On Saint-Venant's principle in plane anisotropic elasticity

Methods involving energy-decay inequalities are applied in investigating Saint-Venant's principle for the planproblem of linear elastostatics for a wide class of anisotropic media. A lower bound (in terms of the elastic constants) is obtained for the rate of exponential decay of stresses and this is compared with the known result for the isotropic case.

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Résumé Par une méthode applicable à un très grand nombre de milieu anisotropique, l'auteur utilise les inégalités concernant la décroissance de l'énergie dans le cas d'un problème plan et dans l'hypothèse de conditions élastostatiques linéaires, l'auteur précise la validité du principe de Saint-Venant dans le cadre de ses applications. Une limite inférieure (en fonction des constantes élastiques) de la décroissance exponentielle des contraintes est mise en évidence et comparée aux résultats obtenus en milieux isotropes.

     

Upper and lower bounds for the shear stress in the Saint-Venant theory of flexure

Upper and lower bounds are derived for the shear stress as it is determined by Saint-Venant's theory of flexure, and used to establish the asymptotic character of the classical Strength of Materials formula in the limit of vanishing thickness.

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Résumé On dérive des limites supérieures et inférieures des contraintes tangentielles suivant la théorie de la flexion de Saint-Venant, que l'on utilise aux fins d'établir le caractère asymptotique de la formule de la Résistance des Matériaux dans le cas limite d'une épaisseur extrêmement petite.

     

Maximum principles and pointwise error estimates for torsion of shells of revolution

This paper is concerned with the question of assessing the quality of approximate thin shell solutions for the problem of axisymmetric torsion of elastic shells of revolution, an issue previously considered by Ho and Knowles [1]. In both works, the objective is to obtain pointwise estimates, based on the three-dimensional theory of elasticity, for the errors involved in using an approximate shell theory.The mathematical problem is that of obtaining explicit pointwise gradient estimates for the solutions of homogeneous and nonhomogeneous second-order uniformly elliptic equations, an issue of interest beyond the present context. In contrast to arguments using energy inequalities, here we apply a technique based on maximum principles for such equations.The particular examples of cylindrical, spherical and conical shells of revolution are discussed in detail. In the former two cases, it is shown that the shell theory solution is in fact an exact elasticity solution in the Saint-Venant sense. Asymptotic error estimates for general shells of revolution are also given.

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Résumé L'étude çi-dessous traite de la qualité de l'approximation des coques minces appliquée aux problèmes de torsion asymétrique des coques élastiques de révolution, problème déjà considéré par Ho et Knowles [1].L'objectif des deux études est d'évaluer en chaque point, par la théorie de l'élasticité en trois limensions, les erreurs conséquentes à l'utilisation de la théorie de l'approximation des coques.Le problème mathématique consiste à obtenir une estimation explicite en chaque point des gradients pour les solutions d'équations elliptiques uniformes du deuxième ordre, homogènes et non-homogènes, problème d'un interêt qui dépasse le présent contexte. Nous utilisons ici une technique basée sur le principe du maximum pour de telles équations, par contraste avec les raissonnements utilisant des thegalités énergétiques.Les exemples particuliers des coques de révolution cylindriques, sphériques et coniques sont discutés en détail. Dans les deux premiers cas, nous montrons que la solution par la théorie des coques est en fait une solution exacte dans le sens de Saint-Venant. Des estimations asymptotiques des erreurs dans le cas de coques de révolution plus générales sont également données.

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Paper presented at the 6th Canadian Congress of Applied Mechanics (CANCAM 77), The University British Columbia, Vancouver, May 30–June 3, 1977.     

Existence theorems for nonlinear elastic plates with periodic boundary conditions

The implicit function theorem is applied to the general three-dimensional equations for the equilibrium of a rectangular nonlinearly elastic plate subjected to suitable applied forces. The plate is assumed to have periodic boundary conditions or else to be with sliding edges. Regularity results in Sobolev spaces are used to define the equations in a suitable Banach space. Then, it is shown that the problem has a solution if the applied forces are small enough in a certain Sobolev norm.

