , , , найденные с помощью системы Maple, полагая в (21) , после некоторых преобразований примут вид: , Выражения для констант , , , при тепловом нагружении, найденных с помощью системы Maple, полагая в граничном условии (10) Р = 0, имеют громоздкий вид и здесь не приводятся. Перейдем к нахождению градиентных слагаемых . При уравнение (19) можно записать в виде: , (22) Однородная часть уравнений (22) - модифицированные уравнения Бесселя первого порядка. Тогда решение однородных уравнений (22) для цилиндра и покрытия имеет вид: , , (23) где , - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода первого порядка. Далее составляют выражения для перемещений , , градиентов радиальных перемещений, напряжений Коши , и моментных напряжений, которые содержат неизвестные G5, G6, G7, G8. Константы G5, G6, G7, G8 определяют путем удовлетворения неклассических граничных условий , и условий сопряжения , . В работе были получены точные аналитические решения, которые имеют громоздкий вид, здесь не приводятся, а далее используются для оценки точности решения приближенного аналитического решения. Получим приближенные асимптотические выражения для , при малом значении параметра a, которые имеют погранслойный характер. При аргументы модифицированных функций Бесселя, входящих в формулы (23), стремятся к бесконечности, и можно воспользоваться соответствующими асимптотиками [35]: , при . Точные аналитические решения с использованием формул (23) показали, что для слоистого цилиндра пограничные слои локализованы в окрестностях поверхностей , и . Поэтому в силу быстрого убывания погранслойных решений в окрестностях поверхностей , и представим градиентные слагаемые для перемещений цилиндра и покрытия в виде: , . (24) Входящие в формулы (24) константы , , , определяют путем удовлетворения неклассических граничных условий для моментных напряжений и условий сопряжения для моментных напряжений и градиентов радиальных перемещений аналогично использованию формулы (23). В случае механического нагружения цилиндра константы , , , , найденные с помощью системы Maple, после некоторых преобразований примут вид: . В случае теплового нагружения цилиндра константы , , имеют громоздкий вид и здесь не приводятся. После нахождения перемещений далее определяют деформации, напряжения Коши, моментные и полные напряжения. При этом выражения для полных напряжений в безразмерном виде имеют вид: , , . 3. Результаты расчетов Рассмотрим результаты вычисления распределения по координате x безразмерных перемещений, напряжений Коши, моментных и полных напряжений в случае как механического, так и теплового нагружения цилиндра. Исследовано влияние величины градиентного параметра a на точность вычисления безразмерных перемещений слоистого цилиндра с использованием для вычисления градиентных слагаемых асимптотических формул (24). При этом в точном решении для вычисления градиентных слагаемых используются формулы (23). Выяснено, что погрешность вычисления перемещений по асимптотическим формулам (24) не превосходит 2 % при . Для случая механического нагружения составного цилиндра примем, что покрытие расположено на внутренней поверхности цилиндра. При этом в расчетах полагаем , , , Для случая теплового нагружения составного цилиндра примем, что покрытие расположено на внешней поверхности цилиндра. При этом в расчетах полагаем , , , , На рис. 1 показано распределение радиальных напряжений Коши Srr в случае механического (см. рис. 1, а) и теплового нагружения (см. рис. 1, б) при Из рис. 1 следует, что радиальные напряжения Коши на границе сопряжения терпят разрыв, что связано с разностью термомеханических характеристик и непрерывностью перемещений и их первых производных на поверхности сопряжения. На рис. 2 показано распределение по координате x моментных напряжений в случае механического (см. рис. 2, а) и теплового нагружения (см. рис. 2, б) при Из рис. 2 следует, что моментные напряжения при в сотни раз меньше напряжений Коши Srr и принимают пиковое значение на поверхности сопряжения Моментные напряжения пропорциональны квадрату градиентного параметра. На рисунках ниже показано распределение безразмерных функций вдоль координаты x. При этом сплошной линией изображено решение задачи на основе классической постановке