Loss of contact between an elastic layer and half-space

The plane problem of smooth contact between an elastic layer and a half-space is analyzed. The layer is pressed against the half-space by a uniform load applied over its entire surface except for one region of finite length. The solution is given as the sum of solutions to two plane problems, one of which is known a priori. The analysis of the other problem leads to an inhomogeneous Fredholm integral equation for an auxiliary function that is related to the contact pressure. The boundedness of the contact stress at the end of the contact is used to determine the region of separation. The integral equation is solved numerically and the relevant physical quantities are computed and presented in the form of curves.

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Résumé On analyse le problème du contact glissant entre une couche élastique et un demi-espace. La couche est pressée sur le demi-espace par une charge uniforme appliquée à sa surface entière, à l'exception d'une région de longueur finie. La solution est donnée comme une somme des solutions de deux problèmes plans, dont l'une est connue à priori. L'analyse de l'autre est amené à une équation intégrale non-homogène de Fredholm pour une fonction auxiliaire qui dépend de la pression de contact. Le fait que la pression du contact ne peu pas être infinie aux extrémités du contact est utilisé pour déterminer la région de séparation. L'équation intégrale est résolue de façon numérique et les quantités physiques importantes sont calculées et présentées en forme des courbes.

     

Unilateral problems in nonlinear,three-dimensional elasticity

In 1977 John Ball obtained a series of very important existence results in hyperelasticity. The objective of the present paper is to extend his results in two directions, first by considering unilateral boundary conditions corresponding to contact without friction, secondly by allowing locking constraints in the set of admissible deformations.

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Résumé En 1977, John Ball a obtenu une série de résultats d'existence très importants en hyperélasticité. L'objet de cet article est l'extension de ses résultats dans deux directions, premièrement en considérant des conditions aux limites unilatérales correspondant au contact sans frottement, deuxièmement en admettant une contrainte de blocage dans l'ensemble des déformations admissibles.

     

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].     

Etude viscosimétrique des effets structuraux du cation calcium sur des solutions contenant l'anion alginate

Résumé Le comportement en viscosité sous différentes vitesses de cisaillement, à différentes températures, de solutions d'alginate de sodium à des concentrations variant entre 0,05% et 1%, auxquelles on a ajouté du chlorure de calcium en quantité variable, est qualitativement toujours le même; pour des quantités croissantes de chlorure de calcium, à concentration fixe en alginate de sodium, à une phase de dépression de la viscosité succède une phase de croissance très rapide, suivie à nouveau d'une phase de décroissance. Dans la première phase les variations de la viscositè avec la vitesse de cisaillement sont représentables par un modèle répondant à la Théorie d'Eyring; dans les phases suivantes l'écoulement est représenté par une loi du type =a^b avec b<0. Cette différence dans le mode d'écoulement tiendrait à l'apparition, à partir d'une concentration en chlorure de calcium suffisante, d'une structure tridimensionelle plus ou moins stable suivant la concentration en ions calcium.Discours prononcé lors du congrès annuel des rhéologues allemands à Berlin le 9 juin, 1966.     

Constitutive laws and existence questions in incompressible nonlinear elasticity

In this paper, we first give a justification of the specific form of the constitutive law of incompressible materials. The existence and uniqueness of the indeterminate pressure is established in general. In the framework of nonlinear incompressible elasticity, we then prove an existence and uniqueness result for the pure displacement boundary value problem with sufficiently small body forces.

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Resumé Dans cet article, on donne d'abord une justification de la forme que prend la loi de comportement d'un matériau incompressible. On établit l'existence et l'unicité de la pression indéterminée en général. On montre ensuite, dans le cadre de l'élasticité non linéaire incompressible, un résultat d'existence et d'unicité pour le problème aux limites en déplacement pur avec des forces volumiques suffisamment petites.

