Axially symmetric deformations and stability of a geometrically nonlinear circular plate subjected to multiparametrical static loading

Summary Axially symmetric deformations and stability of a geometrically nonlinear circular plate subjected to multiparametrical static loading systems are investigated by means of a so-called deformation map. The deformation map was further used for stability considerations of geometrically nonlinear shells, see Shilkrut [1, 2]. The map reveals the complete picture of the axially symmetric deformations and the stability of the investigated structure. The equilibrium differential equations for the above mentioned circular plate were derived by Timoshenko [3]. The boundary value problem of the investigated structure is transformed to an initial value problem (Cauchy's problem). Then the Runge-Kutta (R. K.) method can be used to solve numerically the equilibrium equations. The geometrically nonlinear, simply supported circular plate subjected to uniform radial force and uniform radial bending moment acting along the supported edge is investigated as example, and some new qualitative and quantitative results are obtained. This approach can be used without essential difficulties for the investigation of axially symmetric deformations and stability of a geometrically nonlinear circular plate subjected to multiparametrical static loading systems in elastic and non-elastic fields.

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Axialsymmetrische Verformung und Stabilität geometrisch nichtlinearer Kreisplatten unter mehrparametrischer statischer Belastung

Übersicht Zur Untersuchung axialsymmetrischer, geometrisch nichtlinearer Verformung von Kreisplatten und ihrer Stabilität bei mehrparametrischer Belastung wird eine sog. Deformationskarte benutzt. Sie wurde auch für Stabilitätsbetrachtungen geometrisch nichtlinearer Schalen benutzt, s. Shilkrut [1,2]. Die Karte zeigt das vollständige Bild der axialsymmetrischen Verformung und die Stabilität der untersuchten Struktur. Das Randwertproblem zu den differentiellen Gleichgewichtsbedingungen, die für die betrachtete Platte von Timoshenko [3] hergeleitet wurden, wird in ein Anfangswertproblem (Caudy-Problem) überführt, welches numerisch nach der Methode von Runge-Kutta gelöst wird. Als Beispiel wird die nichtlineare Kreisplatte unter radialer Zug-und Biegemomentenbelastung am einfach gestützten Umfang untersucht, und man erhält einige neue qualitative und quantitative Ergebnisse. Die Methode läßt sich ohne wesentliche Schwierigkeiten auch auf axialsymmetrische, nichtlineare Verformungen und die Stabilität von Kreisplatten unter anderen mehrparametrischen statischen Belastungen im elastischen und nichtelastischen Bereich anwenden.

     

Versagenszeit beim Kriechen

Zusammenfassung Durch die Verwendung von Ludwik-Dehnungen und -Spannungen ist es in einigen Fällen möglich, eine Bestimmung der Zeit bis zum Bruch eines kriechenden Werkstückes auszuführen. Zu den Fällen, in denen sich eine solche Bestimmung durchführen läßt, gehören Hohlkugel und Hohlzylinder unter Innendruck sowie der einfache Zugstab. In dem vorliegenden Aufsatz ist der Fall einer hohlen, dickwandigen Kugel unter Innendruck ausführlich behandelt und sind die Endergebnisse für den dickwandigen Zylinder, die dünnwandige Kugel und den dünnwandigen Zylinder sowie den Zugstab kurz angeführt.Der Grundgedanke der hier entwickelten Theorie ist, die Dehnung in den Kriechgleichungen nach unendlich gehen zu lassen. Die Zeitspanne, in der eine unendliche Verformung erreicht wird, ist Versagenszeit genannt worden. Es wird gezeigt, daß die Verformung am Ende so ungeheuer schnell vor sich geht, daß die Zeitspanne, um enendliche Dehnung zu erreichen (Versagenszeit), und die Zeit bis zum tatsächlichen Bruch (Bruchzeit) nur geringfügig voneinander abweichen, und daß daher die Versagenszeit zur Bestimmung der Bruchzeit verwendet werden kann.     

Torsional fatigue of fibres

Summary An apparatus has been constructed in which 100 fibres can be simultaneously subjected to repeated torsional deformation. As a parameter for representing the fatigue behaviour, the median fatigue life has been chosen. This quantity has been determined at several strain amplitudes for nylon, dacron, orlon, viscose rayon and acetate rayon.The lives of these fibres are compared not only at equal strain amplitude, but also at equal ratio of strain amplitude to ultimate strain, as determined in a single cycle leading to instantaneous failure.The shape of the curves obtained with dacron is discussed; the two parts which the distribution of fatigue life shows, appear to correspond to two different mechanisms of failure.

