Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634558)
Контекстум
.

Стохастические модели в задачах со случайными параметрами. Шероховатость поверхности (110,00 руб.)

0   0
АвторыИванищева Ольга Ивановна
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц37
ID590442
АннотацияДанное пособие является продолжением рассмотрения примеров стохастических моделей, основанных на представлении о случайном поле. В нем представлена стохастическая модель шероховатости поверхности тела. Приводятся примеры решения задачи устойчивости, распределения напряжений и полей температур в телах с шероховатой границей. Пособие содержит необходимые материалы для самостоятельных исследований в рамках НИР, а также в процессе изучения курса «Стохастические модели в неоднородной теории упругости».
Кому рекомендованоРекомендовано магистрам 2-го года обучения факультета прикладной математики, информатики и механики
Стохастические модели в задачах со случайными параметрами. Шероховатость поверхности / О.И. Иванищева .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2015 .— 37 с. — 37 с. — URL: https://rucont.ru/efd/590442 (дата обращения: 19.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» СТОХАСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ЗАДАЧАХ СО СЛУЧАЙНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ Шероховатость поверхности Учебно-методическое пособие Составитель: О.И. Иванищева Воронеж Издательский дом ВГУ 2015 1 Утверждено научно-методическим советом факультета прикладной математики, информатики и механики 10 декабря 2015 г., протокол № 4. <...> Моделирование шероховатости с помощью случайного поля . <...> Постановка граничных условий на шероховатой поверхности . <...> Напряженное состояние упругого тела с шероховатой границей . <...> Напряженное состояние упругой полуплоскости с шероховатой границей при растяжении . <...> Оценка глубины зоны возмущенного напряженного состояния . <...> Концентрация напряжений на шероховатой поверхности тел при сложном напряженном состоянии . <...> Шероховатое круговое отверстие в бесконечной полуплоскости под действием равномерного нормального давления . <...> Стохастическая задача теплопроводности для тела с шероховатой границей . <...> Построение температурного поля полупространства с шероховатой границей . <...> Распределение температур в волокнистом полупространстве под действием теплового потока на шероховатой границе . <...> Самостоятельная работа по теме «Температурное поле полупространства с шероховатой границей» . <...> Задача устойчивости пластины с шероховатыми поверхностями . <...> Метод возмущений в стохастической задаче устойчивости . <...> Устойчивость микропористой пластины с шероховатой поверхностью . <...> Самостоятельная работа по теме «Метод возмущений в стохастической задаче устойчивости» . <...> Самостоятельная работа по теме «Устойчивость микропористой пластины с шероховатой поверхностью» . <...> 36 3 Введение При анализе состоянии тел со случайными параметрами удобным и естественным является рассмотрение стохастических моделей. <...> Данное пособие является продолжением рассмотрения <...>
Стохастические_модели_в_задачах_со_случайными_параметрами._Шероховатость_поверхности.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» СТОХАСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ЗАДАЧАХ СО СЛУЧАЙНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ Шероховатость поверхности Учебно-методическое пособие Составитель: О.И. Иванищева Воронеж Издательский дом ВГУ 2015 1
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................................ 4 § 1. Математическая модель шероховатости ............................................... 5 1.1. Представление о шероховатости и ее влияние на основные эксплуатационные свойства детали ............................................................... 5 1.2. Моделирование шероховатости с помощью случайного поля ......... 5 § 2. Распределение напряжений на шероховатой поверхности .................. 7 2.1. Вектор нормали к шероховатой поверхности .................................... 7 2.2. Постановка граничных условий на шероховатой поверхности ....... 8 § 3. Напряженное состояние упругого тела с шероховатой границей ..... 10 3.1. Напряженное состояние упругой полуплоскости с шероховатой границей при растяжении ............................................................ 10 3.2. Граница с синусоидальным видом шероховатости ......................... 13 3.3. Граница полуплоскости со случайными шероховатостями ........... 14 3.4. Оценка глубины зоны возмущенного напряженного состояния ........ 15 § 4. Концентрация напряжений на шероховатой поверхности тел при сложном напряженном состоянии ................................................................. 