О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов

Рассмотрена задача о страгивании межфазных трещин в кусочно-однородном изотропном упругом теле в угловой точке границы раздела сред в случае полного гладкого контакта берегов. Точное решение соответствующей краевой задачи построено методом
 Винера–Хопфа. Розглянуто задачу про зрушення мiжфаз...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2012
Main Authors: Каминский, А.А., Кипнис, Л.А., Хазин, Г.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84297
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов / А.А. Каминский, Л.А. Кипнис, Г.А. Хазин // Доп. НАН України. — 2012. — № 7. — С. 48-53. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860233368502796288
author Каминский, А.А.
Кипнис, Л.А.
Хазин, Г.А.
author_facet Каминский, А.А.
Кипнис, Л.А.
Хазин, Г.А.
citation_txt О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов / А.А. Каминский, Л.А. Кипнис, Г.А. Хазин // Доп. НАН України. — 2012. — № 7. — С. 48-53. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Доповіді НАН України
description Рассмотрена задача о страгивании межфазных трещин в кусочно-однородном изотропном упругом теле в угловой точке границы раздела сред в случае полного гладкого контакта берегов. Точное решение соответствующей краевой задачи построено методом
 Винера–Хопфа. Розглянуто задачу про зрушення мiжфазних трiщин у кусково-однорiдному iзотропному
 пружному тiлi в кутовiй точцi межi подiлу середовищ у випадку повного гладкого контакту берегiв. Точний розв’язок вiдповiдної крайової задачi побудовано методом Вiнера–Хопфа. The problem of the start of the interfacial cracks in a piece-homogeneous isotropic elastic body at
 a corner point of the interface is considered in the case of a full smooth contact of faces. An exact
 solution of the corresponding boundary-value problem is constructed by the Wiener–Hopf method.
first_indexed 2025-12-07T18:22:10Z
format Article
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 7 • 2012 МЕХАНIКА УДК 539.375 © 2012 А.А. Каминский, Л. А. Кипнис, Г. А. Хазин О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов (Представлено академиком НАН Украины Я.М. Григоренко) Рассмотрена задача о страгивании межфазных трещин в кусочно-однородном изотроп- ном упругом теле в угловой точке границы раздела сред в случае полного гладкого кон- такта берегов. Точное решение соответствующей краевой задачи построено методом Винера–Хопфа. Для горного дела существенный интерес представляют решения задач теории упругости о предельном равновесии тел, находящихся в условиях сжатия и содержащих трещины с контактирующими берегами. Такие трещины могут зарождаться вблизи различных остро- конечных концентраторов напряжений в горных массивах сложной структуры. Если эти трещины неустойчивы, то после достижения состояния предельного равновесия режим их развития будет динамическим, что может привести к разрушению массива. Ниже дается решение задачи о предельном равновесии кусочно-однородного изотропно- го упругого тела с межфазными трещинами в угловой точке границы раздела сред в случае полного гладкого контакта берегов. В условиях плоской деформации в рамках статической симметричной задачи рассмот- рим кусочно-однородное тело с границей раздела сред в форме сторон угла, которое состав- лено из изотропных упругих частей с модулями Юнга E1, E2 (E1 > E2) и коэффициентами Пуассона ν1, ν2 (рис. 1). В силу общих положений о поведении напряжений вблизи угловых точек упругих тел [1] угловая точка границы раздела сред O представляет собой остроконечный концентратор напряжений со степенной особенностью. При этом справедливы следующие формулы: τrθ(r, 0) = Cg1r λ + o(rλ), σθ(r, 0) = Cg2r λ + o(rλ) (r → 0). 