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Zusammenfassung Es wurde ein Gerät entwickelt, in dem gleichzeitig 100 Fasern wiederholten Torsionsdeformationen unterworfen werden können. Als maßgebender Parameter für das Ermüdungsverhalten wurde die mittlere Ermüdungslebensdauer gewählt. Diese Größe wurde für mehrere verschiedeneVerformungsamplituden an Nylon, Dacron, Orlon, Viskose und Acetatseide bestimmt.Die Lebensdauervergleiche dieser Fasern wurden nicht nur für gleiche Verformungsamplituden vorgenommen, sondern auch für gleiches Verhältnis von Verformungsamplitude zu endgültiger Verformung, wie sie sich in einen einzigen Zyklus, der zum sofortigen Bruch führt, ergibt.Die Form der Kurven, die sich für Dacron ergeben, wird diskutiert. Die zwei Bereiche, die die Verteilung der Lebensdauer zeigt, scheinen verschiedenen Bruchmechanismen zu entsprechen.

     

Die Wechselwirkung zwischen Schwinger und Antrieb bei erzwungenen Schwingungen

de]Zusammenfassung Die bei erzwungenen Schwingungen mit Rückwirkung des Schwingers auf den Antrieb auftretenden Erscheinungen wurden untersucht. Dabei ergaben sich als wichtigste Eigenschaften:Bei einer mit der Drehzahl fallenden Momentenkennlinie, wie sie z. B. im Arbeitsbereich von Elektromotoren meist vorliegt, können unter den hier angegebenen Bedingungen beim Durchfahren der kritischen Drehzahl Amplituden- und Frequenzsprünge auftreten.Im Gebiet der Resonanz ergeben sich neuartige Bedingungen für die Stabilität von stationären Schwingungszuständen. Es wurde gezeigt, daß die Stabilität von der Neigung der Momentenkurve und vom Größenverhältnis von Motor und Schwinger abhängt. Die normierte Darstellung ermöglicht es, die Stabilitätsbedingungen für beliebige Schwinger des behandelten Typs rasch quantitativ zu berechnen.Die erhaltenen Ergebnisse haben unmittelbare praktische Bedeutung für Systeme, die im Resonanzgebiet arbeiten. Das ist z. B. bei Schwingsieben und Schwingförderrinnen der Fall. Auch beim Hochfahren und Anlaufen von überkritisch laufenden Maschinen können die hier beschriebenen Erscheinungen vorkommen und müssen gegebenenfalls berücksichtigt werden.     

Über den Einflu\ der Massenverteilung auf das nichtkonservative Knicken von Stäben

Übersicht Für das Knicken von Stäben mit nichtkonservativer Belastung spielt die Verteilung der Massen eine merkliche Rolle. Es läßt sich für das Beispiel des unten eingespannten Stabes zeigen, daß es für eine Zusatzmasse einen optimalen Ort auf der Stabachse und bei festgelegtem Ort eine optimale Größe gibt. Außerdem gibt es einen Größenbereich, in welchem die Zusatzmasse deutlich stabilisierend wirkt.Zusammenfassung Abschließend können die Untersuchungsergebnisse folgendermaßen zusammengefaßt werden: Bei nichtkonservativem Knicken des unten eingespannten Stabes infolge einer tangentialen Knicklast am oberen Stabende wirkt eine Zusatzmasse m im großen und ganzen stabilisierend, die mit ihr verknüpfte zusätzliche Gewichtskraft dagegen destabilisierend. Durch das Zusammenspiel dieser Wirkungen, die sich in Abhängigkeit von m verändern, ergeben sich nichttriviale Verhältnisse für optimale Größe und optimalen Ort der Zusatzmasse, die für den Konstrukteur. bedeutsam sind. Demnach gibt es für einen fest gewählten Stab bei festgelegtem Ort der Zusatzmasse für diese eine optimale Größe und bei festgelegter Größe der Zusatzmasse einen optimalen Ort. Ist hinsichtlich der Zusatzmasse nichts festgelegt, so hat man beides, Ort und Größe, optimal zu wählen.

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Summary The distribution of the mass is very important in stability theory of rods subjected to a non-conservative load. For the rod built in at its lower end, one is able to prove that there is an optimal point on the rod's axis, where an additional mass should be placed. If the place of the additional mass has been determined by some other reason, then there is an optimal value for this additional mass. Besides there is a range of values for which the additional mass has a stabilizing effect.

