Асимптотический метод расчета пластин
Для прямоугольной пластины с закреплением, отличным от шарнирного опирания по противолежащим сторонам, применяют различные приближенные методы. Рассмотрим асимптотический метод.
В пластинках так же как и в балках, имеет место динамический краевой эффект, который заключается в том, что закрепление влияет на форму колебания только вблизи границы, а вдали от нее форма колебания определяется произведением синусов типа уравнения (321). Благодаря этому колебания можно представить как сумму функции типа (321) и быстро затухающих с удалением от границ функций, которые позволяют выполнить граничные условия.
Рассмотрим применение этого метода на примере заделанной по контуру прямоугольной пластины размерами
, у которой, как и ранее, размер
а
соответствует оси
. Ограничимся расчетом симметричных относительно осей
форм колебаний. В средней части пластины (начало координат располагается в центре тяжести пластины) принимаем
Вблизи границ
:
где
- быстро изменяющаяся функция, позволяющая удовлетворить условиям закрепления.
Аналогично вблизи границ
:
Таким образом, общее выражение для
имеет вид
(322)
В средней части пластинки функции
и
пренебрежимо малы и поэтому первый член выражения (322) должен удовлетворять уравнению (316). Отсюда находим
Вблизи границ
существенными являются первый и второй члены выражения (322). Учитывая, что первый член удовлетворяет уравнению (316), потребуем, чтобы и второй удовлетворял ему:
Выполняя дифференцирование, приходим к уравнению:
которое распадается на два уравнения:
Так как
, то затухающие решения имеет только первое из этих уравнений. Решение, затухающее с удалением от стороны
, имеет вид
где
В силу симметрии вблизи стороны
:
Аналогично вблизи стороны
:
где
и вблизи стороны
:
Рассмотрим граничные условия при
:
При вычислении
и
учтем, что практически вдоль всей стороны
, за исключением окрестностей угловых точек, функция
равна нулю, поэтому
определяется первыми двумя слагаемыми выражения (322):
Для одновременного выполнения этих уравнений необходимо, чтобы определитель, составленный из коэффициентов при
и
, равнялся нулю, что приводит к уравнению:
(323)
Аналогично условия при
приводят к уравнению:
(324)
Так как
связаны с
, то трансцендентные уравнения (323) и (324) позволяют определить значения
и
, а затем вычислить
и частоты:
Рассмотрим, например, колебания квадратной пластинки с одинаковым числом узловых линий в направлениях
. В этом случае
и уравнения (323) и (324) приводят к зависимости:
,
откуда
Частоты колебаний определяются формулой:
Достаточно хороший результат получается уже для низшей частоты:
Точное значение:
Как видно из вышеизложенного, при использовании асимптотического метода погрешность возникает вследствие приближенного выполнения граничных условий вблизи угловых точек.