• Nie Znaleziono Wyników

Equations of the spherical shell with axially symmetric, stochastic imperfections

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Equations of the spherical shell with axially symmetric, stochastic imperfections"

Copied!
6
0
0

Pełen tekst

(1)

M E C H A N I K A T E O R E T Y C Z N A 1 S T O S O W A N A 2/3, 21 (1983) E Q U A T I O N S  O F  T H E  S P H E R I C A L  S H E L L  W I T H  A X I A L L Y  S Y M M E T R I C ,  S T O C H A S T I C  I M P E R F E C T I O N S  G R A Ż Y NA  B R Y C  Politechnika Warszawska 1. Introduction Realization of the shell construction often yields some deformations and since the  changes in the geometry of the middle surface are unpredictable, it is convenient to con­ sider the problem from the probabilistic point of view. There have been in the literature  up to now a few approaches to the description of the stochastic shell.  C .  B R A N I C K I and  M .  S K O W R O N E K [1] analized stochastically nonlinear static of a shallow spherical shell,  which middle surface was a random function of a rather simple form.  E .  F I L I P O W , J.  W E ­ K E Z E R and  P .  W I L D E [2] proposed a stochastic model for the dislocations of the surface  of a cylindrical container based on the discretization of the problem. Random fields theory  applicable to thin elastic shells was discussed in the expository paper of  E .  B I E L E W I C Z  and  P .  W I L D E [3].  The subject of this note is a statical analysis of the spherical shell loaded uniformly by  its weight taking into consideration geometrical nonlinearity and axially symmetric random  displacement. It is proposed to describe stochastic displacement by auxiliary six dimensio­ nal two parameter random field and the corresponding Meissner­type equations are derived. 

2. Description of the random shell

Let the undeformed middle surface of the shell be given by the equations in the vector  form  r = r(0, (f, ft)) = ?o(0, <f) + )\(e, (p, ft)),  ( 1 )  where !\, describes the points of the middle surface of the deterministic shell designed  and ft is the stochastic initial deformation.  In order to describe the stochasticaly displaced shell by the equations close to the  deterministic case, we rewrite equations (1) in the following equivalent form  8r 8r0 л , _ :

е е

=

~г в

+t

*( '

(p

'

w

^'

8r 3r0 л . _ .

(2)

In other worlds we assume that stochastic displacement is described by tangent vectors  which are supposed to be a sum of deterministic tangent vectors and random vectors  ti, t2, the second ones will be taken small later. Note, that above description making use  A A of random field t{, t2 can be translated into tensor language and that our assumption is  slightly different from the on the first sight natural representation of the first metric form  of the middle surface of the stochastic shell as a sum of a purely deterministic and stocha­ stic part. Although for smaller random field tt, t2 both mentioned above approaches  become closer, we found our approach as given by equations (2) more consistent with  the intuition and therefore we will not deal in the sequel with the equations in the tensor  A A form. Morever we will restrict ourselves to axially symmetric random fields t,, t2 and we  will look for the equations of the stochasticaly displaced spherical shell as given on  fig. 1 loaded uniformly by its weight.  A Further we assume that t2 is a vector tangent to the meridian of the middle surface  tii&tVt®1

(3)

S T O C H A S T I C IMPERFECTIONS 2 3 5

where Be(<») is a scalar 1­parameter random field. In this case t, is uniquelly determined 

by (4) and the axial symetricity 

1,(0. ip, cb) = [siny

 f

BHsmOdO.

­cos93

j

Bę SmOdO,

 oj 

*.;­ в в о

Since we are in the axially symmetric case, we can use the well known Meissner­type  equations in the form taking into account geometric nonlinearity, (c.f. [4]). Regarding  an additionaf assumption, that t, and t2 are small when compared with the radius of the 

shell (i.e. BG <^ R0) we get the following system of nonlinear second order differential  equations  (/)+ + Qrp + R i yd + Ntp&' + P, 1) + Qd' =  F , ( О , с о ) D_& + R2&y + P2 ip = F2(0, с о ) ® where D± are the second order deterministic differential operators of the form  ^ c >2 • ^ d I  s i n2 © A 0± = cosd—pr.2  ­ s i n ©  ­ v , +icos(9 . (6)  dO­ dO \ cos(9 /  L is the random differential operator 

L =  ( ^ ­ ^ c o i ^ i +(o

e

sin0­A;COS©) 4S ­ ^ + ^«cos©V 

г н У ­ <7(У  \ cos^fi* /  (7)

Ri, Pi, N are some deterministic functions and Ft are random functions. 

