Splitting of a strip consisting of two identical orthotropic half-strips with isotropy axes symmetrically inclined to the interface

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

An exact analytical solution is obtained for the two-dimensional problem of a strip composed by two half-strips of equal thickness from the same linearly elastic orthotropic material with the main axes of the elasticity tensor symmetrically inclined to the interface and a central semi-infinite crack running along the interface. A self-balanced system of loads is assumed to be applied sufficiently far from the crack tip. For four independent active loading modes, expressions for stress intensity factors are found in the form of combinations of elementary functions or single integrals of combinations of elementary functions depending on three independent parameters.

Толық мәтін

1. Введение. Задачи, связанные с распространением трещины в полосе имеют большое значение как для многочисленных приложений – вычисления коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) для стандартных испытаний образцов, таких как трехточечный и четырехточечный изгиб, исследования процессов расслоения и разрушения многослойных структур, так и благодаря их фундаментальному теоретическому значению.

Задача о трещине, параллельной границам полосы (или полуплоскости, в предельном случае) имеет давнюю историю, начиная с работы Обреимова [1], в которой была посчитана скорость высвобождения энергии (СВЭ) для отслаиваемого от полуплоскости слоя слюды, моделируемого балкой в рамках элементарной теории Бернулли–Эйлера, и сравнением с экспериментальными данными вычислена адгезионная прочность слюды. Задача о полубесконечной трещине параллельной границе упругой изотропной полуплоскости была решена в [2], где были получены точные аналитические выражения для отрывной и сдвиговой мод КИН для трех независимых мод нагружения – продольной и поперечной – силами и изгибающим моментом, прикладываемыми к отделяемому слою вдали от вершины трещины. В работе [3] данное решение было обобщено на случай различных упругих свойств отделяемой полосы и полуплоскости, хотя и при наличии ограничения на сочетание упругих параметров, выражающееся в равенстве нулю второго параметра упругого несоответствия Дундурса [4].

Аналитические решения задачи о центральной полубесконечной трещине в упругой полосе были получены многими авторами. В частности, следует отметить следующие работы. В работе [5] получено решение для случая нормального нагружения берегов трещины парой сил, приложенных на произвольном расстоянии от вершины трещины; однако данное решение нуждается в коррекции. Решение для случая нагружения берегов трещины специально распределенными нормальными усилиями получено в [6]. Наиболее строгое решение для случая нагружения берегов трещины парой нормальных сил получено в [7]. Нагружение парой не только нормальных, но и тангенциальных сил рассмотрено в [8]. В [9] получено решение для случая различных упругих модулей слоев, разделяемых трещиной (хотя и при сохранении равенства нулю второго параметра Дундурса).

Задача о полосе, составленной из двух изотропных слоев произвольной толщины и упругих свойств с полубесконечной интерфейсной трещиной, была рассмотрена в [10] (см. также [11, 12]), где было получено полуаналитическое решение для нагружения осевыми силами и изгибающими моментами, приложенными вдали от вершины трещины. Показано, что произвольная нагрузка данного вида может быть представлена в виде суперпозиции двух базисных мод нагружения, в качестве которых были выбраны нагружение симметрично приложенными моментами и нагружение парой осевых сил и компенсирующим изгибающим моментом, приложенным к одной из отслаиваемых полос.

Добавление к рассмотрению нагружения поперечными силами приводит к появлению еще двух независимых мод, в качестве которых может быть выбрано, например, нагружение двумя поперечными силами, приложенными к разделяемым слоям, и нагружение поперечной силой, приложенной только к одному из отделяемых слоев и силой такой же величины и противоположного знака, приложенной к целой части составного слоя [13, 14, 15]. Для обеих из этих мод, добавляются изгибающие моменты, для компенсации моментов, появляющиеся в результате действия поперечных сил. Решения для данных мод нагружения были получены с помощью численных методов, в частности МКЭ.

Аналогичные решения были получены для ортотропной полосы с главными осями тензора упругости, совпадающими с геометрическими осями как численными методами [13, 14, 16–19], так и аналитическими [20, 21]. Так в [20] получено решение для случая нагружения парой сил, приложенных к берегам трещины, и таким образом позволяющее получить решение для нагружения произвольной системой нормальных напряжений, симметрично приложенных к берегам трещины. Аналитические выражения для КИН для всех четырех мод нагружения получены в [21]. В работе [22] с помощью решений [3, 9, 21] и процедуры масштабирования были получены решения для составных ортотропных слоев для некоторых комбинаций упругих констант и отношения толщин, заключающихся в удовлетворении дополнительных условий, связывающих отношения упругих констант и толщин составляющих слоев.

Другое возможное обобщение состоит в рассмотрении полосы, состоящей из двух полуполос равной толщины и одного ортотропного материала, но с главными осями тензора упругости симметрично наклоненными к границе раздела. В работе [11] для мод нагружения, соответствующих изгибу моментами и действию продольных сил КИН были получены на основе элементарного балочного решения и соотношения типа ирвиновского для связи КИН и СВЭ [23, 24]. Однако, аналогично изотропному варианту, КИН и СВЭ в данном случае не могут быть получены из элементарных решений для мод нагружения, соответствующих поперечным силам.

Среди работ, в которых рассматриваются межфазные трещины и трещины около границы раздела, следует также отметить такие работы, как [25, 26].