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Résumé On applique le théorème des fonctions implicites au problème non linéaire de l'équilibre d'une plaque rectangulaire élastique soumise à des forces convenables. Cette plaque est supposée à bords glissants ou bien soumise à des conditions aux limites de type périodique. On utilise des résultats de régularité dans les espaces de Sobolev pour poser les équations dans un cadre fonctionnel adéquat. On montre alors que ce problème admet une solution si les forces appliquées sont assez petites dans une certaine norme de Sobolev.

     

Apport des analyses rheologiques dans l'étude d'émulsions multiples H/L/H

Resume L'objectif de ce travail a consisté principalement à démontrer l'intérêt et le caractère polyvalent des analyses rhéologiques dans l'étude des émulsions multiples H/L/H. En utilisant la grande diversité des tests rhéologiques, il a été possible de charactériser la structure de l'émulsion multiple, d'étudier sa stabilité dans le temps et sous l'effet d'un cisaillement, et encore de charactériser une cinétique de liberation par gonflement puis rupture des globules.

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The main goal of this paper consisted in demonstrating the interest and the versatile nature of the rheological analysis for studying W/O/W multiple émulsions. Using a significant variety of rheological tests, it was possible to characterize the multiple Emulsion structure, to follow its evolution produced by aging or by shear, and to characterize swelling-rupture release kinetics.

     

Dynamic-mechanical properties of a bitumen-silica composite III. Modelling of the behaviour of bitumen-silica composites and confirmation of the equivalence principles

Summary The experimental results were analysed in the space of the complex modulus and the limit of the triple equivalence (time-temperature-filler content) principle was ascertained. A rheological model, consisting of a spring and two dashpots arranged in series, describes the behaviour of the bitumen-silica composites.

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Zusammenfassung Die experimentellen Ergebnisse werden im Raum des komplexen Moduls analysiert, und die Anwendbarkeitsgrenzen des Dreifach-Superpositionsprinzips (Zeit-Temperatur-Füllstoffgehalt) werden festgelegt. Ein aus einer Feder und zwei in Reihe geschalteten Dämpfern gebildetes rheologisches Modell beschreibt das Verhalten der Bitumen-Silizium-Zusammensetzungen.

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Résumé Les résultats expérimentaux ont été exploités dans l'espace du module complexe et les limites de validité de la triple équivalence temps-température-concentration en charge ont été établies. Un modèle rhéologique, constitué d'un ressort et de deux amortisseurs en série permet de rendre compte du comportement des composites à base de bitume et de silices.

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With 13 figures and 2 tables     

Étude optique des processus d'écoulement de solutions viscoélastiques

Résumé On précise les caractères principaux des variations de la viscosité, de l'angle d'extinction et de la biréfringence des systèmes: laurate de potassium-chlorure de potassium/eau. On montre que dans l'ensemble, ces propriétés ne peuvent pas être interprétées à l'aide des modèles habituels de particules rigides indéformables ou de particules globulaires déformables. Par contre, au prix d'un petit nombre d'hypothèses simples, on peut rendre compte, au moins qualitativement des phénomènes observés par la considération du modèle d'une suspension de particules dissymétriques mais déformables à la manière d'un fluide anisotrope et non d'un solide élastique.

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Zusammenfassung Die wesentlichen Merkmale der Veränderungen der Viskosität, des Auslöschungswinkels und der Doppelbrechung von den Systemen: Kaliumlaurat-, Kaliumchlorid-Wasser können genau bestimmt werden. Diese Eigenschaften werden nicht mit Hilfe der gewöhnlichen Modelle von starren unverformbaren oder kugelförmigen Teilchen im Ganzen erklärt. Im Gegenteil, man kann mit einer kleinen Zahl von einfachen Voraussetzungen wenigstens in einer qualitativen Weise die beobachteten Phänomene durch die Betrachtung des Modells einer Suspension von dissymetrischen und sich wie eine anisotrope Flüssigkeit, nicht aber wie ein elastischer Festkörper fließenden verformbaren Teilchen erklären.