В d Also we denoted by R0 radius of the spherical shell and д в = ——, <59 = ­­­­ д в. RQ dO в S** = f b,.,ń nOdO. v is the Poisson coelicient.  z A

(4)

Equations (5) contain the following unknown quantities, & —• is an increment of an angle  x after deformation a* = a + # (fig.  2 )  Fig. 3 3. Numerical solution For the solution of the equations (5) we have to consider the boundary conditions  e.g. we consider the shell with fixed lower boundary  0 = в о , е . = 0 , >> = 0, (8) and with free upper boundary  0 = 0 , , Tr = ­ 7 , sin a*+ 0 2 cos a* (fig. 3). (9) Determination of the mean value and the standard deviation of the random internal  forces was achieved by Monte Carlo method. For this purpose we assumed that random  function Be can be represented as a series  В ы = cos<9 J S ^ c o s ^ © (10)

where y„ are one dimensional random variables, not necessarily independent —  i n the  dependent case the multidimensional distribution of yl ty2, • • • is needed. Note, that for 

Gaussian random function Be the assumed in (10) form of Be is not very much restrictive. 

Indeed, any Gaussian field can be represented by a series similiar to (10) with independent  random variables and then we can each term of this series expand into a Fourier series.  Thus, up to the convergence questions, our assumption in (10) is that some of the Fourier  coeficients are zero. 

As it is usual  i n the Monte Carlo method, after y,,y2, • • • are sampled, i.e. finite  approximation of Be  i n (10) is sampled, we have to solve a deterministic system of non­ linear differential equations (5).  T o this end we used a combination of the power series  method together with the iterative procedure. Following R. N A G У R S K I [5] with slight  changes to avoid singularities, we introduce new unknown variables  X . Y defined by  W(&) = X(x)cose, !>(&) = K(x)cost9, where .v = cos 2 0 .

(5)

S T O C H A S T I C IMPERFECTIONS 2 3 7

After the change of variables  i n (5) we expand the right hand sides of the equations (5)  in the power series with respect to x. Then we look for the coeficients in the power series  expansion of X and Y by iterative procedure adopted from A . M A H M O U D [6]. The  M a h ­

moud's approach lies on the transposition of the nonlinearities to the right hand sides  o f  the equations (5) treating them as known. This applied to our problem gives the following  separated recurrent equations with unknown Xn and Y„

( 4 ­ 4 x2

) X ' +  ( 6 ­ 1 0 x ) A ­n' ­ ( l ­ ^ „ = G^(x,Xn.,, У „_,), 

(4­4x2

)Y'n' + (6­l0x)Y'n­(l +v)Yn = G+(x, Xn_,, Yn^).

In (12) the right hand side functions G± can be expanded in the power series of the conver­ 00 gence radius 1, thus the solutions of (12) are given by £ а $ x* (c.f.  E . К А М К Е [7]). There­ /1 = 0 fore we get the recurrent linear equations for unknown power series coeficients  2n + 3_ ± 4n2 ­(l±v) 2(n+l)(2n+l)­(l±v) ±  an + z ­ ­­2n+4a " + 1  4(n +  l ) ( n + 2)  a " +  4(и  +  l ) ( n + 2) a, ­1 +  +   4 ( n + l ) ( n + 2) '  ( ,3 )  where  G \ = X b % x » ­ n = 0 From (13) follows also, that the convergence radius of the series expansion of X„ and Y„  is equal 1.  Approximative^ strict solutions of the system of nonlinear equations (5) are then  determined by X = Y\mXn, Y = limT,, together with (11).  The author checked numericaly the above procedure and it appeared, that iterative  procedure with X0 = Y0 = 0 works nicely for small stochastic part (5 ­ 10 iterations are  then sufficient).  References

1 C. B R A N I C K I , M . S K O W R O N E K , Losowe odchyłki geometrii w problemie statycznym malo­wyn ioslej powłoki

sferycznej, X X I V Konferencja Naukowa Komitetu Inż ynierii L ą d o w ej i Wodnej P A N i Komitetu

Nauki P Z i T B .

2. E . F I L I P O W , J . W E K L Z E R , P. W I L D E , Stocltastyczny model odchyłek powierzchni zbiorników cylindrycznych. Zeszyty Naukowe Politechniki Ś lą skiej, nr 7, 1973.

3. E . B I E L E W I C Z , P. W I L D E , Pola losowe w teorii powłok sprę ż ystych, Sympozjum na Temat Konstrukcje P o w ł o k o w e — Teoria i Zastosowania, K r a k ó w 2 5 ­ 2 7 . 0 4 . 1 9 7 4 .

