<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="print">2071-7318</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">21385</article-id>
   <article-id pub-id-type="doi">10.12737/article_5b115a6671c109.46170366</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>Строительство и архитектура</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject>Construction and architecture</subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>Строительство и архитектура</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">BENT PLATES CALCULATION WITH GENERALIZED EQUATIONS USAGE   OF THE FINITE DIFFERENCE METHOD ACCORDING TO THE SECOND DERIVATIVES  OF THE REQUIRED FUNCTION</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>РАСЧЕТ ИЗГИБАЕМЫХ ПЛИТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБОБЩЕННЫХ УРАВНЕНИЙ   МЕТОДА КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ ОТНОСИТЕЛЬНО ВТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ  ИСКОМОЙ ФУНКЦИИ</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Уварова</surname>
       <given-names>Наталия Борисовна</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Uvarova</surname>
       <given-names>Nataliya Borisovna</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <bio xml:lang="ru">
      <p>кандидат технических наук;</p>
     </bio>
     <bio xml:lang="en">
      <p>candidate of technical sciences;</p>
     </bio>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Парамонов</surname>
       <given-names>Евгений Евгеньевич</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Paramonov</surname>
       <given-names>Evgeniy Evgen'evich</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <aff-alternatives id="aff-1">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Московский государственный строительный университет</institution>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Moscow State University of Civil Engineering </institution>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <volume>3</volume>
   <issue>6</issue>
   <fpage>46</fpage>
   <lpage>50</lpage>
   <self-uri xlink:href="https://zh-szf.ru/en/nauka/article/21385/view">https://zh-szf.ru/en/nauka/article/21385/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>В основе расчета лежит аппроксимация исходного дифференциального уравнения изгиба тонкой изотропной пластинки с использованием обобщенных уравнений метода конечных разностей (МКР), полученных относительно вторых производных функции прогибов. Эти уравнения позволяют решать задачу в пределах интегрируемой области с учетом разрывов искомой функции, ее первой производной и правой части исходного дифференциального уравнения. Из системы уравнений получаем значения вторых производных искомой функции в каждой расчетной точке сетки. Используя известные зависимости можно перейти к изгибающим моментам, что упрощает решение. В статье изложен алгоритм решения задач с использованием предложенной методики. Приведены примеры расчетов с различными граничными условиями и нагрузкой при минимальном числе разбиений. Результаты сравниваются с решением С.П. Тимошенко в рядах. Такой подход может быть использован в качестве методических рекомендаций, а также для проведения поверочных расчетов при проектировании конструкций.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>The calculation is based on the approximation of the initial differential equation of the bent of a thin isotropic plate by due to generalized equations of the finite difference method (FDM) as to the second derivatives of the deflection function. These equations allow to solve a problem taking into account the discontinuities of a required function, its first-order derivative and the right-hand side of a primitive differential equation within integration domain. Solving the system of equations. We can obtain the values of the second derivatives of the required function at each calculated point of mesh. Using known values, we can move to bent moments, which simplifies the solution. The article describes the algorithm for solving problems using the proposed methodology. Examples of calculations with various boundary conditions and load with the minimum number of partitions. The results are compared with the decision of S.P. Timoshenko in the sequences. Such approach can be used as methodological recommendations, also for carrying out verification calculations in the design of structures.</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>изгибаемая плита</kwd>
