Комп’ютерне моделювання впливу кільцевого включення із функціо нально-градієнтного матеріалу на концентрацію напружень навколо кругового отвору у тонких пластинах і циліндричних оболонках

Abstract

Проведено комп’ютерне моделювання та скінченноелементний аналіз напружено-деформованого стану тонких пластин і тонкостінних циліндричних оболонок з круговим отвором за наявності оточуючого його кільцевого включення із функціонально-градієнтного матеріалу (ФГМ). Досліджено вплив розмірів ФГМ-включення та закону змінення його модуля пружності на концентрацію параметрів напружено-деформованого стану пластин і оболонок в околі отвору. Отримано поля розподілу інтенсивностей напружень і деформацій пластинчато-оболонкових елементів конструкцій в зонах локальної концентрації напружень. Встановлено, що за використання кільцевого ФГМ-включення з певними механічними властивостями і геометричними параметрами можна зменшити коефіцієнт концентрації напружень і відповідні інтенсивності деформацій в околі отвору більш ніж на 35 %. Закон змінення модуля пружності ФГМ-включення та ширина включення суттєво впливають не тільки на величину концентрації параметрів напружено-деформованого стану пластини та оболонки, а й на характер розподілу напружень по їх поверхнях. Результати проведеної серії широкомасштабних обчислювальних експериментів показують, що використання кільцевого включення із ФГМ дає змогу знизити інтенсивності як напружень, так і деформацій навколо отвору, що відкриває перспективи знаходження раціональних параметрів включень щодо питання максимально можливого зниження локальної концентрації напружень.

Computer modelling and FEM analysis of the stress-strain state of thin plates and thin-walled cylindrical shells with a circular hole in the presence of a surrounding ring inclusion of a functionally graded material (FGM) is carried out. The influence of the dimensions of the FGM inclusion and the law of change of its elastic modulus on the concentration of the parameters of the stress-strain state of plates and shells in the vicinity of the hole is studied. The distribution fields of stress and strain intensities of plate-shell structural elements in the zones of local stress concentration are obtained. It has been established that when using an annular FGM inclusion with specific mechanical properties and geometric parameters, it is possible to reduce the stress concentration factor and the corresponding strain intensities in the vicinity of the hole by more than 35%. The law of change in the modulus of elasticity of the FGM inclusion and the width of the inclusion has a significant effect not only on the concentration of the parameters of the stress-strain state of the plate and shell but also on the nature of the stress distribution over their surfaces. The results of a series of large-scale computational experiments show that the use of an annular inclusion made of FGM makes it possible to reduce the intensity of both stresses and deformations around the hole, which opens up prospects for finding rational parameters of inclusions from the point of view of the maximum possible reduction in local stress concentration.