Analytical solution of elastostatic problems of a simply connected body loaded with nonconservative volume forces: theoretical and algorithmic support

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The possibility of constructing a full-parametric analytical solution of the stress-strain state problem for the body caused by the influence of volumetric forces is studied. In the general case of Cesaro, the displacements at each point of the body are determined through the volume forces by an integral expression with a singular nucleus. Therefore, with an arbitrary shape of the body, its elastic state can be constructed only numerically. A strict analytical solution is written in the classical version, corresponding to the potential forces. These forces are traditional objects of mechanics, but their list is quite limited. The current level of development of science and technology in the world requires the use of forces of an arbitrary nature, which can be generated both at the level of molecular interaction, and the interaction of electromagnetic fields inside the body. They certainly are not conservative. In addition, the use of perturbation methods in solving nonlinear elastostatic problems and thermoelasticity problems creates, at each iteration of the asymptotic approximation, artificially generated volume forces of a polynomial nature or forces fairly accurately approximated by polynomials. The ability to write out strict or highly accurate private decisions during the iteration provides an invaluable service to the calculator. New method of constructing a strict solution of the problem about the corresponding elastic state of the body for a very wide range of forces, approximated by polynomials from spatial coordinates or, even for a narrower class- polynomial forces, is formed. It is based on the isomorphism of Hilbert spaces of forces of this kind and their corresponding elastic states (sets of displacements, deformations, stresses).The existence theorem of isomorphic countable bases of these spaces is proved, and algorithms for their filling are constructed. The particular solution of the problem about the elastic field from polynomial forces is constructed by decomposition of a given load on an orthonormal basis, written simply in the final form, and in the analytical form. The correction from the particular solution is made to the boundary conditions of the homogeneous elasticity problem for the body, after which its solution is constructed. Computational approaches, oriented to computer algebra, provide analytical form of solution. A convenient variant of this approach is the method of boundary states (MBS), which has a number of advantages over widely used numerical (finite elements, boundary elements, finite differences, etc.) and one significant drawback: the MBS computational complex has not received a final completion. The advantages of MBS are briefly stated and its laconic description is given. The use of the MBS approach makes it possible to write out a full-parametric form of solutions for bodies of arbitrary geometric shape. MBS is used to construct a solution of the problem of linear-elastic flattened spheroid, loaded with a self-balanced system of volumetric forces. The solution was constructed for two variants of loading, namely potential, non-potential forces. The analytical version of the solution is given only for the displacement field (other characteristics of the elastic state are easily written out through the defining relations).Certain interest is the graphic illustration of stress fields, made at fixed values of parameters.

About the authors

Viktor Borisovich Pen'kov

Lipetsk State Technical University

Email: vbpenkov@mail.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

Lyubov Vladimirovna Levina

Lipetsk State Technical University

Email: satalkina_lyubov@mail.ru
Candidate of physico-mathematical sciences, Associate professor