     

An Existence Theorem for Generalized von Kármán Equations

Using techniques from formal asymptotic analysis, the first two authors have recently identified generalized von Kármán equations, which constitute a two-dimensional model for a nonlinearly elastic plate where only a portion of the lateral face is subjected to boundary conditions of von Kármán's type, the remaining portion being free. In this paper, we establish an existence theorem for these equations. To this end, we first reduce them to a single equation, which generalizes a cubic operator equation introduced by M.S. Berger and P. Fife. We then directly solve this equation, notably by adapting a crucial compactness method due to J.-L. Lions. Résumé. En utilisant les techniques de l'analyse asymptotique formelle, les deux premiers auteurs ont récemment identifié des équations de von Kármán généralisées, qui constituent un modèle bi-dimensionnel de plaque non linéairement élastique dont une partie seulement de la face latérale est soumise à des conditions aux limites de von Kármán, la partie restante étant libre. Dans cet article, on établit un théorème d'existence pour ces équations. À cette fin, elles sont d'abord réduites à une seule équation, qui généralise une équation faisant intervenir un opérateur cubique, introduite par M.S. Berger et P. Fife. On résout ensuite directement cette équation, en adaptant notamment une méthode cruciale de compacité due à J.-L. Lions.     

Un théorème d'existence de solutions d'un problème de shallow water

Résumé Nous présentons un théorème d'existence de solutions d'un problème de type shallow water, en formulation hauteur-vitesse (h, u). Nous obtenons une majoration de type énergie et construisons des solutions approchées respectant cette majoration. La difficulté essentielle du passage à la limite provient de l'unique majoration connue de la hauteur h qui est du type: h et hlogh bornés dans L (0T;L ¹()). Mémoire presenté par P.-L. Lions     

Fracture and contact problems for and elastic wedge

The paper deals with the plane elastostatic contact problem for an infinite elastic wedge of arbitrary angle. The medium is loaded through a frictionless rigid wedge of a given symmetric profile. Using the Mellin transform formulation the mixed boundary value problem is reduced to a singular integral equation with the contact stress as the unknown function. With the application of the results to the fracture of the medium in mind, the main emphasis in the study has been on the investigation of the singular nature of the stress state around the apex of the wedge and on the determination of the contact pressure.

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Résumé Dans cet essai le problème plan élastostatique de contact pour un coin élastique d'angle arbitraire est étudié. Le milieu est chargé à travers un coin rigide de profil symétrique sans friction. En utilisant la transformation de Mellin le problème de valeurs limites mixtes, est réduit à une équation intégrale singulière où l'effort de contact est la fonction inconnue. Avec l'application des résultats de la rupture du milieu, l'étude est concentrée principalement sur l'investigation de la nature singulière de l'état d'effort autour du sommet du coin et sur la détermination de la pression de contact.

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This work was supported by NSF under the Grant GK 42771X and by NASA under the Grant NGR 39-007-011.     

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.

     

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).

     

Influence of interfacial tension gradients on thermal convection in two superposed immiscible liquid layers

This paper considers mainly the theoretical aspect of thermal convection in two superposed immiscible (or partially miscible) fluid layers in a rectangular cavity with differentially heated end walls. We develop a model valid for layers whose lateral extent is much larger than depth, deriving the horizontal velocity profile in each layer as a function of the various parameters such as expansion coefficients, viscosities, depth of each layer, and the interfacial tension gradient along the interface. Results are discussed, taking into account the results of experiments that we presented recently [1].

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Résumé Cet article étudie les aspects théoriques de la convection thermique dans deux couches fluides non miscibles (ou partiellement miscibles), superposées et contenues dans une cavité rectangulaire dont les parois latérales sont maintenues à des températures différentes. Nous développons un modèle valide pour des couches dont les dimensions latérales sont beaucoup plus grandes que leur épaisseur et déduisons le profil horizontal de vitesse dans chaque couche, en fonction des nombreux paramètres du problème, à savoir les coefficients de dilatation, les viscosités et les épaisseurs des deux couches, et le gradient de tension interfaciale le long de l'interface. Les résultats sont discutés en prenant en considération les expériences existantes que nous avons présentées récemment [1].

     

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.

