Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Методы самосогласования механики композитов

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
4.75 Mб
Скачать

с известными численными решениями (p) для модуля Юнга E1* и коэффициента Пуассона ν12* перфорированных пластин с периоди-

ческим расположением в узлах правильной гексагональной решетки круглых отверстий [8]. Минимальные гарантированные прослойки матрицы для структур II1 и II2 соответственно равны 10 и 20 % от радиуса пор. Графики для модуля Юнга E3* и коэффициента Пуассо-

на ν13* для различных структур имеют малые отличия и на рис. 2.9

обозначены соответствующими едиными прямыми линиями. Решения 1 и 2 на рис. 2.9 получены обобщенным методом самосогласования на основе соответствующих кусочно-постоянных аппроксимаций приведенного поля вероятностей ω1 (ξ) = ω(ξ) (1.50) и (1.51) и тождественны решениям известных методов самосогласования [15, 19].

2.2. КОМПОЗИТЫ СО СЛУЧАЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ ФАЗ ВКЛЮЧЕНИЙ

2.2.1. Особенности постановок и схемы решения стохастических краевых задач

Пусть представительная реализация C(r) cтатистически одно-

родного эргодического поля упругих свойств композита в представительной области V задана в виде разложений (1.13)–(1.16).

Осредним оператором объемного осреднения < ... > (1.9) по представительной области композита V уравнения обобщенного закона Гука для композита:

σij (r) = Cijmn (r)εmn (r) ,

ив результате получим

σ*ij ≡< σij (r) >=< Cijmn (rmn (r) >=

81

F

+ (1 vo )CijmnM

 

= v f Cijmno[ f ] < χεmn (r) > f

< εmn (r) >M ,

f =1

 

 

где σ* – однородные макронапряжения композита, относительное объемное содержание f-й фазы включений v f и относительное объемное содержание включений в композите vo (1.11).

Таким образом, макронапряжения композита σ* можно представить в виде разложения

 

F

 

 

σ* = v f σ( f ) +(1 vo ) σM ,

(2.57)

 

f =1

 

 

где

 

 

 

 

σij( f ) ≡< σij >f =

 

= Cijmno[ f ]

< χεmn

>f = Cijpqo[ f ] N pqmn( f ,1) ε*mn ,

(2.58)

 

σijM

≡< σij >M =

 

= CijmnM

< εmn

>M = CijpqM N pqmnM ε*mn

(2.59)

есть осредненные соответственно по f-й фазе включений и матрице

композита значения напряжений, где тензоры N( f ,1) и N M

введены

через разложения

 

 

< χεij

>f = Nijmn( f ,1) ε*mn ,

(2.60)

< εij

>M = NijmnM ε*mn .

(2.61)

По аналогии с зависимостями (2.57)–(2.59) тензор однородной макродеформации композита ε* может быть представлен в виде

82

 

 

F

 

 

 

 

ε* = v f ε( f ) +(1 vo ) εM ,

 

(2.62)

 

 

f =1

 

 

где

 

 

 

 

εij( f ) ≡< εij

>f = Nijmn( f ,0) ε*mn , εijM ≡< εij >M = NijmnM ε*mn ,

(2.63)

здесь N( f ,0) и

N M

– тензоры концентраций, осредненных соответс-

твенно по f-й фазе включений ε( f ) и матрице εM

деформаций.

 

Разложение (2.57) может быть преобразовано к виду

 

 

 

F

 

 

 

σ*ij

= v f aijmn[ f ,0]ε(mnf ) +(1 vo ) CijmnM εmnM =

 

 

 

f =1

 

 

 

F

 

 

 

=

v f aijpq[ f ,0] N pqmn( f ,0) +(1 vo ) CijpqM N pqmnM

ε*mn ;

(2.64)

 

f =1

 

 

 

таким образом, приходим к обобщенному закону Гука для макроуровня композита:

σ*ij = Cijmn* ε*mn ,

(2.65)

где расчет тензора эффективных упругих свойств композита по формуле

F

 

 

 

 

Cijmn* = v f aijpq[ f ,0] N pqmn( f ,0) +(1 vo ) CijpqM

N pqmnM

(2.66)

f =1

 

 

 

 

сводится к определению тензоров N( f,0) , N M

из разложений (2.61),

(2.63) и, дополнительно, тензоров a[ f,0] для f =

 

,

которые

1, F1

вводятся через разложение вида

 

 

 

 

σij( f ) = aijmn[ f ,0]ε(mnf ) .

