A contact problem of bending of two beams with the internal joint

Authors

  • Mikhail Osipenko Perm National Research Polytechnic University

DOI:

https://doi.org/10.17072/1993-0550-2021-1-37-42

Keywords:

Bernoulli–Euler’s beam, internal joint, contact problem, analytical solution, optimization

Abstract

The joint bending of two Bernoulli–Euler’s beams is considered. Each beam has one end fixed and the other free. The beams have the different lengths and thicknesses. The long beam is loaded by the concentrated force. This beam is composite as it includes the internal joint. There is the frictionless unilateral contact between the beams. The elastic lines of the beams are to be found. This problem is reduced to finding of the density of forces of interaction between the beams and the constant that describes the unknown term in the displacement of the unrestrained part of the composite beam. The mathematical formulation of this contact problem is propounded. The density is assumed to be the sum of piecewise continuous function and delta-functions describing the concentrated forces. The uniqueness of the solution of the problem is proved and the analytical solution is constructed. Two possible contact patterns are found out. The former is contact at one point at the end of the short beam. The latter is contact at the same point and at one more point located at the unrestrained part of the composite beam. The coordinate of this point is the root of the cubic equation. The obtained analytical solution is used for the optimization of the structure. The optimization problem is to find the beams thicknesses that minimize the maximum stress for the given loading, beams lengths and the overall deflection. This problem is solved numerically for some values of the given parameters. The hypothesis of the equal-stressed optimum structure is set up on the basis of the numerical results. This hypothesis enables to construct the analytical solution of the optimization problem.

References

Александров В.М. Некоторые контактные задачи для балок, пластинок и оболочек // Инженерный журнал. 1965. Т. 5, № 4. С. 782–785.

Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. М.: Наука, 1973. 400 с.

Григолюк Э.И., Толкачев В.М. Контактные задачи теории пластин и оболочек. М.: Машиностроение, 1980. 415 с.

Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510 с.

Кравчук А.С. Вариационные и квазивариационные неравенства в механике. М.: изд-во МГАПИ, 1997. 340 с.

Shi M., Srisupattarawanit T., Schiefer F, Ostermeyer G.-P. On the wellbore contact of drill strings in a finite element model // Proc. Appl. Math. Mech. 2013. № 13. P. 109–110.

Osipenko M.A., Nyashin Yu.I. , Rudakov R.N. A contact problem in the theory of leaf spring bending // Int. J. Solids Struct. 2003. № 40. P. 3129–3136.

Ватульян А.О., Васильев Л.В. Об определении параметров закрепления неоднородной балки при наличии затухания // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2016. Т. 16, вып. 4. С. 449–456.

Старовойтов Э.И., Леоненко Д.В. Изгиб трехслойной балки локальными нагрузками в температурном поле // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2018. Т. 18, вып. 1. С. 69–83.

Кузнецов С.А. Механика контактного взаимодействия. Казань: изд-во Казанского ун-та, 2014. 72 с.

Kim J.H., Ahn Y.J., Jang Y.H., Barber J.R. Contact problems involving beams // Int. J. Solids Struct. 2014. № 51. P. 4435–4439.

Осипенко М.А., Няшин Ю.И., Касаткин А.А. Особенности контактных задач для систем струн и балок со слабо закрепленными элементами // Вестник ПНИПУ. Механика. 2015. № 1. С. 121–129.

Осипенко М.А., Касаткин А.А. Контактная задача для балок, возникающая при оптимизации листовой рессоры: аннот. докл. XI-го Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Казань.2015. С. 212.

Comez I., El-Borgi S., Kahya V., Erdol R. Receding contact problem for two-layer functionally graded media indented by a rigid punch // Acta Mech. 2016. Vol. 227. P. 2493–2504.

Belyaev A.K., Eliseev V.V., Irschik H., Oborin E.A. Static contact of belt and pulleys with account for shear and gravity // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1048. 012002.

Беляев Н.М. Сопротивление материалов.М.: Наука, 1976. 608 с.

Няшин Ю.И., Осипенко М.А., Гитман М.Б. Равнонапряженные листовые рессоры // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2014. № 4. С. 22–26.

Григорьева М.В., Осипенко М.А. Контактная задача упругого изгиба пластиночного зубного имплантата: сб. тр. XV зимней школы по механике сплошных сред, Пермь, 2007. С. 290–293.

Хозяшев К.Е., Осипенко М.А. Аналитическое решение контактной задачи об изгибе двухлистового упругого элемента с внутренним шарниром: приложение к исследованию протеза стопы // Master’s Journal.2015. № 2. С. 216–228.

Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. 711 с.

Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. 509 с.

Published

2021-12-13

How to Cite

Osipenko М. А. (2021). A contact problem of bending of two beams with the internal joint. BULLETIN OF PERM UNIVERSITY. MATHEMATICS. MECHANICS. COMPUTER SCIENCE, (1(52), 37–42. https://doi.org/10.17072/1993-0550-2021-1-37-42

Issue

Section

Механика. Математическое моделирование