Материал: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

О

ПРЕДЕЛЕНИЕ

 

КОЭФФИЦИЕНТА

 

СТРУКТУРНОГО

 

ОСЛАБЛЕНИЯ

 

НА

 

ОСНОВЕ

 

ВЕРОЯТНОСТНО

-

СТАТИСТИЧЕСКИХ

 

МОДЕЛЕЙ

 

 

 

115

среде

; 

при

 

отсутствии

 

трещин

 (

ν→∞

) 

получим

 

выражение

 

для

 

дисперсии

 

опро

-

бования

 

монолитного

 

массива

: 

2

1

2

m

m

D

−

=

. 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент

 

вариации

 

обычного

 

опробования

  (

без

 

учета

 

нарушенных

 

образцов

) 

определяется

 

формулой

: 

1

m

D

=

η

.   

 

 

 

 

 

 

Введем

 

обозначение

  

k

k

k

m

m

A

1

/

=

, 

 

 

 

 

(5.34) 

тогда

 

1

2

2

1

2

1

2

2

−

=

−

=

A

m

m

m

η

,  

 

 

 

 

откуда

 

1

2

2

+

=

η

A

.  

 

 

 

 

 

 

Выражение

 (5.33) 

с

 

учетом

 

последнего

 

равенства

 

принимает

 

вид

: 

(

)

,

,

1

1

'

2

2

1

2

2

1

ν

ν

ν

ν

ν

A

f

m

A

m

D

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+

−

+

=

   (5.35) 

где

 

(

)

ν

,

2

A

f

 – 

функция

 

влияния

 

структурно

 - 

механических

 

неоднородностей

 

на

 

величину

 

дисперсии

. 

Для

 

идеальной

 

однородной

 

среды

 

2

A

=1

 , 

для

 

реальной

 

же

 

породной

 

среды

, 

как

 

показывает

 

анализ

, 

величина

 

2

A

 

составляет

 1,1-1,5. 

На

 

рис

. 5.7 

показаны

 

графики

 

функции

 

(

)

ν

,

2

A

f

 

в

 

зависимости

 

от

 

значений

 

2

A

 

и

 v

. 

Представленные

 

кривые

 

имеют

 

явно

 

выраженные

 

максимумы

. 

До

 

опре

-

деленного

 

значения

 

*

ν

ν

=

 

дисперсия

 

возрастает

, 

затем

 

плавно

 

снижается

 

по

 

мере

 

увеличения

 

расстояния

 

между

 

трещинами

. 

background image

Р

АЗДЕЛ

 

5 

 

 

116

Исследуем

 

функцию

 

(

)

ν

,

2

A

f

 

на

 

экстремум

 

и

 

полу

-

чим

 

то

 

предельное

 

значение

 

v*,

 

после

 

которого

 

в

 

породной

 

среде

 

наступают

 

значительные

 

качественные

 

изменения

: 

1

2

2

*

)

2

(

−

−

=

A

A

ν

. (5.36) 

При

 

*

ν

ν

<

 

среда

 

обладает

 

таким

 

высоким

 

уровнем

 

разру

-

шенности

, 

что

 

может

 

быть

 

приравнена

 

к

 

сыпучей

 

среде

 

с

 

некоторыми

 

усредненными

 

свойствами

. 

Дисперсия

 

такой

 

среды

, 

как

 

и

 

квазиоднородной

, 

близка

 

к

 

нулю

. 

По

 

сути

, 

выра

-

жение

 (5.36) 

определяет

 

границы

 

применимости

 

рассматриваемой

 

вероятност

-

но

-

статистической

 

модели

: 

графики

 

функции

 

(

)

ν

,

2

A

f

 

и

 

справа

 

и

 

слева

 

прибли

-

жаются

 

к

 

оси

 

абсцисс

.  

Из

 (5.33), 

с

 

учетом

 (5.34), 

получим

 

выражение

 

для

 

относительной

 

вариа

-

ции

 «

исправленного

» 

вариационного

 

ряда

, 

т

.