     

Geometrically nonlinear behavior of initially curved plane slender bars and frames

Summary Field equations for the geometrically nonlinear behavior of initially curved plane slender bars and frames comprising such bars are presented. Formulation originates from Continuum Solid Mechanics, allowing for exact expressions of axial deformation and curvature to be accounted for and unrestricted finite displacements to be considered within accepted assumptions regarding slenderness. Equilibrium equations are derived in terms of the curvature and displacements, in the form of second order nonlinear polynomial differential equations, governing the nonlinear behavior of the single bar. These equations combined with joint force and compatibility equations yield a system representing the nonlinear behavior of a complete plane frame.

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Übersicht Es werden Feldgleichungen für das geometrisch nichtlineare Verhalten von vorgekrümmten ebenen schlanken Balken sowie von Rahmen aus derartigen Balken abgeleitet. Mit Hilfe der in der Kontinuumsmechanik fester Körper gebräuchlichen Formulierungen lassen sich exakte Ausdrücke für die achsiale Verformung und Krümmung sowie für unbeschränkte Verschiebungen finden. Dabei müssen gewisse Annahmen in bezug auf die Schlankheit vorausgesetzt werden. Die Gleichgewichtsbedingungen werden durch Krümmung und Verschiebung ausgedrückt, durch eine Polynom-Differentialgleichung zweiter Ordnung wird das nichtlineare Verhalten des einzelnen Balkens beschrieben. Diese Gleichungen bestimmen zusammen mit den Kraft- und Verträglichkeits-Bedingungen das nichtlineare Verhalten des gesamten ebenen Rahmens.

     

Das Kriechverhalten von gefrorenem Lockergestein im Zusammenhang mit der bautechnischen Anwendung des Gefrierverfahrens

Zusammenfassung Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen, die durch die Ausarbeitung eines Gutachtens über die Anwendbarkeit des Gefrierverfahrens bei einem konkreten Bauvorhaben veranlaßt waren, konnte kurz auf die mechanischen und hydromechanischen Vorgänge bei der Frostkörperbildung eingegangen und der Einfluß des Gefrier-Tau-Wechsels auf die Bodeneigenschaften besprochen werden. Es wurde weiterhin dargelegt, daß als Voraussetzung für die richtige Beurteilung der Standsicherheit eines belasteten Frostkörpers einmal die Kenntnis der zeitabhängigen Bruchfestigkeit des gefrorenen Lockergesteins anzusehen ist und zum anderen der Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Verformung im Frostkörper bekannt sein muß. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Durchführung von Kriechversuchen, für die zur Erfassung des Spannungszustandes eine triaxiale Versuchseinrichtung gewählt werden sollte.

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Summary The mechanical and hydromechanical reactions in application of the artificial soil freezing and the influences of the change from freezing to thawing in view to the soil properties were discussed. Then it was shown, that for determination of the stability of any loaded frozen soil sphere in construction, it is necessary to know the time-depended strength of the frozen soil and the relation between stress and strain of the frozen soil. Therefore the creep of frozen soil has to be studied by triaxial tests.

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Erweiterte Fassung eines auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft am 8. April 1965 in Bad Nauheim gehaltenen Vortrages.

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Der Verfasser ist seinen Kollegen in der Abteilung Geotechnik des Bayerischen Geologischen Landesamtes für wertvolle Diskussionen zu Dank verpflichtet.     

Zur zyklischen elasto-plastischen Torsion des Kreiszylinders bei endlichen Verzerrungen

Übersicht Es werden die Grundgleichungen für die elasto-plastische Torsion kreiszylindrischer Körper bei endlichen Verzerrungen aufgestellt und für die zyklische Torsion eines Vollzylinders konstanter Länge näherungsweise gelöst. Für die Spannungsverteilung über den Querschnitt in Abhängigkeit von der Zyklenzahl werden geschlossene Formeln angegeben. Als Stoffgesetz für die plastischen Deformationen wird die Theorie des plastischen Potentials mit der Fließbedingung nach Huber-Mises-Hencky bei isotroper, linearer Werkstoffverfestigung zu Grunde gelegt. Bei der Berücksichtigung des elastischen Anteils der Deformationsgeschwindigkeiten ergibt sich ein Poynting-Effekt, der sich durch Druckspannungen in Achsrichtung äußert.