Кроме точных аналитических и численных решений в ряде работ были получены решения с использованием некоторых упрощающих предположений. В ряде случаев такие решения могут быть асимптотически точными для некоторого соотношения параметров. Так существенное упрощение может быть получено при рассмотрении отслоения жесткого тонкого слоя от упругого основания в приближении одномерной теории (изгиба и растяжения брусьев) [27–30], или a priori пренебрегая некоторыми членами в полном наборе уравнений [31–33]. В частности, в [34] было показано, что значения СВЭ полученные на основе теории балок (пластин) асимптотически точны для больших отношений модулей упругости тонкого отслаиваемого слоя и основания.

Методы, используемые для решения задач, включают в себя численные методы, в первую очередь метод конечных элементов (МКЭ) [12–14, 18, 19], численное решение интегральных уравнений [11], использование элементарных решений теории пластин (балок), дающих в ряде случаев точные решения [10, 11, 16], сведение системы к интегральному уравнению (или системе интегральных уравнений) и последующим применением метода Винера–Хопфа [2, 6–9, 21], что позволяет получить выражение для КИН в замкнутой форме. Данный подход будет использован в настоящей работе.

Настоящее исследование посвящено решению плоской задачи теории упругости о полосе, составленной из двух слоев равной толщины из одинакового ортотропного материала с главными осями тензора упругости, наклоненными симметрично относительно границы раздела. Для четырех независимых мод нагружения путем применения двустороннего преобразования Лапласа задача сведена к двум скалярным задачам Винера Хопфа. Получены аналитические выражения для двух мод КИН в терминах элементарных функций и однократных интегралов от комбинаций элементарных функций, зависящие от трех безразмерных параметров: двух комбинаций упругих параметров и угла наклона. Решение может рассматриваться как обобщение решения [21] на случай симметрично наклоненных главных осей анизотропии.

2. Формулировка задачи. Геометрическая конфигурация и система прикладываемых нагрузок. Рассмотрим полосу -h < y < h составленную из двух упругих ортотропных полос с главными осями тензора упругости направленными симметрично относительно границы раздела под углом ö, и центральной полу-бесконечной трещиной y = 0, x < 0 (рис. 1). Здесь введена декартова система координат xy с центром в вершине трещины и осью х, параллельной границам полосы. Механическое поведение системы определяется системой двумерных уравнений теории упругости, включающих

  • уравнения равновесия:

σxxx+σxyy=0,   σxyx+σyyy=0, (2.1)

где σxx(x, y), σyy(x, y),σxy(x, y) – компоненты тензора напряжений;

  • соотношения Коши, связывающие компоненты тензора деформации εxx(x, y), εyy(x, y),εxy(x, y) и смещения u(x, y), v(x, y):

εxx=ux,    εyy=vy,    εxy=12uy+vx; (2.2)

  • закон Гука, записываемый для анизотропного тела в виде:

εxx=β11σxx+β12σyy+β16σxy,εyy=β12σxx+β22σyy+β26σxy,2εxy=β16σxx+β26σyy+β66σxy. (2.3)

Здесь βjk – модифицированные коэффициенты податливости в глобальной системе координат xy, совпадающие для условий плоского напряженного состояния с обычными коэффициентами податливости sjk, а для условий плоской деформации определяемые как

βjk=sjksj3sk3s33. (2.4)

Уравнение совместности деформации получается из (2.2) исключением компонент смещения

2x2εyy+2y2εxx=22xyεxy. (2.5)

Границы y = ±h и y = 0, x < 0 свободны от напряжений:

σyyx,±h=σxyx,±h=0,   x<,σyyx,±0=σxyx,±0=0,   x<0. (2.6)

 

Рис. 1. Конфигурация и система приложенных нагрузок.

 

Нагрузка в виде трех изгибающих моментов M1, M2, M3, трех продольных P1, P2, P3 и трех поперечных сил V1, V2, V3 (рис. 1) приложена на достаточно большом расстоянии от вершины трещины (I1,I2)так, чтобы считать его бесконечным. Для компенсации моментов, создаваемых поперечными силами, приложены дополнительные моменты V1I1, V2I1, V3I2.

Из девяти нагружающих величин только шесть являются независимыми, поскольку должны удовлетворяться три уравнения баланса

P3=P1P2,   M3=M1M2+P1+P22h,   V3=V1V2. (2.7)

Более того, напряженное состояние вблизи вершины трещины полностью определяется лишь четырьмя независимыми силовыми параметрами [13, 14, 35], так как существуют две комбинации силовых параметров не вызывающие раскрытие трещины. Следуя [9, 21, 22] в качестве четырех силовых параметров выбраны интегральные значения напряжений, действующих на линии продолжения трещины

M=0xσyyx,0dx,V=0σyyx,0dx,T=0σxyx,0dx,τ=limxσxyx,0. (2.8)

Данные величины отличаются от обычно используемых [10–13], однако связь между различными наборами параметров находится элементарно из условий баланса [21, 35]. Силовые параметры, входящие в (2.8), могут быть выражены через параметры нагружения следующим образом

M=M1+M22,   T=P1+P28+3M2M14h,     V=V1+V22,   τ=3V2V14h. (2.9)

Здесь первые три соотношения следуют из условий баланса сил и моментов, четвертое соотношение получается из рассмотрения распределения поля напряжений в составной полосе.

