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National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, Jul 24, 2020 第八屆台灣工業與應用數學會年會 反平面力場孔洞與剛性夾雜應力集中因子(SCF)互易性研究 Cheng-Hsiang Shao (邵程祥), Department of Harbor and River Engineering, National Taiwan Ocean University, Taiwan ([email protected] ) Joint work with: Yi-Ling Huang (黃乙玲), Jeng-Hong Kao (高政宏), Shing-Kai Kao (高聖凱), Prof. Jeng-Tzong Chen (陳正宗) Advisor: Prof. Shyh-Rong Kuo (郭世榮) 結果與討論 摘要 利用邊界積分方程(BIE),搭配分 離核和傅立葉級數解析探討圓形 (孔洞與剛性夾雜)與橢圓形(孔洞 與剛性夾雜)在遠端反平面剪力負 載下之位移、應力與SCF。將封閉 型式的基本解以分離核型式在極 座標及橢圓座標展開。並且發現 由分離核導得之結果,也可以從 複變中的柯西-黎曼關係式來解釋 孔洞與剛性夾雜在不同方向負載 下之互換關係。 問題描述 結論 我們成功使用邊界積分方程中 的分離核,求出圓形(孔洞與 剛性夾雜)與橢圓形(孔洞與剛 性夾雜)在遠端反平面剪力負 載下之位移、應力與SCF。並 且從中發現,於相同形狀之孔 洞與剛性夾雜在不同方向之負 載下,SCF具有互易性,此現 象亦可由複變中柯西-黎曼關 係式驗證。能判斷兩個解位移 分別是屬於解析解中的實部與 虛部,並且從位移圖中看出實 虛之位移互為正交關係。由其 結果推導出與複變相同之解析 函數,驗證了我們的發現。 參考文獻 1. Huang Y.L (2020) Study on the double-degeneracy mechanism in the BIEM for anti-plane shear problems, National Taiwan Ocean University, Taiwan. 2. Shahzad S, Niiranen J (2018) Analytical solution with validity analysis for an elliptical void and a rigid inclusion under uniform or nonuniform anti-plane loading. Theor Appl Fract Mec, 97:62-72. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2018.07.009 . 3. Chen J.T, Chiu YP (2002) On the pseudo-differential operators in the dual boundary integral equations using degenerate kernels and circulants. Eng Anal Bound Elem, 26:41-35. https ://doi.org/10.1016/S0955-7997(01)00087-X. 4. Morse P.M, and Feshbach H (1978) Methods of theoretical physics. McGraw-Hill, New York. 5. Lubarda V.A (2015) On the circumferential shear stress around circular and elliptical holes. Arch Appl Mech, 85(2):223-235. 6. Mushtaq M.S.N, Shah N.A and Muhammad G (2010) Calculation of Potential Flow around an Elliptic Cylinder using Boundary Element Method. Journal of Mathematical Sciences and Mathematics Education, 5(1):37-51. 7. Lubarda M.V, Lubarda V,A (2019)Intermediate Solid Mechanics. Cambridge University Press 8. Corso F.D, Shahzad S, Bigoni D (2016) Isotoxal star-shaped polygonal voids and rigid inclusions in nonuniform antiplane shear fields. Part I: Formulation and full-field solution. Int J Solids Structures 85-86:67- 75.https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.01.027 反平面剪力位移場 2 2 2 2 2 0 w w w x y 控制方程式 ( , , ) (0, 0, (, )) x y z u u u wxy 邊界積分方程 零場邊界積分方程 1 1 1 ( , ; , ) ln ( ) cos ( ), (,) 1 ( , ; , ) ln ( ) cos ( ), i m m e m m U R R m R m R U R U R m R m sx 分離核極座標展開 1 1 1 1 1 ( , ; , ) ( ( ) cos ( )), (,) ( , ; , ) ( ) cos ( ), m i m m m e m m T R m R R R T R T R m R sx ( , ) x a ( , ) sR a ( , ) x ( , ) sR a ( , ) sR 內域 外域 全域 R R 0 2 () (,)() () (,)() ( ), e e B B u T u dB U t dB D B x sx s s sx s s x 0 (,)() () (,)() ( ), i i c B B T u dB U t dB D B sx s s sx s s x 0 s ( , ) x x x ( , ) s s s 0 s ( , ) x x x ( , ) s s s 0 s ( , ) s s s 內域 外域 全域 x s x s 0 x 分離核橢圓座標展開 1 1 1 1 2 2 ( , ; , ) ln cosh cos cos sinh sin sin , 2 (,) 2 2 ( , ; , ) ln cosh cos cos sinh sin sin , 2 s s x x m m i s s x x s x x s x x s s x m m m m e s s x x x s x s s x s s x m m c U e m m m e m m m m m Usx c U e m m m e m m m m m 1 1 1 1 1 ( , ; , ) 1 2 cosh cos cos 2 sinh sin sin , ( , ) (,) 1 ( , ; , ) 2 sinh cos cos 2 cosh sin sin ( , ) s s x x m m i s s x x x x s x x s s x m m s s m m e s s x x s x s s x s m m s s T e m m m e m m m J Tsx T e m m m e m m m J , s x ( 2, & 0) yz xz a S 圓形孔洞解析解位移與應力分布圖 ( 2, 0& ) yz xz a S 圓形剛性夾雜解析解位移與應力分布圖 ( 2, 1, & 0) yz xz a b S 橢圓孔洞解析解位移與應力分布圖 ( 2. 1, 0& ) yz xz a b S 橢圓剛性夾雜解析解位移與應力分布圖 關係 互易關係 互易關係 圖示 函數 邊界條件 Neumann Dirichlet Neumann Dirichlet 遠端反平面剪力位移 切向導微 0 0 法向導微 0 0 () 0, w tx x B n () 0, ux x B , , yz Sy Su y , , xz Sx Su x m z z z x u u u m h 2 cos S n z z z x u u u n h 2 cos S () 0, w tx x B n () 0, ux x B , , yz Sy Su y , , xz Sx Su x 2 sin S 2 sin S 互易關係 互易關係 Neumann Dirichlet Neumann Dirichlet 0 0 0 0 () 0, w tx x B n () 0, ux x B , , yz Sy Su y , , xz Sx Su x () 0, ux x B , , yz Sy Su y , , xz Sx Su x 0 2 2 0 cos sinh sin x x Se 0 2 2 0 cos sinh sin x x Se 0 2 2 0 sin sinh sin x x Se 0 2 2 0 sin sinh sin x x Se () 0, w tx x B n () 2 cos SCF m n SCF or () 2 cos SCF 0 2 2 0 cos ( ) sinh sin x x x e SCF 0 2 2 0 cos ( ) sinh sin x x x e SCF () 2sin SCF () 2sin SCF 0 2 2 0 sin ( ) sinh sin x x x e SCF 0 2 2 0 sin ( ) sinh sin x x x e SCF 全位移場 全位移場 全位移場 全位移場 解析函數 柯西黎曼關係式 滿足 滿足 2 () ( ) S a fz z z Re( ( )) fz 2 2 Re( ( )) (1 ) cos S a fz Im( ( )) fz 2 2 Im( ( )) (1 )sin S a fz z u 2 () ( ) S a fz z z 2 2 Re( ( )) (1 ) cos S a fz 2 2 Im( ( )) (1 )sin S a fz () (, ) (, ) fz uxy iv x y z x iy 全位移場 全位移場 全位移場 全位移場 滿足 滿足 2 2 1 () ( ) S fz a z c bz a b 0 0 Re( ( )) cos (cosh cosh ) x x x S fz c e 0 0 Im( ( )) sin (sinh cosh ) x x x S fz c e 2 2 1 () ( ) S fz az b z c a b 0 0 Re( ( )) cos (cosh sinh ) x x x S fz c e 0 0 Im( ( )) sin (sinh sinh ) x x x S fz c e , u v u v n m m n z u z u z u z u z u z u z u ( 2, 0& ) yz xz a S 圓形孔洞解析解位移與應力分布圖 圓形剛性夾雜解析解位移與應力分布圖 ( 2, & 0) yz xz a S ( 2, 1, 0& ) yz xz a b S 橢圓孔洞解析解位移與應力分布圖 ( 2. 1, & 0) yz xz a b S 橢圓剛性夾雜解析解位移與應力分布圖 相同顏色之位移場圖 互為正交關係 ( 1, 1) S