    <kwd>тонкая</kwd>
    <kwd>изотропная</kwd>
    <kwd>искомая функция</kwd>
    <kwd>разрыв функции</kwd>
    <kwd>численное реше-ние</kwd>
    <kwd>обобщенные уравнения метода конечных разностей</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>bent plate</kwd>
    <kwd>refined</kwd>
    <kwd>isotropic</kwd>
    <kwd>the required function</kwd>
    <kwd>discontinuities of the function</kwd>
    <kwd>computational solution</kwd>
    <kwd>generalized equations of finite difference method</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p>Разрешающее дифференциальное уравнение изгиба тонкой пластинки [1] имеет вид:∂4W∂x4+2∂4W∂x2∂y2+∂4W∂y4=qD,                 (1)где W  – прогиб; q  – интенсивность распределенной нагрузки; D  – цилиндрическая жесткость.Перейдем к безразмерным параметрам и понизим порядок уравнения (1), введя обозначенияwξξ=∂2w∂ξ2;  wηη=∂2w∂η2                     (2)получим: ∂2wξξ∂ξ2+∂2wξξ∂η2+∂2wηη∂ξ2+∂2wηη∂η2=p,      (3)где  ξ=xa;     η=ya;     p=qq0;     w=WDq0a4;   q0 - интенсивность нагрузки в какой-либо точке, a  – длина одной из сторон плиты.Внутренние усилия также запишем в безразмерном виде:m(ξ)=Mxq0a2; m(η)=Myq0a2; m(ξη)=Mxyq0a2, m(ξ)=-wξξ+μwηη,m(η)=-wηη+μwξξ. (4)Приведем разностную аппроксимацию дифференциального уравнения (3), используя обобщенное уравнение метода конечных разностей МКР (2.1.17) [2] при δ=β=σ=0 ,  α=γ=1  с заменой ω  на wξξ и wηη . wi-1,jξξ+wi,j-1ξξ-4wi,jξξ+wi,j+1ξξ+wi+1,jξξ+wi-1,jηη+wi,j-1ηη-4wi,jηη+wi,j+1ηη+wi+1,jηη+h2I-IIΔqi,jξ+III-IVΔqi,jξ+I-IIIΔqi,jη+II-IVΔqi,jη=h24Ipi,j+IIpi,j+IIIpi,j+IVpi,j ,                       (5)wi-1,jηη+wi+1,jηη-wi,j-1ξξ-wi,j+1ξξ-2wi,jηη-wi,jξξ=0;                                   (6) Здесь  Δqi,jη  и  Δqi,jξ  – величины разрывов безразмерной поперечной силы в направлениях  η и ξ   соответственно в точке, расположенной на бесконечно малом расстоянии от точки i,j . Уравнения записываем на квадратной сетке с шагом h. Фрагмент сетки на которой строится численное решение показан на рис. 1. Алгоритм расчета сводится к следующему: для определения wξξ  и  wηη  необходимо совместное решение систем уравнений (5) и (6) с учетом граничных условий.При шарнирном опирании на контуре wξξ=wηη=0 , поэтому для решения достаточно уравнений (5) и (6).     Рис. 1. Шаблон с расчётными точками                    Рис. 2. Шаблон для записи граничных условий  Получим уравнение описывающее граничные условия при жестком защемлении стороны η=1 , параллельной оси ξ  . Граничные условия можно записать в виде уравнения метода последовательных аппроксимаций используя (3.1.6) [2]:-hwijη-wij+wi,j-1+h262mij+mi,j-1= =-h5122pi,jη-h41225pi,j+pi,j-1               (7) и выражение  mij=-(wijξξ+wijηη) , при wij=wη=0 , где i,j  – точка края, получимwi,j-1-h262wi,jξξ+2wi,jηη+wi,j-1ηη+wi,j-1ξξ= =-h5122pi,jη-h41225pi,j+pi,j-1               (8)Для других краев плиты эти уравнения записываются по аналогии с заменой η, i,j  на ξ, j,i . Фрагмент сетки приведен на рис. 2. Для вычисления вторых производных w  воспользуемся известными формулами метода конечных разностей:wijξξ=(wi-1,j-2wij+wi+1,j)/h2      (9)Формула для wijηη следует из (9) с заменой  i,j  на j,i .Приведем решение нескольких задач. 1. Рассмотрим квадратную шарнирно опёртую по контуру плиту, нагруженную распределенными моментами по краям ξ=0 и ξ=1 . Расчетная схема изображена на рис.3. Принимаем  h=1/4 . При такой нагрузке момент на контуре m(ξ)=1,  а  wηη=0 . wξξ на контуре  найдем из зависимостей (4) -  wξξ=-1.   Для решения необходимо записать уравнения (5) и (6) для расчетных точек поля с учетом симметрии при Δqξ=Δqη=0 . Решая систему получим: w1ξξ=-0,185;  w1ηη=-0,312.   Из (4) определим: m1(ξ)=0,281; m1(η)=0,369.   Результаты, приведенные в работе С.П. Тимошенко [1]: m1(ξ)=0,256; m1(η)=0,394 . Погрешность по моментам m1(ξ)  – 9,7%,   m1(η)  – 6,7%.  Рис. 3.  Расчетная схема к задаче 12. Квадратная пластинка, три края которой свободно оперты и один защемлен, загружена равномерно распределенной нагрузкой p=1 . Граничные условия как на рис 4. Для решения этой задачи наряду с уравнениями (5) и (6) составленных для точки поля 22, необходимо записать уравнение (8) для точки контура 23, учитывающее граничные условия. Значение прогиба в точке 22, в уравнении (8), запишем с использованием известного уравнения метода конечных разностей (9). -4w22ξξ+w23ηη-4w22ηη=0.5241+1+1+1,-w22ηη+w22ξξ=0,w22ξξ∙0,522+0,5262w23ηη+w22ηη+w22ξξ=0,541225∙1+1; (10)Решая (10) найдем: w22ξξ=w22ηη=-0,0208; w23ηη=0,0833.   