Требуется найти поле напряжений вблизи вершины трещины, при условии их интегрируемости

σxy=Oxn,   n<1,   x+0.

3. Коэффициенты податливости. Связь со значениями в собственной системе координат. В системе координат, связанной с главными осями тензора упругости и наклоненной к глобальной системе координат xy на угол ϕ(рис. 1), в уравнениях закона Гука остаются четыре константы β110,β220,β120,β660 причем решение задачи в напряжениях определяется двумя безразмерными параметрами [17]

λ=β110/β220,      ρ=β660+2β120/2β110β220, (3.1)

на которые наложены термодинамические ограничения 0<λ<,-1<p.

Используя стандартные формулы преобразования [36], коэффициенты податливости в глобальной системе координат xy с учетом записываются в виде

β11=λ1β110λcos4ϕ+2λρcos2ϕ sin2ϕ+sin4ϕ,β22=λ1β110cos4ϕ+2λρcos2ϕ sin2ϕ+λsin4ϕ,β12=λ181β1101+λ+6λρ1+λ2λρcos4ϕβ660/2,β66=λ1β1101+λ2λρsin22ϕ+β660,β16=λ121β1101+λ+1+λ2λρcos2ϕsin2ϕ,β26=λ121β1101λ+1+λ2λρcos2ϕsin2ϕ. (3.2)

4. Вспомогательная задача об ортотропной полосе. Рассмотрим на плоскости xy верхнюю полуполосу 0 < y < h, | x | < ∞ при следующих граничных условиях:

σyyx,h=σxyx,h=0,   σxyx,0=qxx,   σyyx,0=qyx, (4.1)

где qx(x), qy(y) – заданные функции, и найдем решение упругой задачи при заданных граничных условиях.

Введем функцию напряжений Эри F(x, y), определяемую как

σxx=2Fy2,   σyy=2Fx2,   σxy=2Fxy. (4.2)

Уравнения при этом тождественно удовлетворяются, а подстановка в (4.2) затем в (2.5) сводит систему уравнений упругости к одному уравнению относительно одного неизвестного – функции напряжений [36]

β224Fx42β264Fx3y+2β12+β664Fx2y22β164Fxy3+β114Fy4=0. (4.3)

Общее решение уравнения (4.3) может быть получено путем применения двустороннего преобразования Лапласа, определяемого как

f^p,y=fx,yepxdx,  pC. (4.4)

Обратное преобразование определяется следующим образом

fx,y=12πiLf^p,yepxdp, (4.5)

где контур интегрирования L соответствует мнимой оси, и направление интегрирования сверху вниз.

Применение преобразования (4.4) к (4.3) приводит к уравнению для образа

β22p4Fp,y2β26p3dFp,ydy+2β12+β66p2d2Fp,ydy22β16pd3Fp,ydy3+β11d4Fp,ydy4=0, (4.6)

общее решение которого может быть записано следующим образом

F^(p,y)=C1ek1py+C2ek2py+C3ek3py+C4ek4py, (4.7)

где Ci (i = 1÷4) – константы, подлежащие определению из граничных условий, а ki (i = 1÷4) – корни характеристического уравнения (наиболее просто получить данное решение из решения для случая ϕ = 0, а затем преобразовать корни для произвольного ϕ [36])

k1,2=iλ14ρ±ρ21cosϕsinϕcosϕ+iλ14ρ±ρ21sinϕ,   k3,4=iλ14ρ±ρ21cosϕsinϕcosϕiλ14ρ±ρ21sinϕ. (4.8)

Отделяя в ki действительную часть от мнимой, корни можно записать в виде:

k1,3=A1±iB1,     k2,4=A2±iB2. (4.9)

Для p > 1 коэффициенты A1, B1, A2, B2 принимают вид

A1=λ12ρ+ρ21sinϕcosϕsinϕcosϕcos2ϕ+λ12ρ+ρ21sin2ϕ,  B1=λ14ρ+ρ21cos2ϕ+λ12ρ+ρ21sin2ϕ,A2=λ12ρρ21sinϕcosϕsinϕcosϕcos2ϕ+λ12ρρ21sin2ϕ,  B2=λ14ρρ21cos2ϕ+λ12ρρ21sin2ϕ. (4.10)

Для -1 < p < 1 вид данных коэффициентов достаточно громоздок, однако структура (4.9) сохраняется.

Константы Ci находятся из системы уравнений, определяющих граничные условия (4.1), с учетом (4.2) принимают вид

p2Fp,0=p2C1+C2+C3+C4=qyp,pFp,yyy=0=p2k1C1+k2C2+k3C3+k4C4=qxp,p2Fp,h=p2C1ek1ph+C2ek2ph+C3ek3ph+C4ek4ph=0,pFp,yyy=h=p2hC1k1ek1ph+C2k2ek2ph+C3k3ek3ph+C4k4ek4ph=0. (4.11)

Подстановка найденных значений Ci в выражение для образа функции напряжений (4.7) дает решение задачи.

