Для цитирования:
Ватульян А. О., Гусаков И. В. О реконструкции упругих постоянных трансверсально-изотропной призмы // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2026. Т. 26, вып. 3. С. 393-406. DOI: 10.18500/1816-9791-2026-26-3-393-406, EDN: QCHLIO
О реконструкции упругих постоянных трансверсально-изотропной призмы
Идентификация механических cвойств в рамках трансверсально-изотропной модели является актуальной задачей механики материалов, биомеханики и геофизики. Использование классических экспериментов на сжатие, изгиб и кручение стержневых элементов позволяет достаточно просто определить некоторые соотношения между упругими постоянными. Использование одномерных стержневых моделей при интерпретации результатов лабораторных испытаний часто приводит к значительным систематическим ошибкам из-за неучтенных торцевых эффектов и неоднородности напряженно-деформированного состояния. Целью данного исследования является построение прикладной теории деформирования вытянутых призм и решение обратной задачи восстановления упругих постоянных по информации о перемещениях на боковой поверхности образца. Для построения упрощенной модели деформирования использован вариационный принцип Лагранжа в сочетании с методом Канторовича. Это позволило редуцировать трехмерные уравнения теории упругости к системе обыкновенных дифференциальных уравнений и получить аналитические решения для образцов произвольного поперечного сечения. В работе детально проанализированы два типа ориентации образца: продольная и поперечная по отношению к оси упругой симметрии. На основе полученных решений предложен алгоритм идентификации пяти упругих постоянных, включающий два этапа. На первом этапе по измерениям перемещений в зоне, удаленной от торцов, определяются четыре упругие постоянные. На втором этапе с использованием приближенного соотношения Сен-Венана вычисляется модуль сдвига \(c_{44}\). Эффективность предложенного подхода подтверждена серией численных экспериментов для кортикальной костной ткани и сланца с применением метода конечных элементов. Результаты демонстрируют хорошую точность реконструкции параметров. Разработанная модель позволяет существенно повысить надежность интерпретации данных стандартных компрессионных тестов на трансверсально-изотропных материалах.
- Christensen R. M. Mechanics of composite materials. Mineola ; New York : Dover Publications, 2005. 384 p.
- Bone mechanics handbook / ed. by S. C. Cowin. 2nd ed. Boca Raton : CRC Press, 2001. 980 p. DOI: https://doi.org/10.1201/b14263
- Li S., Demirci E., Silberschmidt V. V. Variability and anisotropy of mechanical behavior of cortical bone in tension and compression // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2013. Vol. 21. P. 109–120. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2013.02.021
- Ашкенази Е. К. Анизотропия древесины и древесных материалов. Москва : Лесная промышленность, 1978. 224 с.
- Amadei B. Rock anisotropy and the theory of stress measurements. Berlin : Springer, 1983. 482 p. (Lecture Notes in Engineering, vol. 2). DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-82040-3
- Winkler M. B., Frühwirt T., Marcher T. Elastic behavior of transversely isotropic cylindrical rock samples under uniaxial compression considering ideal and frictional boundary conditions // Applied Sciences. 2024. Vol. 14, iss. 1. Art. 17. DOI: https://doi.org/10.3390/app14010017
- Pagano N. J., Halpin J. C. Influence of end constraint in the testing of anisotropic bodies // Journal of Composite Materials. 1968. Vol. 2, iss. 1. P. 18–31. DOI: https://doi.org/10.1177/002199836800200102
- Horgan C. O., Carlsson L. A. 7.3 Saint-Venant end effects for anisotropic materials // Comprehensive Composite Materials II / eds. P. W. R. Beaumont, C. H. Zweben. Oxford : Elsevier, 2018. Vol. 7. P. 38–55. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.10172-9
- Nejati M., Dambly M. L. T., Saar M. O. A methodology to determine the elastic properties of anisotropic rocks from a single uniaxial compression test // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019. Vol. 11, iss. 6. P. 1166–1183. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.04.004
- Lee Y.-K., Pietruszczak S. Identification of elastic constants of transversely isotropic rocks using strain measurements from a single inclined specimen // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2026. Vol. 199. Art. 106399. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2026.106399
- Chou Y.-C., Chen C.-S. Determining elastic constants of transversely isotropic rocks using Brazilian test and iterative procedure // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2008. Vol. 32, iss. 3. P. 219–234. DOI: https://doi.org/10.1002/nag.619
- Hong S., Lee Y., Yim J., Min K.-B. Application of digital image correlation and strain inversion to determine the five elastic constants of transversely isotropic rock from a single rock core by a strip load // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2026. DOI: https://doi.org/10.1007/s00603-026-05372-8
- Keaveny T. M., Pinilla T. P., Crawford R. P., Kopperdahl D. L., Lou A. Systematic and random errors in compression testing of trabecular bone // Journal of Orthopaedic Research. 1997. Vol. 15, iss. 1. P. 101–110. DOI: https://doi.org/10.1002/jor.1100150115
- Wei X. X., Chau K. T. Finite and transversely isotropic elastic cylinders under compression with end constraint induced by friction // International Journal of Solids and Structures. 2009. Vol. 46, iss. 9. P. 1953–1965. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2009.01.007
- Лехницкий С. Г. Теория упругости анизотропного тела. Москва : Наука, 1977. 416 с.