при , пунктиром - решение задачи в градиентной постановке при На рис. 3 показано распределение радиальных перемещений в случае механического (см. рис. 3, а) и теплового нагружения (см. рис. 3, б). а б Рис. 1. Распределение по координате x напряжений Коши Srr при (а) механическом нагружении, (б) тепловом нагружении Fig. 1. Distribution of Cauchy stresses Srr along the coordinate x under (a) mechanical loading, (б) thermal loading а б Рис. 2. Распределение по координате x моментных напряжений при (а) механическом нагружении, (б) тепловом нагружении Fig. 2. Distribution of moment stresses along the coordinate x under (a) mechanical loading, (б) thermal loading а б Рис. 3. Распределение по координате x радиальных перемещений при (а) механическом нагружении, (б) тепловом нагружении Fig. 3. Distribution of radial displacements along the coordinate x under (a) mechanical loading, (б) thermal loading а б Рис. 4. Распределение по координате x полных радиальных напряжений при (а) механическом нагружении, (б) тепловом нагружении Fig. 4. Distribution of total radial stresses along the coordinate x under (a) mechanical loading, (б) thermal loading а б Рис. 5. Распределение по координате x полных окружных напряжений при (а) механическом нагружении, (б) тепловом нагружении Fig. 5. Distribution of total circumferential stresses along the coordinate x under (a) mechanical loading, (б) thermal loading Из рис. 3 следует, что с увеличением масштабного параметра уменьшаются значения радиальных перемещений. На рис. 4 показано распределение по координате x полных радиальных напряжений в случае механического (см. рис. 4, а) и теплового нагружения (см. рис. 4, б). Из рис. 4 следует, что полные радиальные напряжения увеличиваются с ростом a; терпят разрыв на поверхности раздела, что связано с тем, что при выполняется непрерывность неполных радиальных напряжений, а компонент вектора . На рис. 5 показано распределение по координате x полных окружных напряжений в случае механического (см. рис. 5, а) и теплового нагружения (см. рис. 5, б). Из рис. 5 следует, что полные окружные напряжения, как и в классической теории упругости, терпят разрыв при обусловленный разностью термомеханических характеристик цилиндра и покрытия; с увеличением масштабного параметра a значения полных окружных напряжений уменьшаются. Заключение На основе вариационного принципа Лагранжа получены уравнения равновесия и граничные условия для составного полого термоупругого цилиндра с учетом масштабных эффектов. После нахождения радиального распределения температуры решение задачи для перемещений представлено в виде суммы решений в классической постановке задачи и градиентных слагаемых, найденных при малых значениях градиентного параметра на основе асимптотических свойств модифицированных функций Бесселя. Проведено вычисление НДС составного цилиндра как при механическом, так и при тепловом нагружениях. Осуществлен сравнительный анализ полученных результатов градиентного решения с классическим решением. Скачок напряжений Коши в окрестности поверхности сопряжения материалов объясняется непрерывностью деформаций и их градиентов. Полные радиальные напряжения также терпят разрыв на поверхности сопряжения. Выяснено, что увеличение градиентного параметра снижает значения радиальных перемещений и полных окружных напряжений. Моментные напряжения при малых значениях градиентного параметра намного меньше полных напряжений и принимают пиковое значение на поверхности сопряжения. Уточнение НДС полого термоупругого цилиндра с покрытием с учетом масштабных эффектов позволяет более точно проводить расчеты на прочность слоистого микроцилиндра. Разработанный подход может быть применен также и для нахождении асимптотического решения задачи градиентной термоупругости для слоистого цилиндра конечного размера при малых значениях градиентного параметра.

About the authors

A. O Vatulyan

Southern Federal University; Southern Mathematical Institute, a branch of the VSC RAS, Vladikavkaz

S. A Nesterov

Southern Mathematical Institute, a branch of the VSC RAS, Vladikavkaz

V. O Yurov

Southern Federal University; Southern Mathematical Institute, a branch of the VSC RAS, Vladikavkaz

References

Statistics

Views

Abstract - 229

PDF (Russian) - 163