Residual stresses in a finite cylinder. Direct and inverse problems and their solving using the variational method of homogeneous solutions

Abstract

Розглянуто математичні моделі та методи визначення осесиметричних залишкових напружень у скінченному циліндрі. З використанням концепції вільних несумісних деформацій побудовано модель залишкових напружень, в межах якої сформульовано пряму задачу для визначення залишкових напружень. У цій задачі компоненти вільних несумісних деформацій розглядаються як задані функції радіальної координати. Для розв’язування прямої задачі розроблено варіаційний метод однорідних розв’язків. З використанням розробленого методу вивчено особливості залишкових напружень, зумовлені кусково-постійним та неперервним розподілами вільних несумісних деформацій у циліндрі. Розглянуто також обернену задачу, в якій компоненти вільних несумісних деформацій є невідомими функціями. Запропоновано варіаційне формулювання цієї задачі в межах моделей залишкових напружень та інтегрованої фотопружності та розроблено методику її розв’язування. Результати, подані в роботі, можуть бути використані для розроблення методів і засобів для неруйнівного тестування й інженерної характеристики матеріалів та елементів конструкції.

Mathematical models and methods for determination of axisymmetric residual stresses in a finite cylinder are considered. The model of residual stresses is built using the conception of incompatible eigenstrain tensor. Within the frame of this model, a direct problem for residual stresses determination is formulated. A method based on the variational method of homogeneous solutions is developed for solving the direct problem. Using the obtained solution, features of residual stresses, caused by continuous and piece-wise homogeneous distributions of eigenstrain components are studied. A variational formulation of the inverse problem for residual stresses determination on the base of empirical data obtained by a photoelasticity method is suggested. The inverse problem is solved numerically with the use of iterative calculations of values of the criterion functional. The results presented in the paper can be used for the development of methods and means for nondestructive testing and engineering characterization of materials and structural elements.