About the Properties of Static Contact Solutions Problems for Anisotropic Composites in the Quarter Plane

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In this work, for the first time, an exact solution of the static contact problem of the action of a rigid wedge-shaped die occupying the first quadrant on a layer of composite material having arbitrary anisotropy is constructed using the block element method. Unlike numerous, mostly unsuccessful attempts to solve this and similar problems by analytical or numerical methods, which allowed us to identify only partial properties of the solution to this problem, the block element method made it possible to reveal a richer set of properties of its solutions. The solution is obtained in both coordinate and Fourier transforms. This makes it especially convenient to further study it by numerical analysis using standard computer programs. They will allow us to identify certain properties of composites as structural materials dictated by different types of anisotropies. It is shown that the obtained solution exactly satisfies the two-dimensional Wiener-Hopf equation for an arbitrary right-hand side. A number of previously unknown properties of the solution have been revealed. In particular, the obtained representation of the solution of the contact problem in a wedge gave it a general appearance. In comparison with strip stamps, it contains an additively additional term describing the concentration of contact stresses at the angular point, that is, at the top of the stamp. The calculation of the indicator of the peculiarity of the concentration of contact stresses at this point is close to the values performed by numerical methods in a number of works. The paper shows that the zone near the top of the stamp has superior malleability when the stamp is inserted into the medium, compared with remote zones. This corresponds to the estimates obtained by the example of the introduction of strip stamps narrowing in width into the layer. In the zone considered away from the top of the stamp, the exact solution turns into a solution for the case of a semi-infinite stamp. The developed method is applicable to composites of arbitrary anisotropies arising in linearly elastic materials and crystals of any cross-sections that allow the construction of the Green function, and hence the two-dimensional Wie-ner-Hopf integral equations. The establishment of a general type of solution to the considered contact problem opens up the possibility of studying the precursors of increased seismicity in mountainous areas, as well as improving numerical methods to obtain more accurate solutions to complicated contact problems in engineering practice.

About the authors

V. A. Babeshko

Kuban State University

Author for correspondence.
Email: babeshko41@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar

O. V. Evdokimova

Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: evdokimova.olga@mail.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don

O. M. Babeshko

Kuban State University

Email: babeshko49@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar

V. S. Evdokimov

Kuban State University

Email: evdok_vova@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar

References

  1. Freund L. B. Dynamic Fracture Mechanics. Cambridge: Univ. Press, 1998. 520 p.
  2. Achenbach J. D. Wave Propagation in Elastic Solids. North-Holland Ser. in Appl. Math. & Mech. Amsterdam: North-Holland, 1973. 480 p.
  3. Abrahams I. D., Wickham G. R. General Wiener-Hopf factorization matrix kernels with exponential phase factors // J. Appl. Math. 1990. Vol. 50. Pp. 819–838.
  4. Norris A. N., Achenbach J. D. Elastic wave diffraction by a semi-infinite crack in a transversely isotropic material // J. Appl. Math. & Mech. 1984. Vol. 37. Pp. 565–580.
  5. Noble B. The Wiener-Hopf Method. Moscow: Inostr. Lit-ra, 1962. 280 p. (In Russian.)
  6. Tkacheva L. A. The planar problem of vibrations of a floating elastic plate under the action of periodic external load // Appl. Mech. & Tech. Phys. 2004. Vol. 45. No. 5 (273). Pp. 136–145. (In Russian.)
  7. Chakrabarti A., George A. J. Solution of a singular integral equation involving two intervals arising in the theory of water waves // Appl. Math. Lett. 1994. Vol. 7. Pp. 43–47.
  8. Davis A. M. J. Continental shelf wave scattering by a semi-infinite coastline // Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 1987. Vol. 39. Pp. 25–55.
  9. Goryacheva I. G. Mechanics of Frictional Interaction. Moscow: Nauka, 2001. 478 p. (In Russian.)
  10. Goryacheva I. G. Modeling of accumulation of contact fatigue damage and wear in contact of imperfectly smooth surfaces // Phys. Mesomech. 2022. Vol. 25. No. 4. Pp. 44–53. (In Russian.)
  11. Bazhenov V. G., Igumnov L. A. Methods of Boundary Integral Equations and Boundary Elements. Moscow: Fizmatlit, 2008. 352 p. (In Russian.)
  12. Kalinchuk V. V., Belyankova T. I. Dynamics of the Surface of Inhomogeneous Media. Moscow: Fizmatlit, 2009. 312 p. (In Russian.)
  13. Kalinchuk V. V., Belyankova T. I. Dynamic Contact Problems for Prestressed Bodies. Moscow: Fizmatlit, 2002. 240 p. (In Russian.)
  14. Vorovich I. I., Babeshko V. A., Prakhina O. D. Dynamics of Massive Bodies and Resonant Phenomena in Deformable Media. Moscow: Nauka, 1999. 246 p. (In Russian.)
  15. Vatulyan A. O. Contact problems with coupling for an anisotropic layer // PMM. 1977. Vol. 41. Iss. 4. (In Russian.)
  16. Kolesnikov V. I., Belyak O. A. Mathematical Models and Experimental Studies — The Basis for the Design of Heterogeneous Antifriction Materials. Moscow: Fizmatlit, 2021. 265 p. (In Russian.)
  17. Babeshko V. A., Glushkov E. V., Zinchenko J. F. Dynamics of Inhomogeneous Linear Elastic Media. Moscow: Nauka, 1989. 344 p. (In Russian.)
  18. Christensen R. Introduction to the Mechanics of Composites. Moscow: Mir, 1982. 335 p.
  19. Kushch V. I. Micromechanics of Composites: Multipole Expansion Approach. Oxford; Waltham: Elsevier, 2013. 489 p.
  20. McLaughlin R. A study of the differential scheme for composite materials // Int. J. Engng. Sci. 1977. Vol. 15. Pp. 237–244.
  21. Garces G., Bruno G., Wanner A. Load transfer in short fibre reinforced metal matrix composites // Acta Mater. 2007. Vol. 55. Pp. 5389–5400.
  22. Babeshko V. A., Evdokimova O. V., Babeshko O. M. Exact solution to the contact problem in a quarter-plane of a multilayer medium by the universal simulation method // Mech. Solids. 2022. Vol. 57. No. 8. Pp. 2058–2065. https://doi.org/10.3103/S0025654422080039

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».