Zastosowanie metody ilorazu Rayleigha do analizy stateczności sprężystych prętów prostych

Abstrakt

W pracy korzystamy z faktu, że teoria Własowa prętów cienkościennych o przekrojach otwartych została rozszerzona do postaci teorii typu Własowa odnoszącej się do praktycznie dowolnych kształtów profili pod warunkiem, że profile te nie doznają dystorsji poprzecznych przy typowych obciążeniach pręta. Struktura matematyczna modelu typu Własowa jest zgodna z oryginalnym modelem Własowa, natomiast charakterystyki przekrojowe są obliczane za pomocą innych formuł, które wymagają uprzedniego rozwiązania trzech pomocniczych zadań eliptycznych na obszarze określonym przez przekrój poprzeczny pręta. Ponadto zupełnie inne są wtedy formuły obliczania składowych stanu naprężenia na podstawie rozwiązań w ramach opisu jednowymiarowego, czyli całkowicie inny jest tzw. postprocessing tej metody. Matematyczna analogia między dwoma modelami teorio-prętowymi: Własowa i typu Własowa otwiera drogę do konstruktywnego rozwiązywania zadań stateczności: opisu wyboczenia giętno-skrętnego, wyboczenia od obciążeń skrętnych oraz zwichrzenia przy różnych możliwych warunkach brzegowych. Znane zadania stateczności prętów cienkościennych o przekrojach otwartych mogą być teraz uogólnione na przypadek prętów o dowolnych przekrojach zwartych, także niejednospójnych. Szczególnego znaczenia nabiera tu metoda maksymalizacji ilorazu Rayleigha, gdyż maksimum jest brane po trzech polach jednowymiarowych (dwa pola przemieszczeń i pole rozkładu kąta skręcenia), które spełniają warunki kinematyczne, są więc niezależne od nieznanego obciążenia krytycznego. Podkreślmy, że właśnie w tym tkwi istota metody ilorazu Rayleigha. W pracy podane są jawne postacie ilorazów Rayleigha odnoszące się do wybranych postaci obciążeń. Formuły te mają postać podobną do formuł z publikacji: L. Zhang, G.S. Tong, “Flexural-torsional buckling of thin-walled beam members based on shell buckling theory”, Thin-Walled Structures, vol. 42, pp. 1665-1687, 2004, dotyczącej teorii prętów Własowa o przekroju otwartym. Podane są metody maksymalizacji ilorazów Rayleigha zapewniające dowolnie wysoką dokładność wyników. Opracowana metoda dotyczy dowolnych warunków podparcia, jednakże porównania przeprowadzono w przypadku standardowych zadań stateczności prętów podpartych widełkowo (z blachami czołowymi które wprowadzają więzy dotyczące spaczenia od skręcania), których wyniki są znane i akceptowane.