17 4.1. Шероховатое круговое отверстие в бесконечной полуплоскости под действием равномерного нормального давления ............. 17 4.2. Постановка задачи о напряженном состоянии шероховатого цилиндра .................................................................................................................. 23 § 5. Стохастическая задача теплопроводности для тела с шероховатой границей ........................................................................................ 25 5.1. Построение температурного поля полупространства с шероховатой границей ........................................................................................ 25 5.2. Распределение температур в волокнистом полупространстве под действием теплового потока на шероховатой границе .............................. 27 5.3. Самостоятельная работа по теме «Температурное поле полупространства с шероховатой границей» .................................................... 28 5.4. Самостоятельная работа по теме «Распределение температур в волокнистом полупространстве под действием теплового потока на шероховатой границе» ..................................................................................... 29 § 6. Задача устойчивости пластины с шероховатыми поверхностями .................................................................................................................... 29 6.1. Метод возмущений в стохастической задаче устойчивости ............. 29 6.2. Устойчивость микропористой пластины с шероховатой поверхностью ......................................................................................................... 32 6.3. Самостоятельная работа по теме «Метод возмущений в стохастической задаче устойчивости» ........................................................... 33 6.4. Самостоятельная работа по теме «Устойчивость микропористой пластины с шероховатой поверхностью» ............................. 34 Библиографический список ....................................................................... 36 3
Стр.3
Модель шероховатости можно рассматривать как результат наложения случайной компоненты на детерминированную периодическую основу (рис. 1). Анализ причин образования неровностей позволяет предложить следующую классификацию шероховатых поверхностей: детерминированная периодическая со случайной фазой (рис. 2,а), детерминированная основа с наложенной на нее случайной компонентой (композиционная шероховатость) (рис. 2,б), случайная анизотропная (рис. 2,в) и случайная изотропная (рис. 2,г) а) б) в) г) Рис. 2. Классификация шероховатых поверхностей Индивидуальным особенностям методов и условий обработки поверхности соответствуют различные классы случайных функций. В случае отсутствия регулярной составляющей профиля шероховатой поверхности его удобно описывать нормальной стационарной случайной функцией ()H x с нулевым математическим ожиданием и корреляционной функцией ()K . Функция ()H x , очевидно, полностью описывается в рамках корреляционной теории, так как если известны ее моменты первых двух порядков, то многомерное нормальное распределение полностью определено. Однако, многие задачи практики требуют исследования свойств поверхности в целом и изучение ее сечений может оказаться недостаточным. В таких случаях прибегают к моделированию с помощью случайных полей. Случайным полем, заданным в nR , называется случайная функция 12 H MH x , x xn () ( = ,...,) от точки M , ,..., )nxx x = ( 12 , принадлежащей nR . Рис. 3. Набор профилей шероховатой поверхности Выделяют две двумерные модели вероятностного описания шероховатости. В одной шероховатая поверхность интерпретируется как реализация 6 τ
Стр.6
однородного изотропного случайного поля двух переменных (, )H xy , в другой – как реализация поля, полученного из однородного изотропного с помощью невырожденного аффинного преобразования. Поле второго типа является простейшим случаем анизотропного поля. Очевидно, свойство однородности при этом сохраняется. Для однородного поля математическое ожидание постоянно, а корреляционная функция зависит только от разности между аргументами 11 2 2 (, ; , ) ( 2 1 2 1) ; расстояния между точками rx21 2 1 =− y () (+ y − x 22) . Если предполагаются выполненными условия эргодических теорем для моментов поля, то моменты можно вычислять осреднением по площади одной реализации (при достаточно большой площади), а в случае изотропного поля, по его сечению. § 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2.1. Вектор нормали к шероховатой поверхности Шероховатости поверхности являются эффективными концентраторами напряжений и могут в несколько раз снижать усталостную прочность. Поэтому представляет интерес оценка напряженного состояния вблизи поверхности тел. В дальнейшем будем рассматривать пример математической модели шероховатости, предложенный в [2] . Введем систему криволинейных ортогональных координат 12 3,, радиус-вектор точки в этой системе обозначим ()R R q ,q ,q12 3 = ek Hq k == ∂ ∂ kk где kH – коэффициенты Ламэ. Назовем идеальной такую поверхность, на которой где 3 виде 7 RR(, , 12 = qq )q , qq const== . В векторной записи уравнение шероховатой поверхности представим в , . Орты касательных к координатным линиям определяются равенствами 1R,1,2,3 (2.1) qq q и K xy x y K x xy y=−− . Корреляционная функция изотропного поля (, )H xy зависит только от