48 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7 Рис. 1 Здесь g1 = λg11 sinλα+ g12 sin(λ+ 2)α, g11 = (1− e)λ2 sin2 2α cos(λ+ 2)α− (1− κ1 − 2e)λ sin 2α cos(λ+ 2)α cos λ(π − α)× × sin[λ(π − α)− 2α] + [2− (1− κ2)e]λ sin 2α cos λα sin(λ+ 2)α cos(λ+ 2)α− − 2[1− κ1− (1− κ2)e] cos λα sin(λ+ 2)α cos(λ+ 2)α cos λ(π− α) sin[λ(π− α)− 2α] + + (1 + κ1)λ sin 2α sin(λ+ 2)α cos λ(π − α) cos[λ(π − α)− 2α] + + (1 + κ1)(1− κ2) cos λα sin2(λ+ 2)α cos λ(π − α) cos[λ(π − α)− 2α]− − (1 + κ2)λ sin 2α cos λα sin(λ+ 2)α cos(λ+ 2)α + + (1− κ1)(1 + κ2) cos λα sin(λ+ 2)α cos(λ+ 2)α cos λ(π − α) sin[λ(π − α)− 2α], g12 = (1− κ1 − 2e)λ(1 − κ2 + λ) sin 2α cos λα cos λ(π − α) sin[λ(π − α)− 2α] − − (1− e)(1− κ2 + λ)λ2 sin2 2α cos λα− − [2− (1− κ2)e]λ(1− κ2 + λ) sin 2α cos2 λα sin(λ+ 2)α + + 2[1−κ1− (1−κ2)e](1− κ2+ λ) cos2 λα sin(λ+ 2)α cos λ(π− α) sin[λ(π− α)− 2α]− −(1 + κ1)λ 2 sin 2α sinλα cosλ(π − α) cos[λ(π − α)− 2α] − − (1 + κ1)(1− κ2)λ sinλα cos λα sin(λ+ 2)α cos λ(π − α) cos[λ(π − α)− 2α] + +(1 + κ2)λ 2 sin 2α sinλα cosλα cos(λ+ 2)α − − (1− κ1)(1 + κ2)λ sinλα cos λα cos(λ+ 2)α cos λ(π − α) sin[λ(π − α)− 2α], e = 1 + ν2 1 + ν1 e0, e0 = E1 E2 , κ1,2 = 3− 4ν. Для g2 имеет место подобное выражение. Показатель степени сингулярности напряжений λ представляет собой единственный на интервале ] − 1; 0] корень уравнения ∆(−x− 1) = 0,∆(z) = δ0(z) + δ1(z)e + δ2(z)e 2, δ0(z) = (sin 2zα+ z sin 2α)[κ1 sin 2z(π − α) + z sin 2α], δ1(z) = (1 + κ1)(1 + κ2) sin 2 zπ − (sin 2zα + z sin 2α)[κ1 sin 2z(π − α) + z sin 2α]− − [sin 2z(π − α)− z sin 2α](κ2 sin 2zα− z sin 2α), δ2(z) = [sin 2z(π − α)− z sin 2α](κ2 sin 2zα− z sin 2α). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №7 49 Рис. 2 Постоянная C должна определяться из решения каждой конкретной задачи теории упругос- ти, изображенной на рис. 1. Будем считать эту постоянную отрицательной возрастающей по модулю функцией внешней нагрузки, что соответствует широкому классу задач, в которых тело находится в условиях сжатия. Как показывают результаты расчетов, λ > −1/2; g1(α) < 0 при α 6= 0, π/2, π; g1(0) = = g1(π/2) = g1(π) = 0; g1 = 0, если E1 = E2, ν1 = ν2; g2(α) < 0 при α ∈]0;α1] ⋃ ]π/2;α2], g2(α) > 0 при α ∈]α1;π/2] ⋃ ]α2;π], g2(0) = g2(α1) = g2(π/2) = g2(α2) = g2(π) = 0; g2 = 0, если E1 = E2, ν1 = ν2. Если e0 увеличивается, то α1, α2 уменьшаются. В табл. 1 приведены некоторые значения показателя степени сингулярности напряже- ний λ при ν1ν2 = 0,3. Значениям e0, равным 2; 3; 5; 10, соответствуют значения α1, равные 38,2◦; 34,4◦; 29,3◦; 21,7◦, и значения α2, равные 134,2◦; 133,4◦; 133,1◦; 131,3◦ (ν1 = ν2 = = 0,3). Используя приведенную информацию о функции g2 и считая всюду в дальнейшем α ∈ ∈]α1;π/2[ ⋃ ]α2;π[, заключаем, что σθ(r, 0) → −∞ при r → 0. Поэтому на границе раздела сред вблизи угловой точки нормальные напряжения являются сжимающими. Тогда вслед- ствие высокой концентрации напряжений в угловой точке возможно зарождение исходя- щих из нее межфазных трещин с полностью контактирующими берегами, длина которых в значительной степени меньше размеров тела. Чем больше отличаются друг от друга ма- териалы, тем шире область значений угла α, при которых следует ожидать образование таких трещин. Предполагается, что трение между берегами трещин отсутствует. Ставится задача определения условия страгивания зародившихся трещин и исследова- ния их равновесия на устойчивость. С учетом малости трещин приходим к плоской статической симметричной задаче теории упругости для кусочно-однородной изотропной плоскости с границей раздела сред в форме сторон угла, содержащей разрезы конечной длины, исходящие из угловой точки и распо- ложенные на этой границе (рис. 2). На бесконечности