Определим связь между образами производных от смещений по координате x с образами напряжений на границе. Производные компонент смещения

ux,  vx

выражаются через функцию F(x, y) с использованием (4.2), (2.2), (2.3) как

u'=ux=β112Fy2+β122Fx2β162Fxy,v'=vx=β262Fx2β66+β122Fxy+2β162Fy2β113Fy3dx. (4.12)

Применение к (4.12) преобразования Лапласа (4.4) после подстановки (3.2), (4.7), (4.9) и коэффициентов Ci, полученных из решения системы (4.11) дает искомую связь

u^'p,0=C11q^xp+C12q^yp,v^'p,0=C21q^xp+C22q^yp. (4.13)

Выражения для C11, C12, C21, C22 здесь не выписаны, поскольку они слишком громоздки, при дальнейших вычислениях будут использованы некоторые их комбинации.

5. Сведения задачи к системе уравнений Винера–Хопфа. Рассмотрим преобразование Лапласа (4.4) от следующих величин

F+p=F1+pF2+p=0σyyx,0σxyx,0epxdx, (5.1)

Fp=F1pF2p=0xv+x,0vx,0u+x,0ux,0epxdx. (5.2)

Здесь интервалы интегрирования сокращены, поскольку для x < 0 равны нулю напряжения, а для x > 0 разности смещений, а следовательно и их производные по x. Из равенства нулю подынтегральных выражений в (5.2), (5.1) для отрицательных и положительных аргументов следует голоморфность F+(p), F-(p) для правой (Re p > 0) и левой (Re p < 0) полуплоскостей комплексного переменного p, соответственно, включая границу, где данные функции могут иметь полюса [8] (см. также [37]). Верхние индексы “+” и “–” в (5.2) относятся к смещениям для верхнего и нижнего берега трещины. Соотношения между образами производных смещений и напряжениями для верхней полуполосы определяются выражениями (4.13), аналогичные выражения для нижней полуполосы определяются из (4.13) заменой h на -h и ö на -ö. Подстановка данной разности в (5.2) приводит к векторному уравнению

Fp=KpF+p,      pL (5.3)

причем перекрестные члены, определяемые K12, K21 соответствующие влиянию нормальных напряжений на разность тангенциальных смещений и касательных напряжений на разность нормальных смещений сокращаются, что очевидно ввиду симметрии задачи. Здесь контур L соответствует мнимой оси, или может быть трансформирован в соответствие правилам интегрирования по комплексной плоскости. Ненулевые компоненты матрицы K(p) определяются как

K11p=d1shA1A2p+d2sinB1p  cosB2p+d3cosB1p  sinB2pd52B1B2cosB1pcosB2p2B1B2chA1A2p+d4sinB1psinB2p, (5.4)

K22p=d6shA1A2p+d7cosB2psinB1p+d8cosB1psinB2pd9cosB1pcosB2pd9chA1A2p+d10sinB1psinB2p, (5.5)

где

d1=4B1B2A2(A12A1A2+B12)A1B22,d2=2B2A142A13A22A1A2B12+B12(A22+B12B22)+A12(A22+2B12+B22),d3=2B1A22((A1A2)2+B12)B22(A12+2A1A22A22+B12)+B24,d4=A1-A22+B12+B22,   d5=(A12+B12)(A22+B22). (5.6)

d6=4A1A2B1B2,  d7=2B2A1A22B12+B22,d8=2B1A1A22+B12B22,  d9=2B1B2,  d10=A1A22+B12+B22. (5.7)

Кроме того, должны удовлетворяться условия в ключевых точках (нуле и бесконечности)

F+p=V+Mp+opτp1+T+o1,Rep0+, (5.8)

F+p=O(pν),   ν<1,     Rep+. (5.9)

Первое из условий следует из (2.8), второе – из условия интегрируемости напряжений (2.10).

Уравнения (5.3)–(5.9) определяют матричную задачу Римана (Винера–Хопфа), которая в силу условия K12 = K21 = 0 сводится к двум скалярным задачам: для нормальной и касательной составляющей, в которых положим временно без нарушения общности h = 1.

6. Решение для нормальной составляющей. Ключевым моментом решения является факторизация функции K11(p), т.е. ее представление в виде произведения (отношения) двух функций, голоморфных в левой (Re p > 0) и правой (Re p < 0) полуплоскости комплексного переменного p, за исключением, быть может, точки (0, 0),

Kp=Λ1pΛ+p. (6.1)

По нахождении функций Λ±(p), решение находится с помощью обобщенной теоремы Лиувилля (напр., [37])

F±p=Λ±1pΠp. (6.2)

Здесь P(p) – функция, возможно имеющая нули и полюса в нуле и на бесконечности, определяемая из условий (5.8), (5.9) в данных точках.

Используя (4.8), (5.4), уравнение (6.1) может быть представлено в виде

Λ11pΛ1+p= ctg3p​ g1λ,ρ,ϕG1p, (6.3)

G1p=tg3p​​​​g11λ,ρ,ϕK11p, (6.4)

g1=162λ1/4ρ+1cos2ϕ+λsin2ϕ3+3λ+2λρ4λ1cos2ϕ+1+λ2λρcos4ϕ. (6.5)

Здесь коэффициенты tg3(p) и g1(λ,p,ϕ) в (6.3) выбраны так, чтобы функция G1(p) была голоморфна на всей мнимой оси включая точку (0, 0) и стремилась к единице при p → ±∞.