 

 

 

(2.67)

Для фаз f = F1 +1, F с детерминированными упругими свойствами выполняются равенства

83

a[ f ,0] = Co[ f ] .

Формула (2.66) для расчета тензора эффективных упругих свойств композита C* может быть преобразована к виду

 

 

F

 

 

 

 

*

M

[ f ,0]

M

( f ,0)

,

(2.68)

Cijmn

= Cijmn

+ v f (aijpq

Cijpq

)N pqmn

f =1

так как после подстановки разложений (2.61), (2.63) в (2.62) имеем вспомогательную зависимость

F

( f ,0)

v f Nijmn

f =1

или

F

v f N( f ,0) f =1

+ (1 vo

)NijmnM

 

ε*mn

= ε*ij

 

 

 

 

 

 

+(1 vo

) NM = I .

(2.69)

Рассмотрим, более подробно, расчет тензоров a[ f ,0] при

f =

1, F1

 

в формуле (2.67). Иззависимостей(2.58), (2.63) имеем

 

 

 

σij( f ) = Cijpqo[ f ] N pqmn( f ,1) ε*mn ,

(2.70)

εij( f ) = Nijmn( f ,0) ε*mn ,

(2.71)

cледовательно

 

 

 

 

 

 

σij( f ) = Cijpqo[ f ] N pqdb( f ,1) Ndbmn( f ,0)1εmn( f )

(2.72)

или, с учетом разложения (2.67), получим формулу вида

 

 

 

a[ f ,0]

= C o[ f

] N ( f ,1)

N ( f ,0)1 ,

(2.73)

ijmn

ijpq

pqdb

dbmn

 

 

 

где N( f,0)–1 – тензор, обратный тензору N( f ,0) .

Таким образом, для расчета тензора эффективных упругих свойств композита C* (2.68) необходимо определить тензоры N( f ,0)

при f =1, F и N( f ,1) при f =1, F1 в (2.70)–(2.73).

84

Осредненные по f-й фазе включений композита значения деформаций ε( f ) ≡< ε >f , например, в (2.71), могут быть рассчитаны по формулам (2.46):

ε( f ) =

1

ε(0) (ξ)dξ,

(2.74)

υ

 

 

( f ) υ( f )

 

 

 

 

где осредненное поле деформаций ε(0) (ξ) введено разложением вида

 

1

N

 

 

ε(0) (ξ) =

αβ( k ) ε(r( k )

+ α( k ) ξ) ,

(2.75)

N

 

αβ( k )

k =1

 

 

k =1

где использованы соотношения (1.1), (2.28). С учетом равенства (1.5) формула (2.75) преобразуется к виду

 

1

N

 

 

ε(0) (ξ) =

αβ( k ) ε(r( k )

+ α( k ) ξ) .

(2.76)

 

 

N k =1

 

 

Можно показать, что привлечение к расчету тензоров a[ f ,0] при

f =1, F1 гипотез Фойгта или Рейсса об однородности по всей облас-

ти V соответственно деформаций или напряжений приводит к соответствующим решениям:

a[[ Ff ,]0] = ζ(1)Co[ f ] ,

(2.77)

a[ f ,0]

=

1

Co[ f ] ,

(2.78)

 

[ R ]

 

ζ( 1)

 

где использованы обозначения

 

 

1

 

N

1

 

 

ζ( 1)

=

 

αβ( k ) ,

(2.79)

 

 

 

 

 

 

N k =1

χ( k )

 

 

 

 

1

 

N

 

 

 

ζ(1)

=

 

χ( k ) αβ( k ) .

(2.80)

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

85

Например, из гипотезы Фойгта

 

ε(r) = const

(2.81)

следует, что (2.71)

 

εij( f ) Nijmn( f ,0) ε*mn

= ε*ij

или

 

N( f ,0) = I ;

(2.82)

аналогично из (2.60) имеем

< χεij >f Nijmn( f ,1) ε*mn =< χ >f ε*ij

или

N( f ,1) = I < χ >f = Iζ(1) ,

(2.83)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

1

N

 

ζ(1)

=< χ >f

=

χ( k ) αβ( k ) .

(2.84)

 

 

 

 

N k =1

 

Из формулы (2.73) с учетом полученных на основе гипотезы Фойгта решений (2.82)–(2.84) приходим к соответствующему решению для тензора a[[ Ff ,0]] в (2.77).