Стр.7
RRqq ) (, ) , *=+ где 12 (, ,q e H q q2 12 3 1 (2.2) H(, )qq определяет высоту шероховатостей. Предположим, что шероховатости малы. Тогда с точностью до малых первого порядка на поверхности (2.1) для координаты 3q получаем следующее выражение qq Hq ,q =+ H q,q ,q . 3 3 12 () () 12 С учетом (2.1) и деривационных формул 3 ∂e ∂∂ ∂ qH q e = ∂∂ qH q23 3 = ∂∂ ∂ =+ + R * ∂∂ ∂ =+ + ∂∂ ∂ qH q13 3 * ∂∂ ∂q1 R qH q23 3 2 следующим образом () H HH H 1 2 1 ∂H1 13 3 3 e1, 1 ∂H2 e2 выражения для векторов, касательных к поверхности (2.2), принимают вид 1 ()ee, 13 (2.3) H HH H ee 23 q2 Тогда выражение для орта нормали к поверхности (2.2) определится ** 12 n qq , qq = ∂∂ ∂∂ Ч ∂∂ Ч RR ∂∂ ** RR 12 Отсюда с использованием (2.3) и с точностью до величин первого порядка относительно Н и ее производных получается следующее выражение для п n eH e H H qH q =− ∂∂ e3 ∂∂ − 12 11 2 2 . (2.4) 2.2. Постановка граничных условий на шероховатой поверхности Так как вектор нормали к поверхности со случайными неровностями является случайной функцией координат, то детерминированные поверх8
Стр.8
ностные нагрузки создают на шероховатой поверхности случайное тензорное поле напряжений. Используя (2.4), можно записать kk HH Fk 3−− = ± 11 2 2 kk ,1,2,3. Hq H q∂∂ = 12 ∂∂ 12 3 (2.5) Здесь ki – компоненты тензора напряжений в системе координат q,q ,q , F k – внешние поверхностные нагрузки; знак + для случая, когда нормаль (2.4) является внешней к телу, а минус – в противном случае. Входящие в (2.5) значения напряжений при 3 3 ряд Маклорена ki=+ ∂ ki H ki qq 3 33 = Hq qq ∂ 3= Так как поверхностные нагрузки также могут зависеть от Н и ее производных, представим kF в следующем виде (0) где Fk (0) FF F=+ H . kk k (1) – заданная функция криволинейных координат 1, 2, 3qq q , а Fk – (2.7) (1) заданный линейный оператор. Из (2.5), (2.6), (2.7) с точностью до величин первого порядка относительно Н и ее производных следует kk (2.8) ∂∂1q H ∂q2 3+− − Hq H33 1 qq HH H FF H,1,2,3. (1) ∂ ∂∂kk k 31 2 2 = ± () 0 k ± k = Граничные условия в форме (2.8) должны удовлетворяться на идеальной поверхности тела 3 = . Поскольку они строились с учетом величин первого порядка относительно Н и ее производных, выражения для напряжений имеет смысл искать с той же степенью точности. Поэтому положим ki=+ (0) где ki = (0) ki ki ki (1) , (2.9) – составляющая напряжений, не зависящая от Н, а (1) ki возмущения напряжений, вызванные шероховатостью поверхности. 9 – +... . (2.6) qq H =+ H разложим в ττ τ τ ττ τ τ τ ττ τ ττ τ ττ
Стр.9
Подставляя (2.9) в (2.8) и сохраняя слагаемые до первого порядка относительно H H ,, 1 i ∂ k =±Fk (1) (0) 3 k3 () ∂q ki , получим граничные условия (при 3 = ) для опредеqq ления обеих составляющих напряжений () 0 , = − ++± = ∂∂ HH H FH k Hq H ∂ ∂∂ (1) k (0) (0) (0) kk k 31 2 3 3 11 22 q H ∂q Кроме граничных условий (2.10), составляющие напряжений (0) (1) 33 kk, в области, занятой телом, должны удовлетворять уравнениям линейной теории упругости. Располагая решением этих уравнений для тела с идеальной поверхностью, в силу (2.10) оказывается возможным и построение выражений для напряжений при произвольной (однако достаточно малой) шероховатой поверхности. Все сказанное справедливо как для изотропного, так и для анизотроп= ного упругих тел. Далее предполагается, что H (, )Hq q H (, )Hq q = 12 является случайной функцией с нормальным законом распределения. Случайный характер соотношений (2.10) приводит к необходимости рассмотрения случайного тензорного поля напряжений. Поскольку в граничные условия функция 12 и ее производные входят линейно, то напряжения представляются линейными функционалами Н и, следовательно, имеют нормальный совместный закон распределения. Можно поставить задачу определения зависимости вероятностных характеристик напряжений от вероятностных характеристик функции H (, )Hq q = 12 . § 3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ УПРУГОГО ТЕЛА С ШЕРОХОВАТОЙ ГРАНИЦЕЙ 3.1. Напряженное состояние упругой полуплоскости с шероховатой границей при растяжении Пусть упругая полуплоскость x () const , ≥Hy с границей x () yx 0= , == = 0, xy =Hy находится под действием растягивающих усилий вдоль оси y, так что при x→∞ выполняются условия (3.1) где ,,x yxy – составляющие тензора напряжений в системе координат xy (см. рис. 4) 10 ,1,2,3. (2.10) ττ τ τ τ τ ττ σ σ σσ σσσ
Стр.10

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически
.
.