Для -1 < p < 1 радикалы p-1 в (6.4) и формулах получающихся в дальнейшем становятся чисто мнимыми, однако они появляются в сочетании с другими мнимыми коэффициентами, так что окончательные выражения остаются действительными. Поэтому нет необходимости отдельно рассматривать случай -1 < p < 1.

Использование интегралов Коши для факторизации G1(p) и стандартное представление для котангенса через гамма-функцию Г(p) (напр., [37]) позволяет осуществить факторизацию в следующем виде

Λ1+p=Γ31+pπ1Γ31/2+pπ1J1+p, (6.6)

Λ1p=g1λ,ρ,ϕΓ31/2pπ1Γ3pπ1J1p, (6.7)

J1±p=exp12πlnG1sdsisp. (6.8)

При этом Λ1+(p) в нуле и на бесконечности имеет следующие асимптотические разложения

Λ1+1p=π3/2R11pY1ρ+Op2, (6.9)

Λ1+1p=πp3/2+Op1/2,    Rep+. (6.10)

Здесь

R1=62λcos4ϕ+2λρcos2ϕsin2ϕ+sin4ϕλ1/41+ρcos2ϕ+λsin2ϕ1/2 (6.11)

квадратный корень из отношения асимптотик G1(p) в нуле и на бесконечности, остальные величины есть

Y1λ,ρ,ϕ=12πdL1sdsdss=12πL1sL10dss2,L1s=lns3d1sinA1A2s+d2chB2sshB1s+d3chB1sshB2sd52cosA1A2schB1schB2sB1B2+d4shB1sshB2s. (6.12)

Анализ (6.2), (6.9), (6.10) вместе с (5.8), (5.9) приводит к виду функции П(p)

Πp=π3/2R11V+M+Y1(λ,ρ,ϕ)Vp. (6.13)

Появление в (6.13) членов с отрицательны ми степенями p привело бы к нарушению условия (5.9), в то время как появление членов со степенями больше единицы привело бы к нарушению условия (5.8).

Таким образом (6.2), (6.6)–(6.8), (6.13) дают решение поставленной задачи.

Рассмотрим асимптотику p → +∞. Подстановка (6.10), (6.13) в (6.2) дает

F1+p=R11M+Y1λ,ρ,ϕVp1/2+op1/2,    Rep+. (6.14)

Использование теоремы абелевого типа [37] дает асимптотику напряжения при x → 0+:

σyy=π1/2R11M+Y1(λ,ρ,ϕ)Vx1/2+o(x1/2). (6.15)

Откуда, по возвращении к произвольному h, КИН находится как

KIh3/2=2R11M+Y1λ,ρ,ϕVh. (6.16)

Структура выражения (6.16) совпадает со структурой аналогичных выражений [8, 17, 21, 22] для случая ненаклоненных слоев. Для члена, пропорционального моменту, выражение (6.16) совпадает с результатом [10].

7. Решение задачи для сдвиговой моды. Ан алогично предыдущему случаю, используя (4.8), (5.5) аналог выражения записывается следующим образом

Λ21pΛ2+p=ctg p​​​​ g2λ,ρ,ϕG2p, (7.1)

G2p=tgp​​​​ g21λ,ρ,ϕK22p, (7.2)

g2=22λ1/41+ρλcos2ϕ+sin2ϕλcos4ϕ+2λρcos2ϕsin2ϕ+sin4ϕ. (7.3)

Факторизация имеет вид

Λ2+p=Γ1+pπ1Γ1/2+pπ1J2+p, (7.4)

Λ2p=Γ1/2pπ1Γpπ1g1λ,ρ,ϕJ2p, (7.5)

J2±p==exp12πlnsd6sinA1A2t+d7chB2tshB1t+d8chB1tshB2td9cosA1A2tchB1tchB2t+d10shB1tshB2tdsisp. (7.6)

Со следующими асимптотическими представлениями

Λ2+1p=π1/2R21pY2λ,ρ,ϕ+Op2, (7.7)

Λ2+1p=πp1/2+Op1/2,    Rep+, (7.8)

R2=23/4λ1/81+ρ1/4λcos4ϕ+2λρcos2ϕsin2ϕ+sin4ϕλcos2ϕ+sin2ϕ1/2, (7.9)

Y2ρ=12πdL2sdsdss=12πL2sL20dss2, (7.10)

L2s=lnsd6sinA1A2s+d7chB2sshB1s+d8chB1sshB2sd9cosA1A2schB1schB2s+d10shB1sshB2s. (7.11)

Сравнение (6.2), (7.7), (7.8) вместе с (5.8), (5.9) приводит к

Πp=π3/2R21τp1+T+Y2λ,ρ,ϕτ. (7.12)

Появление в (7.12) членов степени p-k, k > 1 привело бы к нарушению условия (5.8), в то время как появление членов с положительными степенями p привело бы к нарушению условия (5.9).

Таким образом, формулы (6.2), (7.4)–(7.6), (7.12) дают решение поставленной задачи.

Рассмотрим асимптотику решения при p+. Подстановка (7.8), (7.12) в (6.2) дает

F1+p=R21T+Y2λ,ρ,ϕτp1/2+op1/2,    Rep+. (7.13)

Используя теорему абелевого типа [37] и возвращаясь к произвольному h, получаем асимптотические формулы для напряжений при x0+

σxy=π1/2R21T+hY2λ,ρ,ϕτh1/2x1/2+ox1/2. (7.14)

Откуда КИН,

KIIh1/2=2R21T+Y2λ,ρ,ϕτh. (7.15)

Структура выражения (7.15) совпадает со структурой (6.16).