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Summary The basic equations for the elastic-plastic torsion of cylindrical bodies in the case of finite deformations are stated and are approximately solved for the cyclic torsion of a cylinder of constant length. Formulae are given for the stress distribution of the section depending on the number of cycles. Taking into account the elastic part of the rate of deformation a Poynting effect is obtained which causes axial pressure.

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Die vorliegende Arbeit entstand während eines Studienaufenthaltes des erstgenannten Verfassers am Institut für Mechanik der Ruhr-Universität Bochum. Herrn Professor Dr.-Ing. Th. Lehmann sowie dem Deutschen Akademischen Austauschdienst sei für die Ermöglichung dieses Aufenthaltes herzlich gedankt.     

Zur Dynamik einer unendlichen Platte auf dem Halbraum-Fundamentnachgiebigkeit und Wellenfeld bei harmonischer Punktlast

Übersicht Es wird das System einer unendlich ausgedehnten Platte auf einem homogenen Halbraum bei Anregung durch eine vertikale harmonische Punktlast untersucht. Die lösung für die vertikalen Verschiebungen der Platte und der Halbraumoberfläche läßt sich explizit als Fourierintegral über die Wellenzahl angeben. Die Polstellen des Integranden geben Auskunft über die Wellengeschwindigkeiten und Dämpfungen der freien Wellen des Systems. Für die Verschiebungen des Lastangriffspunktes läßt sich das Integral zum Teil geschlossen lösen, und man erhält die statische Nachgiebigkeit, sowie eine mittelfrequente und eine hochfrequente Asymptote. Für die allgemeine Lösung am Lastangriffspunkt und für das Wellenfeld wird das Integral numerisch ausgewertet.Es zeigt sich, daß das System Platte auf Halbraum sich bei tiefen Frequenzen dem Halbraum und bei hohen Frequenzen der Platte annähert. Dies gilt für die Wellengeschwindigkeiten und für das Wellenfeld. Die Nachgiebigkeit am Lastangriffspunkt ist hingegen schon bei der statischen Lösung von der Plattensteifigkeit mit beeinflußt. Der mittelfrequente Bereich ist stark von der Wechselwirkung zwischen Platte und Halbraum geprägt. Durch die Abstrahlung von Wellen ins Innere der Halbraumes ergibt sich eine starke Dämpfung der Oberflächenwellen mit einer entsprechend starken Amplitudenabnahme über die Entfernung. Am Lastangriffspunkt ergibt sich eine charakteristische Asymptote für die Nachgiebigkeit vonu/p (i )^1/2. Diese mittelfrequenten Wechselwirkungsphänomene sind besonders bei «leichten» Platten stark ausgeprägt. Als maßgeblicher Frequenzparameter erweist sich eine auf die Scherwellenlänge des Halbraumes bezogene elastische Länge 1.

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Dynamic interaction of an inifinite plate and a half-space due to a harmonic point load

Summary An infinite plate resting on a homogeneous half-space is considered under a vertical harmonic point-load. The solution of the vertical displacements of the plate are given as a Fourier integral in wavenumber domain. The wave speed and the damping of free waves, the complicance function at the loading point and the wave field at certain frequencies are presented. The results show that there are three different ranges of frequencies: at low frequencies the plate on half-space is dominated by the half-space, at high frequencies the system behaves like a plate without half-space. The intermdiate range of frequencies is strongly influenced by the interaction of the plate and the halfspace. The surface waves of the half-space are scattered into the half-space by the flexural stiffness of the plate. Therefore there is a strong damping of free waves, a corresponding strong decay of the amplitudes with distance, and a characteristic compliance at the loading point ofu/p (i )^–1/2.

     

Investigation of the deformation and the stability of geometrically nonlinear beams

Summary The deformation and the stability of a geometrically nonlinear cantilever beam is investigated by using the concept of the deformation map, see Shilkrut [1,2]. The beam is loaded by two forces, a bending moment at its free end and a uniformly distributed load acting normally along the undeformed axis. The equilibrium differential equations for the above mentioned problem were derived by Reissner [3]. In order to create a deformation map, it is necessary to convert the boundary value problem into an initial value problem. Then the fourth order Runge-Kutta (R. K.) method can be used to solve numerically the system of equilibrium equations for the cantilever beam. The aim of this paper is to present new results for the above mentioned problem.