     

Changements de structure provoqués par l'écoulement

Résumé De même que la structure conditionne les propriétés rhéologiques, l'état d'écoulement d'un système peut être un facteur déterminant de sa structure par suite des réarrangements moléculaires qu'il provoque. On étudie le cas d'un liquide pur à fortes interactions intermoléculaires et celui des suspensions colloïdales et solutions macromoléculaires. Les calculs sont développés dans des cas types où l'écoulement entraîne des changements de phase ou des variations de l'état d'agrégation. L'étude rhéologique ou rhéooptique de tels systèmes permet la détermination expérimentale des énergies d'interaction intermoléculaires. On en donne des exemples.

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Zusammenfassung Ebenso wie die Struktur die Theologischen Eigenschaften beeinflußt, kann der Fließzustand eines Systems ein maßgebender Faktor seiner Struktur als Folge der molekularen Umordnung, die er erzeugt, sein. Es wird der Fall einer reinen Flüssigkeit mit starken intermolekularen Wechselwirkungen sowie der kolloiden Suspensionen und makromolekularen Lösungen untersucht. Die Rechnungen sind für typische Fälle durchgeführt, bei denen das Fließen Phasenänderungen und Änderungen des Aggregatzustandes hervorruft. Die rheologische und rheooptische Untersuchungen solcher Systeme erlaubt eine experimentelle Bestimmung der zwischenmolekularen Wechselwirkungsenergien, wie an Beispielen gezeigt wird.

     

Note sur les vitesses critiques d'un arbre muni de disques

Conclusions Les démonstrations que nous avons été amené à développer au sujet du problème particulier des vitesses critiques, s'adaptent sans plus à une large classe de problèmes aux valeurs propres [6]. C'est plutôt comme illustration d'une théorie générale à un cas simple, qu'il faut considérer les développements précédents; ce n'est que le n 14 qui est particulier au problème traité.Au point de vue physique, l'introduction de disques, comme d'ailleurs de façon générale l'introduction de masses concentrées dans un système continu quelconque, ne modifie pas l'aspect qualitatif; aussi il n'est pas étonnant que nous retrouvions les propriétés des vitesses critiques d'arbres continus [1], [2].Au point de vue mathématique par contre, une nette séparation est généralement faite entre les systèmes continus et les systèmes discrets; les premiers sont souvent considérés comme un cas limite des seconds. Du point de vue de l'esthétique des démonstrations, il est cependant satisfaisant de traiter simultanément les deux cas.A cette fin une première méthode consiste à traiter l'équation différentielle à laquelle sont jointes les conditions aux limites, et les conditions de discontinuité de certaines dérivées aux endroits de masses concentrées. C'est particulièrement dans cette voie qu'on constate que les démonstrations ne sont pas une simple généralisation du cas continu [6]. Une autre méthode consiste à traiter les problèmes aux valeurs propres sous forme d'équation intégrale [3]. Une large classe de problèmes peut ainsi être traitée, en introduisant un noyau réel symétrique, grâce à des changements de variables et de fonctions analogues à ceux du n 4.La théorie des équations intégrales à noyaux symétriques est immédiatement applicable. La théorie est également développée pour le cas de noyaux complexes hermitiques: K(s, t)=K(t, s). Le problème que nous avons traité est un peu différent puisque nous avons introduit un noyau complexe symétrique. Il est remarquable que les résultats sont également valables dans ce cas.La méthode des itérations et la détermination de bornes supérieures et inférieures peuvent être aisément transposées. Pour ces questions, nous renvoyons le lecteur à [6].     

A solution for the narrow rectangular punch

This paper considers the problem of a rectangular flat ended punch acting on an elastic half-space. An approximate solution is generated through application of the elastic line integral equations. The results produced by this method are then compared with another approximate solution already available.

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Zusammenfassung Dieser Aufsatz behandelt das Problem eines starren, flachen Stempels mit rechteckigen Grundriss, der in einen elastischen Halbraum gepresst wird. Eine Näherungslösung wird erzeugt mittels der Integralgleichung des elastischen Linienkontakts. Die auf dieser Weise gewonnene Ergebnisse werden mit einer schon bekannten Näherungslösung verglichen.

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Résumé Dans ce rapport, on considère le problème d'un cachet rigide à base plane rectangulaire qui est poussée dans une semi-espace élastique. Une solution approximative est générée par application de l'équation integrale du contact élastique de ligne. Les résultats produits par cette méthode sont comparés à une solution approximative déjà connue.