8. Результаты численных расчетов. Зависимости КИН от изгибающего момента и пары продольных сил с компенсирующими моментами определяются согласно (6.16), (7.15) алгебраическими функциями от трех параметров λ,p,ϕ и с точностью до обозначений совпадают с выражениями [11], полученными из анализа элементарных балочных решений с использованием результатов [38, 39]. Зависимости КИН от симметрично и несимметрично приложенных поперечных сил не могут быть найдены из элементарных решений и определяются произведением констант (6.11), (7.9) на функции Y1, Y2 от тех же трех параметров. Их зависимости от p для ϕ=π/3 при различных значениях λпредставлены на рис. 2 и 4, зависимости от ϕ для различных p и λ – на рис. 3 и 5. Отметим, что подобно случаю слоев с главными осями тензоров упругости, расположенных нормально [21], значения функции Y2 для r близких к -1 становится отрицательным. Аналогично [21], произвольная нагрузка, приложенная достаточно далеко от вершины трещины, может быть представлена как суперпозиция рассмотренных случаев. Существенно, что функции Y1, Y2 являются четными функциями от угла наклона слоев ϕ, что позволяет избежать ошибок при определении направления его отсчета. Для случая отсутствия наклона слоев ϕ = 0 выражения (6.16), (7.15) сводятся к результату [21], однако в отличие от рассмотренного там случая в рассматриваемой задаче оказалось затруднительным выделить некоторую комбинацию параметров в функции Y1(λ, p, ϕ), так что подынтегральное выражение осталось зависящим от всех трех параметров. Тем не мене е, функции Y1, Y2 обладают некоторой симметрией: благодаря зависимостям (3.2) можно заключить, чтоYk(λ, p, ϕ)=Yk(1/λ, p, π/2-ϕ), что видно из рис. 3, 5.

 

Рис. 2. Зависимость функции Y1 от p для ϕ=π/3; сплошные линии -λ=1, пунктирные линии -λ=4, точечные линии -λ=1/4.

 

Рис. 3. Зависимость функции Y1 от ϕ: (a) для p = 2, (b) для p = 5, (c) для p = -0.7; сплошные линии – l = 1, пунктирные линии -λ=4, штрих-пунктирные линии -λ=8, точечные линии -λ=1/4.

 

Рис. 4. Зависимость функции Y2 от p для ϕ=π/3; сплошные линии -λ=1, пунктирные линии -λ=4, точечные линии -λ=1/4.

 

Рис. 5. Зависимость функции Y2 от ϕ: (a) для p = 2, (b) для p = 5, (c) для p = -0.7; сплошные линии -λ=1, пунктирные линии -λ=4, штрих-пунктирные линии -λ=8, точечные линии -λ=1/4.

 

9. Заключение. Рассмотрена двумерная задача линейной теории упругости о полосе, составленной из двух полуполос равной толщины из одинакового ортотропного материала с главными осями тензора упругости, симметрично наклоненных к границе раздела и центральной полубесконечной трещиной, проходящей по границе раздела. Сбалансированная система нагрузок предполагается приложенной достаточно далеко от вершины трещины, так что согласно принципу Сен-Венана ее можно считать приложенной на бесконечности. Система нагрузок характеризуется четырьмя интегральными силовыми параметрами (2.8), зависящими от напряжений на продолжении линии трещины. Каждый из данных параметров соответствует одной из четырех мод нагружения:

1) парой изгибающих моментов, симметрично приложенным к отслаиваемым частям полуполос;

2) противоположно направленными продольными силами, приложенными к отслаиваемым частям полуполос;

3) поперечными силами, симметрично приложенными к отслаиваемым частям полуполос;

4) поперечными силами, приложенными в одном направлении к отслаиваемым частям полуполос, и поперечной силой, приложенной к противоположной части составной полосы в противоположном направлении.

Для случаев 2)–4) также прикладываются компенсирующие моменты, так чтобы суммарный момент относительно вершины трещины был равным нулю.

Произвольная нагрузка может быть получена как суперпозиция данных мод нагружения и двух «неактивных» мод, не вызывающих появления КИН.

Ставится задача нахождения КИН.

Путем применения двустороннего преобразования Лапласа задача сведена к матричной задаче Римана, в силу симметрии распадающейся на две скалярные задачи, для которых получены точные аналитические решения. Полученное решение справедливо для всех термодинамически допустимых значений упругих констант. Для четырех независимых активных мод нагружения найдены выражения для коэффициентов интенсивности напряжений в виде комбинаций элементарных функций либо однократных интегралов от комбинаций элементарных функций, зависящих от трех независимых параметров. Значения КИН от изгибающего момента и пары продольных сил с компенсирующими моментами определяются алгебраическими функциями трех параметров λ, p, ϕ и с точностью до обозначений совпадают с выражениями [11], полученными из анализа элементарных решений, в то время как зависимости КИН от симметрично и несимметрично приложенных поперечных сил не могут быть найдены из элементарных решений и определяются произведением комбинации констант (6.11), (7.9) на функции Y1, Y2, выражающиеся через однократные интегралы от комбинаций алгебраических функций, зависящих от тех же трех параметров λ, p, ϕ. Аналогично случаю слоев с главными осями тензоров упругости, расположенных нормально [21], значения функции Y2 для r близких к -1 могут становиться отрицательным. Функции Y1, Y2 являются четными функциями от угла наклона слоев ϕ. Для случая отсутствия наклона слоев ϕ = 0 выражения (6.16), (7.15), сводятся к результату [21], однако в отличие от рассмотренного там случая, при произвольном угле наклона ö оказалось затруднительным выделить некоторую комбинацию параметров в функции Y1(λ, p, ϕ), так что подынтегральное выражение осталось зависящим от всех трех параметров.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания (№ госрегистрации 124012500441-6) для КБУ.