реализуется асимптотика, представ- ляющая собой решение аналогичной задачи без разрезов (задача К), порождаемое един- ственным на интервале ]−1; 0[ корнем ее характеристического уравнения. Произвольная постоянная C, входящая в указанное решение, считается заданной. Она характеризует ин- тенсивность внешнего поля и должна определяться из решения внешней задачи. Таблица 1 e0 α, ◦ 15 30 45 60 75 105 120 135 150 165 2 −0,036 −0,075 −0,112 −0,112 −0,086 −0,025 −0,054 −0,089 −0,117 −0,104 3 −0,068 −0,132 −0,180 −0,184 −0,127 −0,037 −0,081 −0,130 −0,173 −0,168 5 −0,122 −0,232 −0,258 −0,248 −0,167 −0,049 −0,104 −0,168 −0,228 −0,241 10 −0,215 −0,310 −0,332 −0,308 −0,203 −0,059 −0,124 −0,202 −0,278 −0,318 50 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7 Граничные условия рассматриваемой задачи (рис. 2) имеют следующий вид: θ = π − α, τrθ = 0, uθ = 0; θ = −α, τrθ = 0, uθ = 0; θ = 0, 〈σθ〉 = 〈τrθ〉 = 0, 〈uθ〉 = 0; (1) θ = 0, r < l, τrθ = 0; θ = 0, r > l, 〈ur〉 = 0; (2) θ = 0, r → ∞, τrθ = Cg1r λ + o(1/r). (3) Здесь −α 6 θ 6 π − α; 〈a〉 — скачок a. Решение сформулированной задачи теории упругости представляет собой сумму реше- ний следующих двух задач. Первая отличается от нее тем, что вместо первого условия (2) имеем θ = 0, r < l, τrθ = −Cg1r λ, (4) а на бесконечности напряжения затухают как o(1/r) (в (3) отсутствует первое слагаемое). Вторая задача — задача К. Поскольку решение второй задачи известно, достаточно по- строить решение первой. Для построения точного решения первой задачи используется метод Винера–Хопфа в со- четании с аппаратом интегрального преобразования Меллина [2–4]. Применяя преобразование Меллина к уравнениям равновесия, условию совместности деформаций, закону Гука, условиям (1) и учитывая второе условие (2) и условие (4), при- ходим к следующему функциональному уравнению Винера–Хопфа: Φ+(p) + τ p+ λ+ 1 = A ctg pπG(p)Φ−(p) A = (1 + κ1)[1 + κ1 + (1 + κ2)e] 2[κ1 + (1 + κ1κ2)e+ κ2e2] , G(p) = G1(p) G2(p) , G1(p) = [κ1 + (1 + κ1κ2)e+ κ2e 2][a0(p) + a1(p)e] sin pπ, G2(p) = [1 + κ1 + (1 + κ2)e][b0(p) + b1(p)e+ b2(p)e 2] cos pπ, a0(p) = (1 + κ1)[cos 2p(π − α)− cos 2α](sin 2pα+ p sin 2α), a1(p) = (1 + κ2)(cos 2pα− cos 2α)[sin 2p(π − α)− p sin 2α], (5) b0(p) = (sin 2pα+ p sin 2α)[κ1 sin 2p(π − α) + p sin 2α], b1(p) = (1 + κ1)(1 + κ2) sin 2 pπ − (sin 2pα+ p sin 2α)[κ1 sin 2p(π − α) + p sin 2α] − − [sin 2p(π − α) − p sin 2α](κ2 sin 2pα− p sin 2α), b2(p) = [sin 2p(π − α)− p sin 2α](κ2 sin 2pα− p sin 2α), τ = −Cg1l λ, Φ+(p) = ∞ ∫ 1 τrθ(ρl, 0)ρ pdρ,Φ−(p) = E1 4(1− ν2 1 ) 1 ∫ 0 〈 ∂ur ∂r 〉∣ ∣ ∣ ∣r=ρl θ=0 ρpdρ. Здесь −ε1 < Re p < ε2, ε1,2 — достаточно малые положительные числа. Подобные уравнения решены, например, в [2, 3]. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №7 51 Решение уравнения (5) имеет вид Φ+ = τK+(p)G+(p) p+ λ+ 1 [ 1 K+(−λ− 1)G+(−λ− 1) − 1 K+(p)G+(p) ] (Re p < 0), Φ−(p) = τpG−(p) AK+(−λ− 1)G+(−λ− 1)(p + λ+ 1)K−(p) (Re p > 0), exp [ 1 2πi i∞ ∫ −i∞ lnG(z) z − p dz ] = { G+(p), Re p < 0, G−(p), Re p > 0, K±(p) = Γ(1∓ p) Γ(1/2 ∓ p) (6) (Γ(z) — гамма-функция). Определим коэффициент интенсивности напряжений KII в конце O′ трещины. Вблизи точки O′ в силу общих положений о поведении напряжений в окрестностях угловых точек упругих тел реализуется асимптотика, представляющая собой решение однородной стати- ческой задачи теории упругости для кусочно-однородной изотропной плоскости, содержа- щей на прямолинейной границе раздела сред полубесконечную линию разрыва касательно- го смещения, порождаемое корнем −1/2 ее характеристического уравнения. В частности, имеют место асимптотики θ = 0, r → l + 0, τrθ ∼ κ1 + e+ 1 + κ2e 2(1 + κ2e) KII √ 2π(r − l) , θ = 0, r → l − 0, 〈 ∂ur ∂r 〉 ∼ −4(1 − ν21) E1 κ1 + e 