     

The problem of interaction between a misfitting inclusion and a crack in an infinite elastic medium

The problem of interaction between a curvilinear crack (or a system of such cracks) and a misfitting inclusion of arbitrary shape (or a system of such inclusions) inside an infinite isotropic elastic medium of the same material as the inclusion was solved by using the complex potential technique and reducing the problem to a complex Cauchy type singular integral equation along the crack only (or the system of cracks).

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Résumé Le problème de l'influence mutuelle d'une fissure curviligne (ou d'un système de telles fissures) et une inclusion malajustée de forme arbitraire (ou un système de telles inclusions) dans un milieu infini élastique isotrope du même matériau que l'inclusion a été résolu en utilisant la technique des potentiels complexes et en réduisant ainsi le probléme à une équation intégrale singulière complexe du type Cauchy seulement le long de la fissure (ou du système des fissures).

     

An explicit method to determine response coefficients in finite elasticity

Some classical solutions to problems involving controllable deformations of isotropic incompressible elastic solids are recapitulated. It is shown that, when only one deformation mechanism is inhomogeneous, a parametric differentiation of the load-deformation relations yields a possibility to determine explicitly the material response coefficients from data conveniently measurable at tests. The method is illustrated for two cases; extension, inflation and torsion of a tube and inflation of a spherical shell.

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Résumé Quelques solutions classiques de problèmes en déformation pour des solides élastiques isotropes incompressibles sont rappelies. On montre que, quand un seul mécanisme est nonhomogène, une dérivation parametrique des relations force-déformation rend possible la détermination explicite des coefficients characteristiques du solide à partir de données expérimentales facilement accessibles.Deux examples illustrent la méthode: cas d'un tube soumis à une extension, une expansion et une torsion et cas d'une coque sphérique en expansion.

     

The elastic sphere under arbitrary concentrated surface loads

The elastostatic problem of a sphere subject to a concentrated surface load of arbitrary direction which is equilibrated in a very simple manner by a distribution of surface tractions is solved. Particular attention is placed in the analysis of the singularity at the point of application of the concentrated load.The solution obtained provides a means for reducing problems pertaining to a sphere under arbitrary concentrated and distributed loads to a regular second boundary-value problem for the sphere. For illustration the problem of a sphere acted by two equal, opposite and collinear loads applied at two arbitrary surface points is treated.The paper also contains an exposition and an essential extension of an integration scheme developed by Almansi. Thus, an explicit integral representation of the displacements in an elastic sphere in terms of a vector valued harmonic potential which coincides on the surface with the tractions is obtained.

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Résumé On présente la résolution du problème élastostatique d'une sphère soumise en surface à une charge ponctuelle de direction arbitraire équilibrée par une distribution trés simple de contraintes superficielles. On s'attache plus spécialement à l'analyse de la singularité au point d'application de la charge ponctuelle.La solution obtenue permet de réduire les problèmes d'une sphère soumise de manière quelconque à des charges ponctuelles et réparties, à un problème avec conditions aux limites régulières. A titre d'exemple, on traite le problème d'une sphère soumise à deux forces ponctuelles, co linéaires, égales et de sens opposé, appliquées en deux points arbitraires de la surface.L'article contient également une exposition et une extension d'un schéma d'intégration développé par Almansi. On obtient ainsi une représentation explicite, sous forme d'intégrale, des déplacements dans une sphère élastique, en termes de potentiel vecteur qui coïncide, à la surface, avec le champ de contraintes.

     

Variation de la vitesse de propagation d'ondes ultrasoniques au cours du passage de l'état liquide à l'état solide

Résumé Une étude théorique de la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques dans les liquides et solides rend plausible l'hypothèse que l'évolution de l'état liquide à l'état solide doit être accompagnée d'une variation de la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques.Il résulte des essais d'orientation relatés dans ce mémoire que la variation de la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques est susceptible de caractériser la vitesse de passage de l'état liquide à l'état solide d'une matière ou d'un matériau.La méthode est applicable dans un domaine étendu et est sensible même assez loin du point de solidification. Elle se prête à l'étude du processus de l'évolution de la solidification des suspensions, des solutions, des matériaux organiques à longue chaîne, etc.