     

The torsional oscillations of a rigid spherical inclusion embedded in an elastic stratum

In this paper we investigate the axisymmetric harmonic torsional vibrations of a rigid spherical inclusion, embedded centrally in an elastic stratum of finite thickness. For an infinite solid the problem has a simple closed form solution. Here the stratum problem is formulated as a Fredholm integral equation of the first kind, and a perturbation method employed to solve this equation approximately for large values of the ratio of sphere radius to stratum depth. Approximations are given for quantities of physical interest such as the stress distribution at the inclusion-elastic medium interface, and the stress couple on the sphere.

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Résumé Dans cette étude on recherche les vibrations axisymmétriques harmoniques et torsionales d'une inclusion sphérique et raide, située centralement dans une couche d'une épaisseur bornée. Pour un solide infini le problème a une solution élémentaire.On formule le problème de couche comme une équation intégrale de Fredholm de la première sorte. On se sert d'une méthode de perturbation pour résoudre cette équation d'une façon approximative pour les grandes valeurs de la proportion du rayon de la sphère contre la profondeur de la couche. Les approximations sont calculées pour la distribution d'effort employée sur l'inclusion et pour la couple de torsion employée sur la sphère.

     

Résumé of important results presented at the third turbulent drag reduction working party

A working party on drag reduction in turbulent boundary layers was held at ONERA/Chatillon, France during September 29–30, 1988. Two passive methods were discussed, in particular: internal manipulators, or riblets, (surface modification in the form of longitudinal striations) and external manipulators, or LEBU's also described as Outer Layer Devices, blades or ribbons, consisting of thin flat plate or aerofoil section devices embedded within the flow. Experimental as well as theoretical research was presented. This paper summarizes the results of this work and thus provides an overview of the current state of such research in Europe.

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Résumé Une réunion sur la réduction de traînée dans les couches limites turbulentes a été tenue à l'ONERA/Chatillon, France les 29–30 Septembre 1988. Deux méthodes passives furent essentiellement considérées, faisant appel aux manipulateurs internes, soit riblets, (modification de la surface sous la forme de fines rainures longitudinales) et aux manipulateurs externes LEBU, petites lamelles rectangulaires ou petits manipulateurs profilés insérés dans l'écoulement. Les résultats de recherches aussi bien expérimentales que numériques furent présentés. Cet article présente, en fait, un résumé de l'état actuel des recherches en Europe sur ce thème.

     

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.

     

On finite anti-plane shear for compressible elastic circular tube

Knowles' theorem for anti-plane shear of compressible, homogeneous, isotropic elastic materials in finite elastostatics is used to determine some restrictions on a strain-energy density function characterizing materials for which two anti-plane shear problems of a circular tube are then solved exactly.

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Resumé Le theorème de Knowles pour le cisaillement anti-plane de matériaux compressibles, homogénes, isotropes, élastiques en élastostatique finie est utilisé afin de déterminer certaines restrictions sur un fonction-densité d'énergie de déformation caractérisant des matériaux pour lesquels deux problèmes de cisaillement anti-plan d'un tube circulaire sont alors résolus exactement.

     

Propriétés viscoélastiques linéaires de solutions de polybutadiène en régime semi-dilué et concentré

Résumé L'évolution des propriétés viscoélastiques linéaires de polymères en solution est caractérisée par l'étude des variations des trois paramètres caractéristiques de la viscoélasticité linéaire (viscosité limite ₀, complaisance limiteJ _e ⁰ et module de plateauG _N ⁰ ) en fonction de la concentration dans différents solvants. Les polymères étudiés sont des polybutadiènes linéaires et branchés en étoile, à distribution étroite de masses moléculaires. Les solvants étudiés ont des températures de transition vitreuse inférieure, égale ou supérieure à celle du polybutadiène (respectivement le tétradécane, un polybutadiène de faible masse moléculaire et une huile commerciale). Les résultats obtenus ( ₀ c ^4,0,G _N ⁰ c ^2,25 etJ _e ⁰ c ^–2,25) sont en désaccord avec le comportement conforme aux modèles de champ moyen généralement admis, et semble partiellement en accord avec les modèles récents de la relaxation et de la thermodynamique des longues chaînes flexibles.