×

Авторлар туралы

K. Ustinov

A.Yu. Ishlinsky Institute for problem in Mechanics RAS

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: ustinov@ipmnet.ru
Ресей, Moscow

N. Borisova

Federal State Educational Institution of Higher Education “Prince Alexander Nevsky Military University” of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: nbolo@yandex.ru
Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

  1. Obreimoff J.W. The splitting strength of mica // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 1930. 127. P. 290–297.
  2. Zlatin A.N., Khrapkov A.A. A Semi-Infinite Crack Parallel to the Boundary of the Elastic Half-Plane // Sov. Phys. Dokl. 1986. 31, P. 1009–1010.
  3. Ustinov K.B. On separation of a layer from the half-plane: elastic fixation conditions for a plate equivalent to the layer // Mech. Solids. 2015. 50 (1). P. 62–80. https://doi.org/10.3103/S0025654415010070
  4. Dundurs J. Edge-bonded dissimilar orthogonal elastic wedges under normal andshear loading // J. Appl. Mech. Trans. ASME. 1969. 36. N. 3. P. 650–651. https://doi.org/10.1115/1.3564739
  5. Entov V., Salganik R. On beam approximation in crack theory // Izv. AN SSSR. Mehanika 1965. 5, P. 95–102 (In Russian)
  6. Fichter W. The stress intensity factor for the double cantilever beam // Int. J. Fract. 1983. 22 (2). P. 133–143. https://doi.org/10.1007/BF00942719
  7. Foote R., Buchwald V. An exact solution for the stress intensity factor for a double cantilever beam // Int. J. Fract. 1985. 29 (3). P. 125–134. https://doi.org/10.1007/BF00034313
  8. Khrapkov A. Winer-Hopf Method in Mixed Elasticity Theory Problems. B.E.Vedeneev VNIIG Publishing House. 2001. 143 p.
  9. Ustinov K.B. On semi-infinite interface crack in bi-material elastic layer // European Journal of Mechanics – A/Solids. 2019. V. 75. N. 3. P. 56–69. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2019.01.013
  10. Suo Z., Hutchinson J.W. Interface crack between two elastic layers // Int. J. Fract. 1990. 43. P. 1–18. https://doi.org/10.1007/BF00018123
  11. Hutchinson J.W., Suo Z. Mixed Mode Cracking in Layered Materials. Advances in Applied Mechanics edited by J. W. Hutchinson and T. Y. Wu. 1992. 29. P. 63–191. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70164-9
  12. Begley M.R, Hutchinson J.W. The Mechanics and Reliability of Films, Multilayers and Coatings. Cambridge University Press, 2017. P. 106–118. https://doi.org/10.1017/9781316443606.007
  13. Li S., Wang J., Thouless M.D. The effects of shear on delamination in layered materials // J. Mech. Phys. of Solids. 2004. 52 (1). P. 193–214. https://doi.org/10.1016/S0022-5096(03)00070-X
  14. Andrews M.G., Massabò R. The effects of shear and near tip deformations on energy release rate and mode mixity of edge-cracked orthotropic layers // Eng. Fract. Mech. 2007. 74. P. 2700–2720. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2007.01.013
  15. Thouless M.D., Shear Forces, Root Rotations, Phase Angles and Delamination of Layered Materials // Eng. Fract. Mech. 2018. 191. P. 153–167. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.01.033
  16. Suo Z. Delamination specimens for orthotropic materials // J. Appl. Mech. 1990 V. 57. P. 627–634. https://doi.org/10.1115/1.2897068.
  17. Bao G., Ho S., Suo Z., Fan B. The role of material orthotropy in fracture specimens for composites // Int. J, Sol. Struct. 1992. 29 ( 9). P. 1105–1116. https://doi.org/10.1016/0020-7683(92)90138-j
  18. Massabò R., Brandinelli L., Cox B.N. Mode I weight functions for an orthotropic double cantilever beam // Int. J. Eng. Sci. 2003. 41. P. 1497–1518. https://doi.org/10.1016/S0020-7225(03)00029-6
  19. Brandinelli L, Massabò R. Mode II weight functions for isotropic and orthotropic double cantilever beams // Int. J. Fract. 2006. 139. P. 1–25. https://doi.org/10.1007/s10704-006-6358-0.
  20. Georgiadis H.G., Papadopoulos G.A. Elastostatics of the orthotropic double-cantilever-beam fracture specimen // J. Appl. Math. Phys. (ZAMP) 1990. 41. P. 889–899. https://doi.org/10.1007/BF00945841
  21. Ustinov K., Massabò R., Lisovenko D. Orthotropic strip with central semi-infininite crack under arbitrary loads applied far apart from the crack tip. Analytical solution // Eng. Failure Analysis, 2020. 100. P. 104410. doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.104410.