С учётом (4) m23η=-0,0833;  m22(η)=m22(ξ)=0,027.  Прогиб w22=0,0028.  Решение в рядах [1] для этой задачи дает: w22=0,0026;  m22(η)=0,034;  m22(ξ)=0,039;  m23η=-0,084.   Погрешность по прогибам - 7,7 %,   по моменту в заделке – 0.84 % .   Рис. 4. Расчетная схема к задаче 3                  Рис. 5. Расчетная схема к задаче 4  3. Рассмотрим плиту, представленную на рис. 4 под действием гидростатической нагрузки. Уравнения (5) и (6) записываются аналогично предыдущему примеру, при этом p22=0 ,5. Уравнение (8) записываем с учетом (9) полагая p23η=1 .  В результате получим: w22ξξ=w22ηη=-0,0092; w23ηη=0,0516.   С учётом (4) при μ=0,3  – m23η=-0,0516;  m22(η)=m22(ξ)=0,0119.  Прогиб w22=0,0011.  Решение [1]: w22=0,0013;  m22(η)=0,019;  m22(ξ)=0,016;  m23η=-0,048.   Погрешность по прогибам – 14,3 %,   по моменту в заделке  - 7,4 % .4. Пластинка, жестко закрепленная двумя противоположными сторонами и свободно опертая двумя другими под действием равномерно распределенной нагрузки по всей поверхности (рис. 5). Для решения записываем уравнения (5) и (6) для точки 22, уравнение (8), с учетом (9) для точки 23. При шаге h=1/2 , получим следующие результаты: w22ξξ=w22ηη=-0,01442; w23ηη=0,0673.   С учётом (4) при μ=0,3  -  m23η=-0,0673;  m22(η)=m22(ξ)=0,0187.  Прогиб w22=0,0018.  Решение [1]: w22=0,00195;  m22(η)=0,0332;  m22(ξ)=0,0244;  m23η=-0,0698.   Погрешность по прогибу - 8,3 %,   по моменту в заделке  - 3,7 % .   Таблица 1Результаты расчетов задач на сетке с шагом h=1/2  и h=1/4  h w22  в центреm22(ξ)  в центреm22(η)  в центреm23η в заделкезадача №11/20,03120,4220,422-1/40,03560,2810,369-решение [1]0,03680,2560,394-задача №21/20,00260,0270,027-0,0831/40,00270,0350,031-0,0838решение [1]0,00280,0390,034-0,084задача №31/20,00110,0120,012-0,0511/40,00130,0150,017-0,043решение [1]0,00130,0160,019-0,048задача №41/20,00180,0190,019-0,0671/40,001870,0220,028-0,069решение [1]0,00190,0240,033-0,069Решен ряд тестовых задач. Из анализа приведенных результатов следует, что решения с помощью изложенного алгоритма достоверны, погрешность при минимальном числе разбиений плиты на элементы не значительная. Нагрузка может быть любого типа, в том числе сосредоточенная с использованием подхода, показанного в [5], [8], [9], [11]. Исходя из этого, данный метод может быть использован для проведения расчетов подобных задач и для задач с другими вариантами нагрузок и граничных условий. Работа может представлять интерес с методической точки зрения, а также в связи с возможностью определения непосредственно моментов. В заключении отметим, что существует обширная литература, посвященная расчету изгибаемых плит. Расчет методом конечных разностей в традиционной форме представлен в работах [3], [4], [12]. Вариационные методы использованы в [1], [7], [10]. А также решение методом конечных элементов реализовано в вычислительных комплексах [6], [13].</p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки пер. с англ. М., Изд-во Наука, 1966, 635 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Timoshenko S.P. Voinovskiy-Kriger S. Plate and shell translation from English. M, Science, 1966, 635 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Габбасов Р.Ф., Габбасов А.Р., Филатов В.В. Численное построение разрывных реше-ний задач строительной механики. М.: Изд-во АСВ, 2008. 280 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Gabbasov R.F., Gabbasov A.R. Filatov V.V. Numerical construction of discontinuous solutions to the problems of structural mechanics. M.: ASV, 2008, 280 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B3">
    <label>3.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Киселев В.А. Расчет пластин. М: Изд-во Стройиздат, 1973. 151 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Kiselev V.A. Calculation of plates. M: Stroiizdat, 1973, 151 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B4">
    <label>4.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Вайнберг Д.В. Справочник по прочно-сти, устойчивости и колебаниям пластин. К.: Изд-во Будивельник, 1973. 488 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vainberg D.V. Handbook of strength, stability and oscillations of wafers. K.: Budevilnik, 1973. 488 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B5">
    <label>5.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Михайлов Б.А. Пластинки и оболочки с разрывными параметрами. Л.: Изд-во Ле-нинградского университета, 1980. 196 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Mikhailov B.A. Plates and shells with discontinuous parameters. L.: Publishing house of the Leningrad university, 1980, 196 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B6">