- Михлин С. Г. Вариационные методы в математической физике. Москва : Наука, 1970. 512 с.
- Kapuria S., Kumari P. Extended Kantorovich method for three-dimensional elasticity solution of laminated composite structures in cylindrical bending // Journal of Applied Mechanics. 2011. Vol. 78, iss. 6. Art. 061004. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4003779
- Лурье А. И. Теория упругости. Москва : Наука, 1970. 940 с.
- Ватульян А. О., Юров В. О., Гусаков И. В. О прикладной теории растяжения прямоугольника // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2025. № 6. С. 114–127. DOI: https://doi.org/10.7868/S3034543X25060074, EDN: WATLVW
- Ватульян А. О., Узлов М. Н. О прикладной теории сжатия цилиндра // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2026. Т. 26, вып. 1. С. 46–55. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2026-26-1-46-55, EDN: MCCEEH
- Ватульян А. О., Гусаков И. В. О влиянии трения на сжатие вытянутых призматических образцов // Российский журнал биомеханики. 2026. Т. 30, № 1. С. 38–47. DOI: https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2026.1.03
- Cai X., Brenner R., Peralta L., Olivier C., Gouttenoire P.-J., Chappard C., Peyrin F., Cassereau D., Laugier P., Grimal Q. Homogenization of cortical bone reveals that the organization and shape of pores marginally affect elasticity // Journal of the Royal Society Interface. 2019. Vol. 16, iss. 151. Art. 20180911. DOI: https://doi.org/10.1098/rsif.2018.0911
- Wang Z. Seismic anisotropy in sedimentary rocks, part 2: Laboratory data // Geophysics. 2002. Vol. 67, iss. 5. P. 1423–1440. DOI: https://doi.org/10.1190/1.1512743
- Togashi Y., Kikumoto M., Tani K. Determining anisotropic elastic parameters of transversely isotropic rocks through single torsional shear test and theoretical analysis // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2018. Vol. 169. P. 184–199. DOI: https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.05.051
- Zhang G., Jia X., Li Z., Wang Q., Gu H., Liu Y., Bai Z., Mao H. Comprehensively characterizing heterogeneous and transversely isotropic properties of femur cortical bones // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2024. Vol. 151. Art. 106387. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2024.106387
- Паршина И. Ф., Иванов Д. В., Доль А. В., Виндокуров И. В., Бессонов Л. В., Ташкинов М. А. К вопросу об изучении структурных и механических характеристик губчатой костной ткани крупного рогатого скота // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2025. Т. 25, вып. 2. С. 231–245. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2025-25-2-231-245, EDN: QLRACF
- Saint-Venant B. Sur la distribution des élasticités autour de chaque point d’un solide ou d’un milieu de contexture quelconque, particulièrement lorsqu’il est amorphe sans être isotrope // Journal de Mathématiques Pures et Appliquées. 1863. Vol. 8. P. 353–430.
- Cho J.-W., Kim H., Jeon S., Min K.-B. Deformation and strength anisotropy of Asan gneiss, Boryeong shale, and Yeoncheon schist // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2012. Vol. 50. P. 158–169. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2011.12.004
- 42 просмотра