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National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, Jul 24, 2020第八屆台灣工業與應用數學會年會

反平面力場孔洞與剛性夾雜應力集中因子(SCF)互易性研究Cheng-Hsiang Shao (邵程祥), Department of Harbor and River Engineering, National Taiwan Ocean University, Taiwan ([email protected])

Joint work with: Yi-Ling Huang (黃乙玲), Jeng-Hong Kao (高政宏), Shing-Kai Kao (高聖凱), Prof. Jeng-Tzong Chen (陳正宗)

Advisor: Prof. Shyh-Rong Kuo (郭世榮)

結果與討論

摘要利用邊界積分方程(BIE),搭配分離核和傅立葉級數解析探討圓形(孔洞與剛性夾雜)與橢圓形(孔洞與剛性夾雜)在遠端反平面剪力負載下之位移、應力與SCF。將封閉型式的基本解以分離核型式在極座標及橢圓座標展開。並且發現由分離核導得之結果,也可以從複變中的柯西-黎曼關係式來解釋孔洞與剛性夾雜在不同方向負載下之互換關係。

問題描述 結論我們成功使用邊界積分方程中的分離核,求出圓形(孔洞與剛性夾雜)與橢圓形(孔洞與剛性夾雜)在遠端反平面剪力負載下之位移、應力與SCF。並且從中發現,於相同形狀之孔洞與剛性夾雜在不同方向之負載下,SCF具有互易性,此現象亦可由複變中柯西-黎曼關係式驗證。能判斷兩個解位移分別是屬於解析解中的實部與虛部,並且從位移圖中看出實虛之位移互為正交關係。由其結果推導出與複變相同之解析函數,驗證了我們的發現。

參考文獻1. Huang Y.L (2020) Study on the double-degeneracy

mechanism in the BIEM for anti-plane shear problems,

National Taiwan Ocean University, Taiwan.

2. Shahzad S, Niiranen J (2018) Analytical solution with validity

analysis for an elliptical void and a rigid inclusion under

uniform or nonuniform anti-plane loading. Theor Appl Fract

Mec, 97:62-72. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2018.07.009.

3. Chen J.T, Chiu YP (2002) On the pseudo-differential operators

in the dual boundary integral equations using degenerate

kernels and circulants. Eng Anal Bound Elem, 26:41-35.

https://doi.org/10.1016/S0955-7997(01)00087-X.

4. Morse P.M, and Feshbach H (1978) Methods of theoretical

physics. McGraw-Hill, New York.

5. Lubarda V.A (2015) On the circumferential shear stress

around circular and elliptical holes. Arch Appl Mech,

85(2):223-235.

6. Mushtaq M.S.N, Shah N.A and Muhammad G (2010)

Calculation of Potential Flow around an Elliptic Cylinder

using Boundary Element Method. Journal of Mathematical

Sciences and Mathematics Education, 5(1):37-51.

7. Lubarda M.V, Lubarda V,A (2019)Intermediate Solid

Mechanics. Cambridge University Press

8. Corso F.D, Shahzad S, Bigoni D (2016) Isotoxal star-shaped

polygonal voids and rigid inclusions in nonuniform antiplane

shear fields. Part I: Formulation and full-field solution. Int J

Solids Structures 85-86:67-

75.https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.01.027

反平面剪力位移場

2 22

2 20

w ww

x y

控制方程式

( , , ) (0,0, ( , ))x y zu u u w x y

邊界積分方程

零場邊界積分方程

1

1

1( , ; , ) ln ( ) cos ( ),

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m

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分離核極座標展開

11

1

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內域 外域 全域 R R 0

2 ( ) ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( ) ( ),e e

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( , )x xx

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內域 外域 全域 x s x s 0 x

分離核橢圓座標展開

1 1

1 1

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2 2( , ; , ) ln cosh cos cos sinh sin sin ,

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1 1

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1( , ; , ) 1 2 cosh cos cos 2 sinh sin sin ,

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( 2, & 0)yz xza S

圓形孔洞解析解位移與應力分布圖( 2, 0 & )yz xza S

圓形剛性夾雜解析解位移與應力分布圖( 2, 1, & 0)yz xza b S

橢圓孔洞解析解位移與應力分布圖( 2. 1, 0 & )yz xza b S

橢圓剛性夾雜解析解位移與應力分布圖

關係 互易關係 互易關係

圖示

函數

邊界條件

Neumann Dirichlet Neumann Dirichlet

遠端反平面剪力位移

切向導微

0 0

法向導微

0 0

( ) 0,w

t x x Bn

( ) 0,u x x B

, ,yz

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, ,xz

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2 sinS

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互易關係 互易關係

Neumann Dirichlet Neumann Dirichlet

0 0

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全位移場 全位移場

全位移場 全位移場

解析函數

柯西黎曼關係式滿足 滿足

2

( ) ( )S a

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S af z

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S af z

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全位移場 全位移場

全位移場 全位移場

滿足 滿足

2 21( ) ( )

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2 21( ) ( )

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( 2, 0 & )yz xza S

圓形孔洞解析解位移與應力分布圖 圓形剛性夾雜解析解位移與應力分布圖( 2, & 0)yz xza S

( 2, 1, 0 & )yz xza b S

橢圓孔洞解析解位移與應力分布圖

( 2. 1, & 0)yz xza b S

橢圓剛性夾雜解析解位移與應力分布圖

相同顏色之位移場圖互為正交關係

( 1, 1)S