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Verformung und Stabilität von Balken unter Berücksichtigung der geometrischen Nichtlinearität

Übersicht Verformung und Stabilität eines Kragbalkens unter Berücksichtigung der geometrischen Nichtlinearität werden mit Hilfe des deformation map-Konzeptes (Shilkrut [1, 2]) untersucht. Der Balken wird an seinem freien Ende durch ein Biegemoment und zwei Einzelkräfte sowie durch eine gleichmäßig verteilte senkrechte Last entlang der unverformten Achse belastet. Die Gleichgewichtsbedingungen für dieses Problem wurden von Reissner [3] formuliert. Für die Definition einer deformation map ist die Umformung des Randwertproblems in ein Anfangswertproblem erforderlich. Das Runge-Kutta-(R. K.-) Verfahren vierter Ordnung kann dann zur numerischen Lösung des Systems der Gleichgewichts-bedingungen herangezogen werden. Ziel dieser Veröffentlichung ist es, neue Resultate für das erwähnte Problem vorzustellen.

     

Non-similar solutions of free convection flow over a vertical frustum of a cone for constant wall temperature

Summary The laminar free convection flow and heat transfer over a vertical frustum of a cone is studied. The governing boundary layer equations are solved using local non-similarity method for constant wall temperature case. Local similarity and the local non-similarity two- and three-equation models are constructed and the resulting equations are solved numerically. Results obtained from two- and three-equation models are in good agreement. The numerical values of the flow and temperature functions required to calculate the surface skin friction and heat transfer rate have been reported for various values of Prandtl numbers.

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Nichtähnlichkeits-Lösnngen für die freie Konvektionsströmung an einem vertikalen Kegelstumpf bei konstanter Wandtemperatur

Übersicht Untersucht wird die laminare freie Konvektionsströmung und der Wärmeübergang an einem vertikalen Kegelstumpf. Zur Lösung der zugehörigen Grenzschichtgleichungen im Fall konstanter Wandtemperatur werden die Modelle der lokalen Ähnlichkeit und der lokalen Nichtähnlichkeit mit zwei bzw. drei Gleichungen eingeführt und die sich ergebenden Gleichungen numerisch gelöst. Die Lösungen nach den Modellen mit zwei und drei Gleichungen passen gut zusammen. Die Zahlenwerte von Strom- und Temperaturfunktionen, die für die Berechnung der Wandschubspannung und der Wärmeübergangsrate benötigt werden, sind für verschiedene Werte der Prandtl-Zahl angegeben.

     

Über Effekte zweiter Ordnung bei Biegung und Torsion dünnwandiger Rohre elliptischen Querschnitts

Zusammenfassung Mittels einfacher Gleichgewichtsbetrachtungen wird gezeigt, daÜ bei der Biegung eines dünnwandigen Rohres von elliptischem Querschnitt neben den Längsspannungen der elementaren Biegungstheorie auch Biegungsspannungen auftreten, deren EinfluÜ bei geringer Wandstärke im Vergleich zu den Ellipsenachsen nicht zu vernachlässigen ist, vor allem wegen der Verformung des Querschnitts, den sie zur Folge haben. Diese Abplattung der Ellipse wird mit Hilfe des Castiglianoschen Satzes berechnet. Bei den zusätzlichen Biegungsspannungen und der zugeordneten Deformation handelt es sich um Effekte zweiter Ordnung, die eine Verminderung der Sicherheit gegen Einbeulen der Rohre verursachen. Entsprechende Betrachtungen werden für die Torsion angestellt, wobei gleichartige Ergebnisse erzielt werden. Die Aussage über die Herabsetzung der Instabilitätsgrenze ist nur qualitativer Art. Es wird eine einfache Anwendung auf das Bourdonsche Manometer gebracht und dabei die Erklärung der Tatsache gegeben, daÜ eine Röhrenfeder in den Endpunkten der groÜen Achse ihres Querschnittes zuerst aufreiÜt.Der Verfasser dankt Herrn Prof.L. Föppl für die Anregung dieser Arbeit, sowie für die überlassung der Gleichungen (25), (27), (36) aus unveröffentlichten Arbeiten.     