  22. Ustinov K.B., Idrisov D.M. On delamination of bi-layers composed by orthotropic materials: exact analytical solutions for some particular cases // ZAMM Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Mechanik. 2020. 101. Is 4. e202000239. doi: 10.1002/zamm.20200023
  23. Wang T.C., Shih, C.F. Suo Z. Crack extension and kinking in laminates and bicrystals // Int. J. Sol. Struct. 1992. 29. P. 327–344. doi: 10.1016/0020-7683(92)90203-6
  24. Suo Z., Bao G., Fan B., Wang T.C. Orthotropy rescaling and implications for fracture in composites // Int. J. Sol. Struct. 1991. 28(2). P. 235–248. doi: 10.1016/0020-7683(91)90208-W
  25. Grekov M.A. Two types of interface defects // J. Appl. Math. Mech. 2011. V. 75. № 4. P. 476–488. https://doi.org/ 10.1016/j.jappmathmech.2011.09.012
  26. Grekov M.A., Morozov N.F. Some modern methods in mechanics of cracks // Modern analysis and applications. 2009. V. 191. P. 127–142. https://doi.org/10.1007/978-3-7643-9921-4_8
  27. Koiter W. On the diffusion of load from a stiffener into a sheet // Q. J. Mech. Appl. Math. 1955. V. 8. № 2. P. 164–178. https://doi.org/10.1093/qjmam/8.2.164
  28. Popov G. Bending of a semi-infinite plate resting on a linearly deformable foundation // J. Appl. Math. Mech. 1961. 25 (2). P. 502–520. doi: 10.1016/0021-8928(61)90082-x
  29. Alblas J., Kuypers W., On the diffusion of load from a stiffener into an infinite wedge-shaped plate // Appl. Sci. Res. 1966. 15 (1). P. 429–439. doi: 10.1007/BF00411576
  30. Salganik R., Ustinov K., Deformation problem for an elastically fixed plate modeling a coating partially delaminated from the substrate (plane strain) // Mech. Solid. 2012. 47(4). P. 415–425. doi: 10.3103/s0025654412040061
  31. Ustinov K. On shear separation of a thin strip from the half-plane // Mech. Solid. 2014. 49(6). P. 713–724. doi: 10.3103/s0025654414060132
  32. Ustinov K. On delamination of a stipe along the boundary between two elastic layers part 1, problem formulation, the case of normal crack // PNRPU Mech. Bull. 2015 (4), 226–245. doi: 10.15593/perm.mech/2015.4.13
  33. Ustinov K., On delamination of a strip along the boundary between two elastic layers. part 2, case of shear crack // PNRPU Mech. Bull. 2016 (2), 131–142. doi: 10.15593/perm.mech/ 2016.1.09
  34. Massabò R., Ustinov K., Barbieri L., Berggreen, C. Fracture Mechanics Solutions for Interfacial Cracks between Compressible Thin Layers and Substrates // Coatings. 2019. 9(3). P. 152. doi: 10.3390/coatings9030152
  35. Ustinov K.B., Massabò R. On elastic clamping boundary conditions in plate models describing detaching bilayers // Int. J. Sol. Struct. 2022. 248. P. 111600. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2022.111600
  36. Lekhnitsky Theory of elasticity of an anisotropic elastic body 1963.
  37. Noble B., Methods Based on the Wiener-Hopf Technique for the Solution of Partial Differential Equations. Physics Today. 12 (9). 1959. P. 50. doi: 10.1063/1.3060973
  38. Sih G.C., Paris P.C., Irwin G.R. On cracks in rectilinearly anisotropic bodies Int. J. Fract. Mech. 1965. 1(3). P. 189–203. doi: 10.1007/bf00186854
  39. Wang C., Shih C.F., Suo Z. Crack extension and kinking in laminates and bicrystals. Int. J. Sol. Struct. 1992. 29(3). P. 327–344. doi: 10.1016/0020-7683(92)90203-6

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
2. Fig. 1. Configuration and system of applied loads.

Жүктеу (102KB)
3. Fig. 2. Dependence of the function Y1 on  for  = /3; solid lines are = 1, dashed lines are  = 4, dotted lines are = 1/4.

Жүктеу (54KB)
4. Fig. 3. Dependence of the function Y1 on : (a) for  = 2, (b) for  = 5, (c) for  = 0.7; solid lines -  = 1, dashed lines -  = 4, dashed lines -  = 8, dotted lines -  = 1/4.

Жүктеу (160KB)
5. Fig. 4. Dependence of the function Y2 on  for  = /3; solid lines -  = 1, dashed lines -  = 4, dotted lines -  = 1/4.

Жүктеу (58KB)
6. Fig. 5. Dependence of Y2 function on : (a) for  = 2, (b) for  = 5, (c) for  = 0.7; solid lines -  = 1, dashed lines -  = 4, dashed-dotted lines -  = 8, dotted lines -  = 1/4.

Жүктеу (162KB)

© Russian Academy of Sciences, 2024

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».