    <label>6.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Золотов А.Б., Акимов П.А., Сидоров В.Н., Мозгалева М.Л. Численные и аналити-ческие методы расчета строительных кон-струкций. М. : Изд-во АСВ, 2009. 336 с</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zolotov A.B., Akimov P.A., Sidorov V.A. Mozgaleva M.L. Numerical and analytical methods for calculation building structures. M. : ASV, 2009. 336 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B7">
    <label>7.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Варданян Г.С., Андреев В.И., Атаров Н.М., Горшков А.А. Сопротивление материа-лов с основами теории упругости и пластич-ности. Изд-во: М.: Изд-во Инфра-М; издание 2-е, испр. и доп. 2011. 638 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Vardanyan G.S., Andreev V.I., Atarov N.M., Gorshkov A.A. Resistance of materials with the fundamentals of the theory of elasticity and plasticity. M.: Infra-M; izdanie 2-e ispr. i dop. 2011. 638 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B8">
    <label>8.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Gabbasov R. F., Filotov V.V., Ovarova N.B., Mansour A.M. Dissection method applica-tions for complex shaped membranes and plates // Procedia engineering. 2016. Pp. 444-449.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Gabbasov R. F., Filotov V.V., Ovarova N.B., Mansour A.M. Dissection method applications for complex shaped membranes and plates. Procedia engineering, 2016, pp. 444-449.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B9">
    <label>9.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Уварова Н.Б., Парамонов Е.Е. Приме-нение обобщенных уравнений метода конеч-ных разностей к расчету изгибаемых плит на локальные и разрывные нагрузки. // Вестник Белгородского государственного технологи-ческого университета им. В.Г. Шухова. 2018. №1. С. 56-59.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Uvarova N.B., Paramonov E.E. Application of the generalized equations of finite difference method to the calculation of bent plates of local and discontinuous loadings. Bulletin of BSTU named after V.G. Shokhov, 2018, no.1, pp. 56-59.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B10">
    <label>10.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность, устойчивость, колебания. Спра-вочник в трех томах. Том 1. М.: Изд-во Ма-шиностроение, 1968. 831 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Birger I.A., Panovko Ya.G. Strenght, stability, vibrations. Reference book in 3 volumes. Volume 1. M : Mashinostroenie, 1968, 831 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B11">
    <label>11.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Габбасов Р.Ф., Ань Хоанг Туан, Ань Нгуен Хоанг. Сравнение результатов расчета тонких изгибаемых плит с использо-ванием обобщенных уравнений методов ко-нечных разностей и последовательных ап-проксимаций. // Промышленное и граждан-ское строительство. 2014. №1. С. 62-64.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Gabbasov R.F., An Hoang Tuan, An Nguen Hoang Comparison of the results of calculating thin bending plates using generalized equations of finite difference methods and successive approximations. Industrial and civil constrictions, 2014, no. 1, pp. 62-64.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B12">
    <label>12.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Жилкин В.А. Расчет шарнирно опертых прямоугольных пластин методом конечных разностей в MathCAD. АПК России. 2017. Т. 24. №1. С. 119-129.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhilkin V.A. Calculation of articulated rectangular plates by the finite difference method in MathCAD. APK Russian, 2017, vol. 24, no.1, pp. 119-129.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B13">
    <label>13.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Карпиловский В.С., Криксунов Э.З., Маляренко А.А., Перельмутер А.В., Перельмутер М.А., Фи-алко С.Ю. SCAD Office. Версия 21. Вычислитель-ный комплекс SCAD++. Изд-во: «СКАД СОФТ», 2015. 848 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Karpilovskiy V.S., Kriskunov V.S., Malarenko E.Z., Perelmuter A.V., Perelmuter M.F., Fialko S.U. SCAD Office. Version 21. Computer complex SCAD++.  «SCAD Soft», 2015. 848 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