Olga Sergeevna Novikova

Lipetsk State Technical University

Email: _o_l_g_a_@bk.ru
without scientific degree, no status

References

  1. Truesdell C., A first course in rational continuum mechanics. Vol. 1: General concepts, Pure and Applied Mathematics, 71, Academic Press, New York, San Francisco, London, 1977, xxiii+280 pp.
  2. Работнов Ю. Н., Механика деформируемого твердого тела, Наука, М., 1988, 712 с.
  3. Лурье А. И., Теория упругости, Наука, М., 1970, 940 с.
  4. Мусхелишвили Н. И., Некоторые основные задачи математической теории упругости, Наука, М., 1966, 707 с.
  5. Green A. E., Zerna W., Theoretical Elasticity, Dover Publications, New York, 1992, xvi+457 pp.
  6. Arfken G. B., Weber H. J., Mathematical Methods for Physicists, Elsiver/Academic Press, Amsterdam, 2005, xii+1182 pp.
  7. Хайруллин Ф. С., Сахбиев О. М., "Метод определения напряженно-деформированного состояния трехмерных конструкций сложной формы", Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2016, № 1, 36-42
  8. Стружанов В. В., "О решении краевых задач теории упругости методом ортогональных проекций", Математическое моделирование систем и процессов, 2004, № 12, 89-100
  9. Стружанов В. В., "Об одном итерационном методе расчета напряжений в неодносвязных телах", Вычислительные технологии, 11:6 (2006), 118-124
  10. Пеньков В. Б., Саталкина Л. В., Метод граничных состояний с возмущениями: неоднородные и нелинейные задачи теории упругости и термоупругости, LAP LAMBERT Academic Publ., Saarbrücken, 2012, 108 с.
  11. Пеньков В. Б., Саталкина Л. В., Шульмин А. С., "Применение метода граничных состояний для анализа упругой среды с полостями и включениями", ПММ, 78:4 (2014), 542-556
  12. Фирсанов В. В., "Математическая модель напряжeнно-деформированного состояния балки переменного сечения с учeтом "Пограничного слоя"", Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2015, № 6, 63-69
  13. Волошин А. Г., Ступина М. В., "Система расчета равновесного состояния упругой среды, ослабленной плоской симметричной трещиной", Инженерный вестник Дона, 2008, № 2, 4-12
  14. Микишанина Е. А., Терентьев А. Г., "Об определении напряженного состояния упруго-пористой среды", Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки, 159:2 (2017), 204-215
  15. Иваньшин П. Н., "Сплайн-интерполяционное решение задач теории упругости", Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки, 157:4 (2015), 24-41
  16. Левина Л. В., Новикова О. С. Пеньков В. Б., "Полнопараметрическое решение задачи теории упругости односвязного ограниченного тела", Вестник Липецкого государственного технического университета, 2016, № 2, 16-24
  17. Sachdeva C., Padhee S. S., "Functionally graded cylinders: Asymptotically exact analytical formulations", Applied Mathematical Modelling, 54 (2017), 782-802
  18. Neuber H., "Ein neuer Ansatz zur Lösung räumlicher Probleme der Elastizitätstheorie. Der Hohlkegel unter Einzellast als Beispiel", ZAMM, 14:4 (1934), 203-212
  19. Агаханов Э. К., Агаханов М. К., "О возможности применения эквивалентности воздействий в аналитических решениях задач теории упругости", Вестник МГСУ, 3:4 (2010), 144-148
  20. Матвеенко В. П., Шевелев Н. А., "Аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния тел вращения, находящихся под действием массовых сил", Напряженно-деформированное состояние конструкций из упругих и вязкоупругих материалов, УНЦ АН СССР, Свердловск, 1977, 54-60
  21. Вестяк В. А., Тарлаковский Д. В., "Нестационарное осесимметричное деформирование упругого пространства со сферической полостью под действием объемных сил", Вестник Московского университета. Сер. 1. Математика. Механика, 71:4 (2016), 48-54
  22. Шарафутдинов Г. З., "Функции комплексного переменного в задачах теории упругости при наличии массовых сил", ПММ, 73:1 (2009), 69-87
  23. Зайцев А. В., Фукалов А. А., "Точные аналитические решения задач о равновесии упругих анизотропных тел с центральной и осевой симметрией, находящихся в поле гравитационных сил, и их приложения к задачам геомеханики", Математическое моделирование в естественных науках, 1 (2015), 141-144
  24. Фукалов А. А., "Задачи об упругом равновесии составных толстостенных трансверсально-изотропных сфер, находящихся под действием массовых сил и внутреннего давления, и их приложениях", ХI Всерос. съезд по фундамент. пробл. теор. и прикл. мех., Казань, 2015, 3951-3953
  25. Игумнов Л. А., Марков И. П., Пазин В. П., "Гранично-элементное решение краевых задач трехмерной анизотропной теории упругости", Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2013, № 1, 115-119
  26. Корепанова Т. О., Севодина Н. В., "Метод и результаты расчета характера сингулярности напряжений в трехмерных задачах теории упругости", Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2011, № 4, 1539-1541
  27. Пикуль В. В., "К аномальному деформированию твердых тел", Физическая мезомеханика, 16:2 (2013), 93-100
  28. Schwarz H. A., "Über einige Abbildungsaufgaben", J. Reine Angew. Math., 70 (1869), 105-120
  29. Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, Наука, М., 1977, 431 с.
  30. Penkov V. B., Ivanychev D. A., Novikova O. S., Levina L. V., "An algorithm for full parametric solution of problems on the statics of orthotropic plates by the method of boundary states with perturbations", J. Phys.: Conf. Ser., 973 (2018), 012015
  31. Новикова О. С., Пеньков В. Б., Левина Л. В., "Метод граничных состояний с возмущениями как способ организации полнопараметрического аналитического решения второй основной задачи линейной эластостатики", Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Сер. Механика предельного состояния, 2018, № 2, 26-37
  32. Левина Л. В., Новикова О. С., Пеньков В. Б., Поликарпов М. В., "Оптимизация облегченных элементов крепления при варьировании геометрических параметров", Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Сер. Механика предельного состояния, 2017, № 4, 45-51

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Samara State Technical University

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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».