Zur Theorie von Auskühlungs- und Anheizungsvorgängen

Zusammenfassung Nach der Methode der Quellpunkte werden zunächst an Hand einfacher Beispiele neuartige Lösungen für Temperaturausgleichsvorgänge in ebenen, gleichförmigen Platten von endlicher Dicke in Form von unendlichen Reihen entwickelt. Diese weisen im Gegensatz zu der bisher üblichen Darstellung, der Entwicklung nach Fourierreihen, zu Beginn des Ausgleichsvorganges sehr gute Konvergenz auf; dafür wird diese aber mit fortschreitender Zeit immer ungünstiger. Beide Lösungsformen ergänzen sich also gegenseitig und können daher zweckmä\ig nebeneinander verwendet werden. Um aber auch die hier gefundenen Lösungen für beliebig späte Zeitpunkte verwendbar zu machen, wurde ein einfaches Verfahren zur Entwicklung von praktischen Näherungslösungen für schlecht konvergente, unendliche Reihen abgeleitet. Dieses liefert dabei am Anfang des Vorganges sowie für genügend gro\e Werte der Zeit sehr genaue Ergebnisse und ergibt für mittlere Zeitpunkte einen beliebig klein zu haltenden Grö\twert des Fehlers. Weiterhin werden dann exakte Lösungen für Körper entwickelt, die aus planparallelen Schichten bestehen. Für ebene Grundfelder erweist sich hierbei die Auffassung als vorteilhaft, da\ diese an der ebenen Grenzfläche zweier Stoffe teilweise reflektiert werden. Die Reflexionszahl ergibt sich dabei nach den gleichen Gesetzen wie für periodisch veränderliche Vorgänge. Die Ergebnisse dieser Betrachtungen werden auch auf den Wärmeübergang angewendet. Dabei zeigt sich, da\ für die vorliegenden nichtstationären Vorgänge auch das anfängliche Temperaturfeld in der Grenzschicht von Bedeutung sein kann. Schlie\lich werden noch die Gleichungen der Grundfelder für eine Reihe von Wärmequellen der verschiedensten Formen entwickelt, so z. B. für die Kugel- und Zylinderflächenquelle (diese dabei für endliche und unendliche Zylinderlänge), die Raumquelle in Form eines Quaders und die Kreis-Linienquelle.     

Elastischer Halbraum mit unendlich langein Biegeträger

Übersicht Das Zusammenwirken von Biegeträger und Halbraum wird mit Hilfe der Fouriertransformation untersucht. Eine sin- oder cos-förmige Streifenlast ruft sowohl am Träger wie auch auf der Oberfläche des elastischen Halbraumes eine in Trägerlängsrichtung sinoder cos-förmige Verformung hervor. Wenn durch Auswertung der Einflußfläche für die Durchsenkung der Halbraumoberfläche der Zusammenhang zwischen Last- und Verformungsamplitude gewonnen ist, kann das Zusammenwirken von Träger und Halbraum für sinoder cos-förmige Streifenlast und mit der Pouriertransformation auch für andere Lasten angegeben werden.

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Elastic beam supported on an elastic half space

Summary This work ist directed toward the Fourier transform solution for the problem of the interaction between an elastic beam and an supporting elastic half space. A spatial harmonic load is applied along the longitudinal axis of an elastic beam. This results in a harmonic beam deflection, which in turn introduces a harmonic load in the elastic half space. In this manner it ist possible to relate the resulting half space deflections to the applied loads, and to resolve the applied load to beam and half space proportions. Comparison is made between this solution and the conventional solution of a beam resting on an elastic foundation.

     

An incremental theory of large strain and large displacement problems and its finite element formulation

Summary This paper is concerned with the development of an incremental finite'element theory for the large strain and the large displacement problems, referred to the current configuration of the body. Using the convected coordinate system which is embedded in the body, the incremental representations of strain and stress tensors and the energy relations are presented, and then the general procedure to construct the so-called element stiffness matrix in incremental form is considered. The finite element formulation is developed for a typical constitutive relation and it is shown that some correction matrices, some of which have been omitted in the previous works, are to be added to the element stiffness matrix. Finally the method to assemble the equations of the element to the global system is discussed and a simple finite element model satisfying the compatibility condition is presented.The finite element theory developed in this paper is able to be extended to the problems for the general thermodynamical process of a broad class of nonlinear materials.

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Übersicht Mit Hilfe der Methode der finiten Elemente wird eineZuwachstheorie zurBehandlung von Problemen mit endlicher Verformung abgeleitet. Dabei wird ein im Körper eingebettetes, der momentanen Form angepaßtes Bezugssystem verwendet. Es werden Ausdrücke für die Energie sowie für die Änderungen der Spannungs- und Verformungs-Tensoren abgeleitet und es wird ein Verfahren zur Konstruktion der Steifigkeitsmatrix für ein Element angegeben. Ein typisches Stoffgesetz wird dabei zugrundegelegt. Dabei zeigt es sich, daß einige in früheren Arbeiten vernachlässigte Korrektur-Matrizen zu der Steifigkeits-Matrix des Elementes hinzugefügt werden müssen. Die Möglichkeiten der Zusammenfassung der für die Elemente geltenden Gleichungen zu einem globalen Gleichungssystem werden diskutiert und es wird ein den Verträglichkeitsbedingungen genügendes Elemente-Modell angegeben.Das angegebene Verfahren kann für allgemeine thermodynamische Prozesse in einer breiten Klasse nichtlinearer Materialien erweitert werden.