Аналогично, из гипотезы Рейсса

 

 

 

 

σ(r) = const

 

 

 

 

 

(2.85)

следует, что (2.71)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εij( f ) =< εij > f =

 

 

 

 

 

=< χ1Cijmno[ f ]1σmn

>f = Cijmno[ f ]1

< χ1σmn

>f

=

 

 

= Co[ f ]1

< χ1

>

f

σ*

= Co[ f ]1ζ

(1)

σ*

= N

( f ,0)

ε*

,

(2.86)

ijmn

 

 

mn

ijmn

 

mn

ijmn

mn

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

N

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ( 1)

=< χ1 >f =

χ(k1) αβ( k ) .

 

 

 

(2.87)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

86

Из зависимости (2.60) получим

< χ εij >f =< χ χ1Cijmno[ f ]1σmn >f =

 

= Cijmno[ f ]1 < σmn >f = Cijmno[ f ]1σ*mn = Nijmn( f ,1) ε*mn .

(2.88)

В результате из равенств (2.86), (2.88) вида

 

Cijmno[ f ]1ζ( 1) σ*mn = Nijmn( f ,0) ε*mn ,

 

Cijmno[ f ]1σ*mn = Nijmn( f ,1) ε*mn

 

с учетом (2.65) следуют зависимости

 

Nijmn( f ,1) = Cijpqo[ f ]1C *pqmn ,

(2.89)

Nijmn( f ,0) = ζ( 1)Cijpqo[ f ]1C *pqmn = ζ( 1) Nijmn( f ,1) .

(2.90)

Из формулы (2.73) на основе полученных решений (2.89) и (2.90) приходим к соответствующему решению для тензора a[[ Rf ],0] в (2.78).

Постановка локально-осредненных задач. По аналогии с (2.76)

введем в рассмотрение осредненные поля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( g ) (ξ)

1

 

αβ( k)1χ(gk ) (U(r( k )

+ α( k ) ξ) U(r( k ) ))

(2.91)

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при g = 0, 1, 2… Если предположить, что поля

 

( g ) (ξ)

известны,

U

тогда искомый тензор эффективных упругих свойств C*

композита

может быть рассчитан по формуле (2.68), где тензоры

N( f,0)

при

f =

 

и

 

N( f ,1)

 

при

 

f =

 

 

 

могут быть определены

через

1, F

 

 

 

1, F1

осреднение при g = 0 и 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nijmn( f , g )

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

i()(gmn)

),( j (ξ)dξ,

(2.92)

 

 

 

 

 

 

υ

( f )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

υ( f )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по области

 

υ( f )

f

 

фазы

нормированного

включения, индексы

в круглых

скобках

в

(2.92)

обозначают

операцию

выделения

87

симметричных составляющих из поля U ( g ) (ξ) по соответствующим

парам индексов.

При заданном значении однородной макродеформации композита ε* от осредненного поля U ( g ) (ξ) можно по аналогии с (2.90), (2.83) перейти к соответствующим полям осредненных перемещений

 

 

i( g ) (ξ) =

 

imn( g ) (ξ*mn ,

(2.93)

 

 

U

u

осредненных деформаций

 

 

εij( g ) (ξ)

 

((ig, j)) (ξ) =

 

i()gmn)

,( j (ξ*mn

(2.94)

 

U

u

иосредненных напряжений

σij( g ) (ξ) = aijmn( g ) (ξ)εmn( g ) (ξ) =

= aijmn( g ) (ξ)

 

m( g,n) (ξ) = aijmn( g ) (ξ)

 

mpq( g ) ,n (ξ*pq ,

(2.95)

 

U

u

где a( g ) (ξ) – пока неизвестные поля осредненных упругих свойств,

которые связывают осредненные поля напряжений σ( g ) (ξ) и деформа-

ций ε( g ) (ξ) ; будем использовать дополнительные обозначения (2.67)

a[ f ,0] a(0) (ξ) ξ υ( f ) .