1 + κ1 KII √ 2π(l − r) . (7) Исходя из (7), по теореме абелева типа получаем p → ∞, Φ+(p) ∼ κ1 + e+ 1 + κ2e 2(1 + κ2e) KII√ −2pl ; Φ−(p) ∼ −κ1 + e 1 + κ1 KII√ 2pl . (8) С помощью (6) находим асимптотику p → ∞, Φ−(p) ∼ τ AK+(−λ− 1)G+(−λ− 1) √ p . (9) Согласно (8), (9) получаем формулу для коэффициента интенсивности напряжений в конце O′ трещины KII = 2 √ 2(1 + κ2e)g1Γ(λ+ 3/2) [1 + κ1 + (1 + κ2)e]Γ(λ+ 2)G+(−λ− 1) Clλ+1/2. (10) Руководствуясь силовым критерием разрушения [5] и приравнивая правую часть (10) к кри- тическому значению коэффициента интенсивности напряжений KIIc, представляющему со- бой заданную постоянную материала, приходим к следующему уравнению, служащему для определения разрушающей нагрузки: C = [1 + κ1 + (1 + κ2)e]Γ(λ + 2)G+(−λ− 1) 2 √ 2(1 + κ2e)g1Γ(λ+ 3/2) KIIc lλ+1/2 . (11) 52 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №7 Таким образом, страгивание трещин произойдет тогда, когда параметр нагружения C, возрастая по модулю с ростом внешней нагрузки, достигнет своего предельного значения, определяемого формулой (11). Поскольку λ > −1/2, из (10) находим ∂KII ∂l = 2 √ 2(1 + κ2e)(λ+ 1/2)g1Γ(λ+ 3/2) [1 + κ1 + (1 + κ2)e]Γ(λ+ 2)G+(−λ− 1) Clλ−1/2 > 0. (12) Используя (12) и критерий устойчивости равновесия трещин [5], можно сформулировать следующий вывод. Если из угловой точки границы раздела изотропных упругих сред исхо- дят межфазные трещины, длина которых в значительной степени меньше размеров тела, находящегося в условиях сжатия, то в случае полного гладкого контакта берегов их равно- весие неустойчиво. После достижения состояния предельного равновесия режим развития трещин будет динамическим. 1. Партон В. З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. – Москва: Наука, 1981. – 688 с. 2. Каминский А.А., Кипнис Л.А., Хазин Г.А. О критерии начала роста двух сдвиговых трещин в упругом теле в условиях плоской деформации // Прикл. механика. – 2006. – 42, № 4. – С. 83–90. 3. Каминский А.А., Кипнис Л.А., Хазин Г.А. Об устойчивости равновесия трещины Коттрелла // Прикл. механика. – 2010. – 46, № 2. – С. 13–23. 4. Нобл Б. Применение метода Винера–Хопфа для решения дифференциальных уравнений в частных производных. – Москва: Изд-во иностр. лит., 1962. – 279 с. 5. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие. В 4 т. Т. 1. Основы механики раз- рушения материалов / Панасюк В. В., Андрейкив А.Е., Партон В. З. – Киев: Наук. думка, 1988. – 488 с. Поступило в редакцию 01.12.2011Институт механики им. С.П. Тимошенко НАН Украины, Киев Уманский государственный педагогический университет им. Павла Тычины А.О. Камiнський, Л.А. Кiпнiс, Г. А. Хазiн Про зрушення мiжфазних трiщин у кутовiй точцi межi подiлу середовищ при повному гладкому контактi берегiв Розглянуто задачу про зрушення мiжфазних трiщин у кусково-однорiдному iзотропному пружному тiлi в кутовiй точцi межi подiлу середовищ у випадку повного гладкого контак- ту берегiв. Точний розв’язок вiдповiдної крайової задачi побудовано методом Вiнера–Хопфа. A.A. Kaminsky, L. A. Kipnis, G.A. Khazin On the start of interfacial cracks at a corner point of the interface under a full smooth contact of faces The problem of the start of the interfacial cracks in a piece-homogeneous isotropic elastic body at a corner point of the interface is considered in the case of a full smooth contact of faces. An exact solution of the corresponding boundary-value problem is constructed by the Wiener–Hopf method. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №7 53
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84297
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:22:10Z
publishDate 2012
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Каминский, А.А.