     

Torsion problem of composite bars with L- or cruciform sections

Summary This paper deals with the torsion problem of composite bars with L- or cruciform section. Using the function which is the conjugate harmonic function to the warping function of the torsion problem, the governing equation for the torsion problem is obtainable. The problem can be easily solved by using a partitioning plan and the series solution of Dirichlet's problem of the Laplace equation on the rectangle. Two examples with numerically calculated results of the torsional rigidity are presented for exemplification.

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Das Torsionsproblem von Stäben aus Verbundwerkstoff mit L- oder kreuzförmigem Querschnitt

Übersicht Gegenstand der Untersuchung ist das Torsionsproblem von Stäben aus Verbundwerkstoff mit L- oder kreuzförmigem Querschnitt. Mit der Funktion, die konjugiert harmonisch zur Wölbfunktion ist, läßt sich die Grundgleichung für das Torsionsproblem gewinnen. Mit einem Unterteilungsplan und der Reihenlösung des Dirichletschen Problems der Laplace-Gleichung über einem Rechteck läßt sich die gestellte Aufgabe leicht lösen. Zwei Beispiele mit numerischen Ergebnissen für die Torsionssteifigkeit werden exemplarisch vorgestellt.

     

Suboptimale Regelung der Bewegung eines elastischen Rotorblattes für Hubschrauber im Schnellflug

Übersicht Bei hohen Fluggeschwindigkeiten und entlastetem Rotor ist die Blattbewegung der Rotorblättern bei Schnellhubschraubern sehr böenempfindlich, während die Biegebelastung der einzelnen Blätter stark anwächst. Daher muß bei der Auslegung eines Reglers wenigstens die elastische Verformung des Blattes in Schlagrichtung mit berücksichtigt werden.Es wird eine vereinfachte Bewegungsgleichung für die Schlagbewegung unter Berücksichtigung von Biegung abgeleitet und mit Hilfe der Methode der Eigenfunktionen umgeformt. Damit läßt sich das Einschwingverhalten eines elastischen Rotorblattes mit Beeinflussung der Luftkräfte durch die Biegeverformungen berechnen. Für ein Differentialgleichungssystem 2. Ordnung mit zeitvariablen Koeffizienten, ein derartiger Gleichungstyp beschreibt auch die Bewegung eines starren Blattes im linearisierten Fall, wird ein suboptimaler Regler mit niedriger Autorität bestimmt. Als Funktional dient das quadratische Kriterium bei beschränkter Steuerung. Die Wirkung dieses Reglers im nichtlinearen Fall des starren und elastischen Blattes wird untersucht. Dabei bewirkt der Regler bei Vertikalböen von 10 m/s trotz sehr kleiner Steuerwinkel eine starke Reduzierung der Schlagbewegung und der Biegebelastung.

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Summary The motion of helicopter rotor blades in high speed flight is very sensitive to disturbing gusts, while the bending loads of the single blades highly increase. Therefore, in building up a controller, at least the flapwise bending distortion of the blades must be considered.A simplified equation of motion with flapwise bending is derived and transformed with the method of eigenfunctions. Thus it is possible to compute the transient response of an elastic rotorblade under the influence of aerodynamic loads with flapwise distortion. For the motion of a rigid rotorblade, in the linearized case being described by a differential equation of 2. order with time-varying coefficients, a suboptimal controller with low authority and bounded control is built up using a quadratic cost function. The controller's efficiency for the nonlinear case of rigid and elastical blades is investigated. Despite very small control angles and vertical gusts of 10 m/s the controller greatly decreases the flapping motion and the bending loads.

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Auszug aus einer von der Fakultät für Maschinenwesen und Elektrotechnik der Technischen Universität München genehmigten Dissertation [23]; Berichterstatter: Prof. Dr. K. Magnus und Dozent Dr.-Ing. R. Uhrig.     