4. E . L . A K S E L R A D , Gibkije obolocki, Izd. Nauka, Moskwa 1976.

5. R . N A G Ó R S K I , Niektóre problemy statyki obrotowo­symetrycznych powłok siatkowych, praca doktorska, W­wa 1977.

6. A . M A H M O U D , Analiza wybranych równoległych metod hybrydowego rozwią zywania równań róż niczko­ wych czą stkowych, praca doktorska, Warszawa 1981.

(6)

I3 e з io м e В Р А Щ А Т Е Л Ь Н О ­ С И М М Е Т Р И Ч Н О Е   С Л У Ч А Й Н О Е   С О С Т О Я Н И Е   П Е Р Е М Е Щ Е Н И И   С Ф Е Р И Ч Е С К О Й   О Б О Л О Ч К И   В  р а б о т е   п р е д с т а в л е н ы   п р о б л е м ы   с в я з а н н ы е   с о  с т а т и к о й   т о н к о й   с ф е р и ч е с к о й   о б о л о ч к и   п о с т о ­ я н н о й   т о л щ и н ы ,  н а г р у ж е н н о й   с о б с т в е н н ы м   в е с о м  с   у ч е т о м   в р а щ а т е л ь н о ­ с н м м е т р и ч н ы х   с л у ч а й ­ н ы х   н а ч а л ь н ы х   п е р е м е щ е н и й  в м е с т е  с   г е о м е т р и ч е с к о й   н е л и н е й н о с т ь ю .  С л у ч а й н а я  ч а с т ь   п р о б л е м ы   р е ш е н а   м е т о д о м  с и м м у л я ц и и .  Ч и с л е н н о е   р е ш е н и е   в о з н и к н у в ш е й   д е т е р м и н и с т и ч е с к о й   з а д а ч и   п р о в е д е н о   м е т о д о м ,  к о т о р ы й   с о е д и н я е т   м е т о д   с т е п е н н ы х   р я д о в  с  и т е ­ р а ц и о н н ы м   м е т о д о м .  S t r e s z c z e n i e 

R Ó W N A N I A  P O W Ł O K I  K U L I S T E J W  P R Z Y P A D K U  O S I O W O  S Y M E T R Y C Z N Y C H  L O S O W Y C H  P R Z E M I E S Z C Z E Ń  W S T Ę P N Y CH 

W pracy zostały rozpatrzone zagadnienia statyki cienkiej  p o w ł o k i kulistej o stałej gruboś ci, obcią ż onej  cię ż arem  w ł a s n y m z  u w z g l ę d n i e n i em obrotowo symetrycznych losowych przemieszczeń  w s t ę p n y ch oraz  geometrycznej nieliniowoś ci. 

Stochastyczna czę ść zagadnienia została  r o z w i ą z a na  m e t o d ą symulacji. Liczbowe rozwią zanie za­ gadnienia deterministycznego otrzymano  m e t o d ą łą czą cą  m e t o d ę s z e r e g ó w p o t ę g o w y ch i iteracyjną.

Cytaty

Powiązane dokumenty

Jako nauczyciele podjęli pracę: Omelian Baczyński, suplent państwowego Gimnazjum Ukraińskiego w Stanisła­ wowie, Elkiv Zazulak - nauczyciel szkoły ludowej w Kosowie,

Pierwsza część (autorstwa Grzegorza Jankowicza) pełni funkcję wprowa- dzenia teoretycznego i metodologicznego do całości książki. Autor zwięźle i klarownie

I jakkolwiek byśmy sobie wyobrazili takiego „Anakreonta&#34; (a czytel- nik Dziennika jest pozostawiony tylko swojej wyobraźni), to właśnie poprzez ten eufemizm, poprzez

Silnie zawodnioną biomasę oraz jej odpady można efektywnie wykorzystać do bezpośredniego wytwarzania gazu z pokaźnym udziałem wodoru i to w reakcji z wodą o nadkrytycznych

strze dłużników BIG InfoMonitor (Ogólnopolski raport…, s. Przyczynami tego rodzaju zobowiązań mogą być dzisiejsze tempo życia i nieprzemyślane decy- zje. Wśród

The above remarks o f two renowned theologians yield an explanation not only to the specificity of biological and theological concepts of World, but also to the origin of their

Przy ustalaniu czasu pracy narzędzia przyjmuje się standardowo 15 minut trwałości pracy ostrza w materiale, jest to wartość zalecana przez więk- szość producentów narzędzi i

W tym przypadku podstawowym instrumentem prawnym ochrony prawnej cmen- tarza żydowskiego, jak zauważa sędzia Rafał Cebula, jest ustawa o ochronie zabytków i opiece nad