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Zusammenfassung Die theoretische Überlegung über die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten und festen Körpern kann die Hypothese angenommen werden, daß die Umwandlung vom flüssigen in den festen Zustand von einer Geschwindigkeitsänderung der Ultraschallwellen begleitet wird.Aus den in diesem Bericht gebrachten Einführungsversuchen ergibt sich, daß die Variation der Ausbreitung von Ultraschallwellen dazu geeignet ist, die Umwandlungsgeschwindigkeit der Materialien von flüssigem in festen Zustand zu bewerten.Die Methode ist in einem weitem Bereiche brauchbar und ist auch weit vom Erstarrungspunkt empfindlich. Sie kann angewendet werden, um den Erstarrungsprozeß von Suspensionen, Lösungen und organischen Stoffen zu untersuchen.

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Ingénieur des constructions civiles. Docteur spécial en connaissance des matériaux. Agrégé près la Faculté des Sciences Appliquées de l'Université de Liège (Belgique).     

Energy flux into the tip of an extending crack in an elastic solid

Summary An expression for the energy flux into the tip of an extending crack in terms of the dynamic elastic field of the crack is derived on the basis of an overall energy rate balance. It is shown that the energy flux depends only on the near-tip elastic field. The expression is compared to other expressions for this dependence which have been proposed by Atkinson and Eshelby, by Achenbach and by Erdogan. The energy flux is calculated in terms of the stress intensity factor for a particular plane strain problem and an antiplane strain problem.

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Résumé Sur la base d'un équilibre énergétique dynamique global, le flux d'énergie convergeant vers l'extrémité d'une tissure en propagation est exprimé en fonction du champ élastique dynamique de la fissure. II est démontré que ce flux d'énergie ne dépend que du champ élastique au voisinage immédiat de l'extremité de la fissure, L'expression obtenue est comparée aux expressions précédemment proposées par MM. Atkinson et Eshelby, Mr. Achenbach, et Mr. Erdogan. Le flux d'énergie est évalué en fonction du facteur d'intensité des contraintes dans les cas particuliers d'un problème de déformation plane et d'un problème dans lequel la direction du cisaillement est horizontale.

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Supported by the United States Atomic Energy Commission through Contract AT (11-1)-3084 with Brown University.     

Surface and interfacial waves of arbitrary form in isotropic elastic media

A method due to Friedlander of accommodating disturbances of arbitrary form into the theory of surface waves in a semi-infinite isotropic elastic body is extended and shown to yield a simple closed form solution for the displacement field. An analogous treatment of interfacial waves of arbitrary form at a plane contact discontinuity separating different isotropic elastic materials is also given.

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Résumé On développe une méthode, conçue par Friedlander, qui fait entrer les perturbations de forme arbitraire dans la théorie des ondes de surface dans un corps élastique isotropique semi-infini, et on montre qu'elle permet d'obtenir une solution simple et exacte pour le champ de déplacement. Les ondes de forme arbitraire qui existent dans le plan à la frontière de materiaux élastiques isotropiques differents sont traitées de façon analogue.

     

On cracks and screw dislocation pile ups crossing a bimaterial interface

The situation where a screw dislocation pile up (or a crack in anti plane strain) crosses a bimaterial interface is considered. It is shown that a closed form solution can be obtained when the pile up crosses the interface in a symmetric fashion.

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Resume On discute le problème d'un empilement de dislocations-vis (ou d'une fissure sous déformation anti-plan) qui traverse l'interface entre deux matériaux aux propriétés différentes. On démontre l'existence d'une solution explicite dans le cas où l'empilement traverse l'interface de façon symétrique.

     

Effect of friction on the interface crack loaded in shear

The conventional formulation used in the past for problems involving interface cracks leads to a physical contradiction: The two sides of the crack are assumed to be free of tractions in the formulation, but the crack faces are seen to overlap after the solution is constructed. This unsatisfactory feature can be eliminated by introducing contact zones at the tips of an interface crack. The present article investigates the effect of friction in the contact zones for loads that start from zero and are increased monotonically. As an application, shear loading is considered, and the problem is reduced to a singular integral equation with a Cauchy-type kernel which is solved numerically. The results show that one of the contact zones is large and that friction affects the global nature of the stress fields. The results worked out include also the stress intensity factors, crack opening displacement, and the pressure distribution in the larger contact zone.