Gleichungen für die dynamische Viskosität und die Wärmeleitfähigkeit von reinem fluidem Wasser

Zusammenfassung Methoden zum Aufstellen von Gleichungen für die dynamische Viskosität und die Wärmeleitfähigkeit reiner fluider Stoffe werden angegeben und ihre Brauchbarkeit wird bei H₂O nachgewiesen. Es ergibt sich nur jeweils eine Gleichung für die Berechnung der Transportgrößen, die allerdings die Variablen Temperatur und Dichte anstelle von Temperatur und Druck enthält, dafür aber das ganze Gas- und Flüssigkeitsgebiet erfaßt. Es werden neue Erkenntnisse über die prinzipielle Abhängigkeit der Transportgrößen von Temperatur und Dichte gewonnen.

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Equations for the dynamic viscosity and the thermal conductivity of pure fluid water substance

Methods for formulating equations for the dynamic viscosity and the thermal conductivity of pure fluid substances are given; their applicability is proved for H₂O. It is found that only one equation is needed to calculate the transport properties, which has the variables temperature and density instead of temperature and pressure, but covers the whole gaseous and liquid region. New knowledge of the principal dependence of the transport properties on temperature and density is attained.

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Über dieses Thema wurde am 6. 10. 1969 auf dem Thermodynamik-Kolloquium des VDI in Zürich berichtet.     

Unsteady compressible second-order boundary layers at the stagnation point of two-dimensional and axisymmetric bodies

The unsteady laminar compressible boundary-layer flow over two-dimensional and axisymmetric bodies at the stagnation point with mass transfer has been studied for all second-order boundary layer effects when the basic potential flow admits self-similarity. The solutions for the governing equations are obtained by using an implicit finite-difference scheme. Computations have been carried out for different values of the parameters characterizing the unsteadiness in the free stream velocity, wall temperature, mass transfer rate and variable gas properties. The results are found to be strongly affected by the unsteadiness in the free stream velocity. For large injection rates the second-order boundary layer effects may prevail over the first-order boundary layer, but reverse is true for suction. The wall temperature and the variation of the density-viscosity product across the boundary layer appreciably change the skin-friction and heat-transfer rates due to second-order boundary-layer effects.

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Instationäre kompressible Grenzschichten 2. Ordnung am Staupunkt von zweidimensionalen und achsensymmetrischen Körpern

Zusammenfassung Es wurde die instationäre, laminare, kompressible Grenzschichtströmung über einen zweidimensionalen achsensymmetrischen Körper am Staupunkt mit Stoffübergang für alle Grenzschichteffekte 2. Ordnung studiert, wenn die Potentialströmung in sich selbst ähnlich ist. Die Lösung für die grundlegenden Gleichungen wurden unter Anwendung einer impliziten finiten Differenzenmethode erzielt. Es wurden Rechnungen für verschiedene Werte von Parametern durchgeführt, welche die Unstetigkeit in der Freistrahlgeschwindigkeit, die Wandtemperatur, den Stofftransport und die veränderlichen Zustandsgrößen des Gases charakterisieren. Dabei wurde festgestellt, daß die Ergebnisse stark von der Unstetigkeit in der Geschwindigkeit des Freistrahles beeinflußt werden. Für große Zuströmraten können die Effekte 2. Ordnung in der Grenzschicht über die der 1. Ordnung überwiegen, aber das Gegenteil gilt für Absaugung. Die Wandtemperatur und das Dichte-Viskositätsprodukt über die Grenzschicht ändern die Wandreibung und den Wärmeübergang merklich wegen der Grenzschichteffekte 2. Ordnung.

     

Zur Frage der Flugleistungen von Drehflüglern

Zusammenfassung Die Glauertschen Gleichungen für die Luftkräfte auf schräg angeströmte Schrauben mit rechteckigen Blättern und mit Roll- und Längsmomentenausgleich durch periodische Blattverdrehung oder Schlagbewegung werden durch eine für das Ergebnis unwesentliche Näherungsannahme vereinfacht und dienen zur Erörterung der Besonderheiten von Hubschraubern, Flugschraubern und Tragschraubern. Für den Schnellflug- und Steigfluggütegrad werden Formeln aufgestellt an Hand deren sich der Einfluß von Leistungsbelastung, Flächenbelastung, Flächendichte, Drehzahl und schädlicher Restwiderstand auf die Flugleistungen leicht übersehen läßt und es werden mit Hilfe der gegebenen Methoden Beispiele für die Ermittlung der Flugleistungen von Drehflüglern gerechnet.