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Summary The linear viscoelastic properties of polymer solutions are studied through the concentration dependence of the three characteristic parameters of linear viscoelasticity (zero-shear viscosity ₀, limiting complianceJ _e ⁰ and plateau modulusG _N ⁰ ) in various solvents. The polymers are narrow-distribution linear and starbranched polybutadienes. The glass transition temperatures of the solvents are below, equal to, and above, theT _g of polybutadiene (respectively tetradecane, low molecular weight polybutadiene, and a commercial oil). The results ( ₀ c ^4.0,G _N ⁰ c ^2.25 andJ _e ⁰ c ^–2.25) do not agree with the usual mean field behavior assumed for the viscoelastic properties of polymer solutions, and seem to agree partly with recent models for the relaxation and thermodynamics of long chains.

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Zusammenfassung Das linear-viskoelastische Verhalten von Polymerlösungen wird anhand der Abhängigkeit der drei charakteristischen Parameter (Nullviskosität ₀, NullkomplianzJ _e ⁰ und PlateaumodulG _N ⁰ ) von der Konzentration in verschiedenen Lösungsmitteln untersucht. Bei den Polymeren handelt es sich um lineare und sternförmig verzweigte Polybutadiene mit enger Molmassenverteilung. Die Glasübergangstemperaturen der Lösungsmittel (Tetradecan, niedermolekulares Polybutadien bzw. ein kommerzielles Ol) sind niedriger, gleich oder höher als diejenigen des Polybutadiens. Die Ergebnisse ( ₀ c ^4,0,G _N ⁰ c ^2,25 undJ _e ⁰ c ^–2,25) stimmen nicht mit den Voraussagen der üblicherweise zugrundegelegten, durch Mittelwertbildung gekennzeichneten Theorien überein, sondern scheinen zumindest zum Teil denen neuer thermodynamischer bzw. Relaxationstheorien langkettiger Polymerer zu entsprechen.

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Avec 13 figures et 6 tableaux     

Minimum principles for linear elastodynamics

Two minimum principles which take into account inhomogeneous initial conditions are presented within the context of the linear dynamic theory of elasticity. One principle, formulated in terms of displacements alone, is the dynamic counterpart to the static principle of minimum potential energy; the other principle is formulated in terms of stresses alone, but has no counterpart in elastostatics. Both principles are motivated by taking Laplace transforms of the field equations and boundary values and then using established minimum functionals in the transform domain. The introduction of an appropriate weight function enables one to get back to the original time domain while preserving the minimum character of the transformed functionals.

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Resume Deux principes minimum qui tiennent compte de conditions initiales non linéaires sont présentés sans le contexte de la théorie dynamique linéaire de l'élasticité. Un des principes, exprimés en fonction seulement des déplacements, est la contrepartie dynamique du principe statique de l'energie potentielle minimum; le second principe, exprimé en fonction des efforts seulement, n'a pas de contrepartie en élasticité statique. Les deux principes sont obtenus en prenant les transformés de Laplace des équations differentielles et des conditions aux limites, puis en utilisant dans le domaine transformé des fonctionnels minimum connus. En introduisant une weight function appropriée, il est possible de retourner au domaine temporel d'origine tout en préservant le caractere minimum des fonctionnels transformés.

     

A uniqueness theorem in the theory of Cosserat surface

Within the scope of the non-isothermal theory of an elastic Cosserat surface and for a system of linear equations characterizing the initial mixed boundary-value problems of thermoelastic shells, a uniqueness theorem is obtained without the use of definiteness assumption for the free energy. The theorem holds for nonhomogeneous and anisotropic shells undergoing small motions (and small temperature change) superposed on a large deformation.

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Résumé Dans le cadre de la théorie d'une surface élastique de Cosserat et pour un système d'équations linéaires décrivant les problèmes à conditions initiales et à conditions aux frontières mixtes de coques thermoélastiques, on obtient un théorème d'unicité sans faire appel à une hypothèse de définition pour l'énergie libre. Le théorème est valable pour des coques non-homogènes et anisotropes soumises à de petits mouvements (et petits changements de température) superposés à une grande déformation.