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Résumé La formulation habituelle utilisée dans le passé pour des problèmes de fissures interfaciales conduit à une contradiction physique: Les deux lèvres de la fissure doivent être libres de contraintes, mais la solution peut impliquer une interpénétration des bords. Il est possible d'éliminer cette contradiction physique en introduisant des zones de contact aux pointes de la fissure. Le présent article étudie l'effet du frottement dans les zones de contact pour des charges croissantes à partir de zero. Comme application, on considère une charge de cisaillement et le problème se réduit à une équation intégrale singulière avec un noyau de type Cauchy. Cette équation est résolue numériquement. Les résultats montrent que l'une des zones de contact est grande et que le frottement modifie l'ensemble du champ de contraintes. On a aussi obtenu les facteurs d'intensité de contraintes, l'ouverture de la fissure et la distribution du pression dans la plus grande zone de contact.

     

General variational methods for waves in elastic composites

General variational theorems in which the displacement, the stress, and the strain in one case, and the displacement and the stress in another case, are given independent variations, and which include appropriate general bondary and discontinuity conditions, are developed with a view toward the application to harmonic waves in elastic composites with periodic structures. The one-dimensional case is first developed in detail, and in order to demonstrate the effectiveness of the results, especially their accuracy in providing the dispersion curve, waves propagating normal to layers in a layered composite are discussed, and numerical results are presented; see Tables I and II. Then the general three-dimensional case is considered, and the results are applied to waves propagating normal to the fibers in a fiber-reinforced composite.

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Résumé Les théorèmes généraux variationels, dans lesquels on varie indépendemment le déplacement, la contrainte et la déformation, dans le premier cas, et le déplacement et la contrainte, dans le second cas, et qui fournissent de même les conditions aux limites et les conditions de discontinuité, sont dévelopés dans le but d'application aux ondes harmoniques dans les matériaux composites à structure périodique. Le cas d'une seule dimension est d'abord exposé en détail, et pour démontrer l'efficacité des résultats, en particulier la précision avec laquelle la courbe de dispersion peut être determinée, le cas d'ondes se propageant normalement aux couches du matériel composite est discuté et des résultats numériques sont présentés (voir Tables I et II). Par suite, le cas géneral en trois dimensions est considéré et les résultats sont appliqués aux ondes qui se propagent normalement aux fibres dans un matériel renforcé par fibres.

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This work was partly completed while the author was at the University of California, San Diego, La Jolla, California, as a consultant to Grant AF-AFOSR 70-1957, sponsored by the Air Force Office of Aerospace Research, United States Air Force, Washington, D.C.     

Contact problems involving a cooled punch

Certain problems in which a cooled rigid punch indents an elastic half-space have no steady state solution. A simple model is described in which it is shown that this paradox is avoided by the assumption of a thermal resistance varying inversely with contact pressure. A limiting case of this system retains linearity and introduces a state of imperfect contact in which contact pressure is negligible but there is significant thermal contact resistance.This approach is generalized to permit the formulation of three dimensional contact problems and one such problem is solved for an axisymmetric geometry. Particular results are given for the identation of a half-space by a cooled rigid sphere.

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Résumé Les problèmes de contact thermoélastiques pour un demi-espace entaillé par un poinçon rigide refroidi n'ont pas parfois de solution établie. On décrit un modèle simple demontrant qu'on évite ce paradoxe en supposant une résistance thermique varient en raison inverse du pression de contact. On retiens linearité avec un cas limitatif de ce système en introduisant une condition de contact imparfait ou le pression de contact est négligeable mais il y a de la résistance thermique de contact significative.On généralise cette méthode pour permetter la formulation des problèmes de contact thermique dans trois dimensions et un problème de ce type est résolu en cas de symetrie axiale. On donne des resultats particulières pour le demi-espace entaillé par une sphère rigide refroidie.