Cвязь осредненных полей u ( g ) (ξ) , ε( g ) ствующими действительными полями u(r) , вительной области композита V по аналогии

(ξ) и σ( g ) (ξ) с соответ- ε(r) и σ(r) в предста- с (2.91) имеет вид

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

( g ) (ξ)

1

αβ( k)1χ(gk ) (u(r( k ) + α( k ) ξ) u(r( k ) )),

(2.96)

u

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

N

 

 

 

 

ε( g ) (ξ)

 

αβ( k ) χ(gk ) ε(r( k )

+ α( k ) ξ) ,

(2.97)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

N

 

 

 

 

σ( g ) (ξ)

 

αβ( k ) χ(gk ) σ(r( k )

+ α( k ) ξ) .

(2.98)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

88

Осредненные поля напряжений σ( g ) (ξ) и деформаций ε( g ) (ξ)

введены через суперпозиции соответствующих действительных полей σ(r) и ε(r) в (2.97) и (2.98), следовательно, поля σ( g ) (ξ) и ε( g ) (ξ)

будут удовлетворять соответственно уравнениям равновесия

σij( g, j) (ξ) = 0

(2.99)

и уравнениям совместности деформаций; при

ξ → ∞ выполняются

равенства

 

 

σ( g )

= ζ( g )σ* ,

(2.100)

ε( g )

= ζ( g ) ε* ,

(2.101)

где ζ( g ) определен равенством (1.19) с учетом (1.20).

Таким образом, осредненные поля U (g) (ξ) , по аналогии с (2.39), есть решения соответствующих краевых задач

 

 

 

( g )

 

 

 

( g )

 

 

 

 

 

 

 

(ξ)

 

 

 

 

= 0

(2.102)

 

 

aijmn

Umpq

(ξ)

 

∂ξj

 

 

 

 

∂ξn

 

 

 

 

 

 

 

при выполнении равенств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

imn( g ) = ζ( g ) Iipmn ξp

 

 

(2.103)

 

 

 

U

 

 

на удалении от начала координат при ξ ∞ . Аналогично (2.37) осредненные поля перемещений u ( g ) (ξ) при заданном значении однородной макродеформации композита ε* есть решения локальноосредненных краевых задач:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( g )

 

 

( g )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aijmn (ξ)

 

um

(ξ)

 

= 0 ,

(2.104)

 

 

∂ξn

 

∂ξj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

когда при ξ → ∞ выполняются равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

i( g ) = ζ( g ) ε*ij ξj .

 

 

(2.105)

 

 

 

u

 

 

89

Рассмотрим определение полей осредненных упругих свойств

a( g ) (ξ) в локально-осредненных

 

 

краевых задачах

(2.102)–(2.105).

Например, при ξ υ имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a[ f ,g ]

a( g ) (ξ)

 

ξ υ( f ) .

 

(2.106)

 

 

 

 

 

 

 

 

Из формулы (2.95) следует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σij( g ) (ξ)

 

ξ υ( f )

= aijmn[ f ,g ]εmn( g ) (ξ)

 

ξ υ( f ) ,

 

(2.107)

 

 

 

где с учетом (2.97), (2.98) при

 

 

f =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, F1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σij( g ) (ξ)

 

ξ υ( f )

=

 

 

αβ( k )χ(gk )σij (r( k ) ( k )ξ)

 

ξ υ( f )

=

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

αβ( k )χ(gk )Cijmno[ f ]χ( k )εmn (r( k ) ( k )ξ)

 

ξ υ( f

) =

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o[ f ] 1

 

 

N

 

 

β

 

 

 

g +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Cijmn

 

 

α( k )χ( k )

εmn (r( k ) ( k )ξ)

 

ξ υ( f )

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Cijmno[ f ]εmn( g +1) (ξ)

 

ξ υ( f )

 

 

= Cijpqo[ f ] N pqmn( f ,g +1)εmn (ξ)

 

ξ υ( f )

,

(2.108)

 

 

 

где использовано предположение о возможности разложения

 

εij( g +1) (ξ)

 

ξ υ( f ) = Nijmn( f ,g +1)εmn (ξ)

 

ξ υ( f ) ,

 

(2.109)

 

 

 

 

в которых тензоры N( f ,g +1)

(2.92) имеют вид

 

 

 

 

 

 

Nijmn( f ,g +1)

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ui() mng +1,() j (ξ)dξ

 

(2.110)

 

 

 

 

υ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( f

) υ( f )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nijmn( f , g +1)ε*mn

=

 

 

 

1

 

εij( g +1) (ξ)dξ,

 

(2.111)

 

 

 

 

υ

(f )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

υ(f )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ε(ξ) – пока неизвестные поля, которые введены через разложение

(2.109).

90