Кипнис, Л.А.
Хазин, Г.А.
2015-07-06T08:40:26Z
2015-07-06T08:40:26Z
2012
О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов / А.А. Каминский, Л.А. Кипнис, Г.А. Хазин // Доп. НАН України. — 2012. — № 7. — С. 48-53. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84297
539.375
Рассмотрена задача о страгивании межфазных трещин в кусочно-однородном изотропном упругом теле в угловой точке границы раздела сред в случае полного гладкого контакта берегов. Точное решение соответствующей краевой задачи построено методом&#xd; Винера–Хопфа.
Розглянуто задачу про зрушення мiжфазних трiщин у кусково-однорiдному iзотропному&#xd; пружному тiлi в кутовiй точцi межi подiлу середовищ у випадку повного гладкого контакту берегiв. Точний розв’язок вiдповiдної крайової задачi побудовано методом Вiнера–Хопфа.
The problem of the start of the interfacial cracks in a piece-homogeneous isotropic elastic body at&#xd; a corner point of the interface is considered in the case of a full smooth contact of faces. An exact&#xd; solution of the corresponding boundary-value problem is constructed by the Wiener–Hopf method.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Механіка
О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
Про зрушення мiжфазних трiщин у кутовiй точцi межi подiлу середовищ при повному гладкому контактi берегiв
On the start of interfacial cracks at a corner point of the interface under a full smooth contact of faces
Article
published earlier
spellingShingle О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
Каминский, А.А.
Кипнис, Л.А.
Хазин, Г.А.
Механіка
title О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
title_alt Про зрушення мiжфазних трiщин у кутовiй точцi межi подiлу середовищ при повному гладкому контактi берегiв
On the start of interfacial cracks at a corner point of the interface under a full smooth contact of faces
title_full О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
title_fullStr О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
title_full_unstemmed О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
title_short О страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
title_sort о страгивании межфазных трещин в угловой точке границы раздела сред при полном гладком контакте берегов
topic Механіка
topic_facet Механіка
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84297
work_keys_str_mv AT kaminskiiaa ostragivaniimežfaznyhtreŝinvuglovoitočkegranicyrazdelasredpripolnomgladkomkontakteberegov
AT kipnisla ostragivaniimežfaznyhtreŝinvuglovoitočkegranicyrazdelasredpripolnomgladkomkontakteberegov
AT hazinga ostragivaniimežfaznyhtreŝinvuglovoitočkegranicyrazdelasredpripolnomgladkomkontakteberegov
AT kaminskiiaa prozrušennâmižfaznihtriŝinukutoviitočcimežipodiluseredoviŝpripovnomugladkomukontaktiberegiv
AT kipnisla prozrušennâmižfaznihtriŝinukutoviitočcimežipodiluseredoviŝpripovnomugladkomukontaktiberegiv
AT hazinga prozrušennâmižfaznihtriŝinukutoviitočcimežipodiluseredoviŝpripovnomugladkomukontaktiberegiv
AT kaminskiiaa onthestartofinterfacialcracksatacornerpointoftheinterfaceunderafullsmoothcontactoffaces
AT kipnisla onthestartofinterfacialcracksatacornerpointoftheinterfaceunderafullsmoothcontactoffaces
AT hazinga onthestartofinterfacialcracksatacornerpointoftheinterfaceunderafullsmoothcontactoffaces