On superposed small deformations on a large deformation of an elastic Cosserat surface

Within the scope of the theory of a Cosserat surface, this paper is concerned with small deformations superposed on a large deformation in elastic shells and plates together with some related aspects of the subject. Special attention is given to problems of stability and vibrations of initially stressed isotropic plates.

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Résumé Dans le cadre de la théorie d'une surface de Cosserat, le présent rapport étudic, pour des plaques et coques élastiques, de petites déformations superposées à une grande déformation, ainsi que certains aspects connexes du sujet. Une attention particulière est accordée aux problèmes de stabilité et de vibrations de plaques isotropiques initialement sous tension.

     

On the first boundary value problem for the classical theory of elasticity in a three-dimensional domain with a singular boundary

An existence and uniqueness theorem is proved for the first boundary value problem of classical elasticity, relating to a broad class of three-dimensional domains whose boundaries may have edges and vertexes.The qualitative properties, up to the boundary, of the solution are investigated.

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Résumé On démontre un théorème d'existence et unicité pour le premier problème de valeurs au contour de l'élasticité classique, concernant une large classe de domaines de l'éspace à trois dimensions, avec des frontières présentant des arètes et des sommets.On étudie les propriétés qualitatives, jusque'au contour, de la solution.

     

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.     

Comportement des matériaux plastiques parfaits,non visqueux

Résumé Dans une première partie, partant d'une relation générale entre contraintes, vitesses de déformations et masse spécifique, nous démontrons l'existence d'une surface d'écoulement (critère d'écoulement en contraintes). Dans une deuxième partie, nous proposons une loi d'écoulement. Celle-çi admet comme cas particuliers: la théorie du potentiel plastique pour les matériaux incompressibles à critère d'écoulement indépendant de la contrainte moyenne, la théorie deBrown etGudehus pour les matériaux compressibles à critère d'écoulement indépendant de la contrainte moyenne, et la théorie de la courbe intrinséque (cisaillement selon un plan) pour les matériaux à critère d'écoulement indépendant de la contrainte intermédiaire.Avec 3 figures     

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.

     

Waves and stability

The connection between stability of equilibrium and propagation of small disturbances through a general elastic medium has been stated, since 1903, by J. Hadamard. However a doubtful element in the original proof of the theorem was pointed out by P. Duhem. A more elaborated proof, which seems to be satisfactory even in a more general hypothesis, has been later proposed by the author of this report. That proof is reconsidered in this article which deals, in a general context, with the relations between wave propagation and linear stability. A new elegant proof of Hadamard's theorem, recently proposed by G. Fichera, is briefly reported at the end of the article.

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Résumé Les liens entre la stabilité de l'équilibre et la propagation des ondes dans un milieu élastique ont été codifiés dès 1903, par J. Hadamard. La démonstration originaire du théorème présente toutefois un point douteux, mis en évidence par P. Duhem. Une démonstration plus élaborée, qui parait mathématiquement corrècte même en des conditions physiques plus générales, a été proposée plus tard par l'auteur de cet exposé. Cette démonstration est reprise dans l'article suivant, qui envisage dans un contexte général les relations entre la propagation des ondes et la stabilité linéaire. Une nouvelle et élégante démonstration du théorème de Hadamard, proposée récemment par G. Fichera, est résumée à la fin de l'article.

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Lecture delivered at the Italy-USA Seminar on Existence and Stability in Elasticity, Udine, June 26–30, 1971.     

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.

     

One-dimensional theories of motion for beams

Using Gurtin's variational principle, a rational method for deducing the approximate one-dimensional theories of Medick from three-dimensional elasticity is presented.By using suitable unknowns, matrix equations are obtained; these exhibit a hyperbolic structure.

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Résumé Dans le cadre des schématisations de Medick, on présente une méthode permettant de déduire de la théorie tridimensionelle des théories approchées à une dimension de plus en plus fines.Après un choix convenable des inconnues, on obtient les équations matricielles du problème qui mettent en évidence une structure de système hyperbolique.

     

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].     

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.

     

On the uniqueness of solutions to the displacement problem in linear elastodynamics

In recent separate investigations, Kirchhoff's classical uniqueness theorem of elastodynamics has been extended in two ways. Gurtin and Toupin generalized the theorem to encompass bodies possessing an elasticity tensor that obeys the semi-strong ellipticity condition, whereas the author has extended the theorem to unbounded regions. These two results are brought together in the present paper.

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Resume Dans deux études récentes, le champ d'application du théoréme classique de Kirchhoff sur l'unicité de l'élastodynamique a été élargi de deux manières différentes. Gurtin et Toupin l'ont généralisé pour inclure les corps possédant un tenseur d'élasticité obéissant à la condition d'ellipticité demi-forte, alors que le présent auteur l'a étendu aux régions non finies. Ces deux résultats ont été combinés dans la présente communication.

     

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.

     

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].

     

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.

     

A row of external cracks in an elastic half-plane

The plane-strain solution of the problem of a row of external cracks in an elastic half-plane whose faces are uniformly pressurized, is obtained. The stress intensity factor and the strain energy per crack are calculated and their variations with the distance of separation of the cracks are shown.

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Résumé On obtient la solution pour la contrainte simple du problème d'une suite de fissures extérieures dans un demiplan élastique dont les surfaces sont à pression uniforme. On calcule le facteur d'intensité de contrainte et l'energie de déformation pour chaque fissure et on montre leurs variations avec la distance entre les fissures.

     

Wave propagation in elastic shells

The problem of wave propagation in shells within the framework of a simplified linear shell theory is treated using the method of Hadamard. Speeds of propagation, wave shape and decay, as well as coupling effects, are obtained for longitudinal, transverse and bending waves. The theory is applied to wave propagation on a spherical shell.

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Résumé On traite la problème de la propagation des ondes dans les voiles minces en utilisant la méthode de Hadamard. Les vitesses de la propagation, la forme de l'onde, et aussi les effets d'accouplement sont obtenus pour les onides longitudinales, transversales et fléchissantes. On applique cette théorie à la propagation des ondes dans une coque sphérique.

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This work was supported in part by funds from the National Research Council of Canada, under Grant Number A 3805.     

Plasticité et élasticité des pâtes argileuses

Résumé Dans l'introduction, l'auteur rappelle que peu de chercheurs ont consacré leur activité à l'étude des phénomènes élastiques présentés par les pâtes argileuses.Afin de mieux connaître ces phénomènes, un appareil a été construit. Il permet l'enregistrement simultané des efforts appliqués et des déformations présentées par une éprouvette soumise à un couple de cisaillement.Des essais faits sur une pâte d'argile pure ont permis, entre autres conclusions, de constater que:la forme du cisaillement varie suivant la valeur de la contrainte.pour un cisaillement déterminé, le cisaillement élastique est indépendant de la contrainte appliquéele cisaillement permanent dépend du temps de maintien de la contrainte.Enfin, l'auteur signale que les modèles proposés jusqu'à maintenant pour représenter le comportement d'une pâte argileuse ne conviennent pas.     

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).

     

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.     

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.