е

. 

для

 

вариации

 

прочности

 

струк

-

турно

 

неоднородного

 

массива

. 

В

 

предположении

, 

что

 

прочность

 

дефектных

 

элементов

 

равна

 

нулю

 

(

)

(

α

f

=0

) 

выражение

 

для

 

относительной

 

вариации

 

проч

-

ности

 

будет

 

иметь

 

вид

: 

(

)

1

1

1

1

2

0

2

/

1

/

/

−

+

+

=

−

+

=

=

η

ν

ν

η

т

т

l

l

l

A

m

D

.  

(5.37) 

В

 

таком

 

виде

 

коэффициент

 

вариации

 

отражает

 

не

 

только

 

внутреннюю

 

структурную

 

неоднородность

 

массива

, 

характеризуемую

 

вариацией

 

прочности

 

Рис

. 5.7. 

Изменение

 

дисперсии

 

выборки

, 

включающей

 

нарушенные

 

образцы

, 

в

 

зави

-

симости

 

от

 

расстояния

 

между

 

трещинами

 

и

 

вариации

 

реального

 

опробования

: 1, 2 , 3, 

4, 5, 6–  

при

 

А

2

=1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5  

со

-

ответственно

 

background image

О

ПРЕДЕЛЕНИЕ

 

КОЭФФИЦИЕНТА

 

СТРУКТУРНОГО

 

ОСЛАБЛЕНИЯ

 

НА

 

ОСНОВЕ

 

ВЕРОЯТНОСТНО

-

СТАТИСТИЧЕСКИХ

 

МОДЕЛЕЙ

 

 

 

117

при

 

обычном

 

опробовании

, 

но

 

и

 

механическое

 

его

 

ос

-

лабление

 

системами

 

тре

-

щин

.  

На

 

рис

. 5.8 

показаны

 

графики

 

значения

 

коэффи

-

циента

 

вариации

 

η

/

 

в

 

зави

-

симости

 

от

 

плотности

 

тре

-

щин

 

0

l

l

m

=

ν

 

и

 

степени

 

внут

-

ренней

 

неоднородности

 

по

-

родной

 

среды

, 

определяе

-

мой

 

параметром

 

1

2

2

+

=

η

A

.  

Если

 

полагать

, 

что

 

дефект

-

ные

 

элементы

 

все

-

таки

 

об

-

ладают

 

некоторой

 

прочно

-

стью

 

(

0

)

(

≠

α

f

) 

относи

-

тельная

 

вариация

 «

исправленного

» 

ряда

 

будет

 

определяться

 

выражением

: 

(

)

1

1

1

2

2

1

2

2

2

1

2

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

/

1

/

/

−

+

=

−

=

−

=

=

η

η

K

K

A

K

K

m

K

m

K

m

K

m

D

. (5.38) 

Исследуем

 

теперь

, 

как

 

влияет

 

наличие

 

нарушенных

 

элементов

 

в

 

выборке

  

на

 

вероятностное

 

распределение

 

прочности

 

структурных

 

элементов

. 

 

5.2.3. 

Влияние

 

наличия

 

в

 

выборке

 

элементов

, 

нарушенных

 

макроде

-

фектами

, 

на

 

вероятностное

 

распределение

 

прочности

 

структурных

 

элемен

-

тов

 

породного

 

массива

 

Выше

 

указывалось

, 

что

 

подбор

 

распределения

 

для

 

эмпирических

 

данных

 

может

 

быть

 

осуществлен

 

с

 

помощью

 

диаграммы

 

Пирсона

, 

на

 

которой

 

пред

-

Рис

. 5.8. 

Зависимость

 

коэффициента

 

ва

-

риации

 

трещиноватого

 

породного

 

массива

 

от

 

расстояния

 

между

 

трещинами

 

и

 

степе

-

ни

 

неоднородности

 

среды

 

в

 

предположении

, 

что

 

прочность

 

дефектных

 

элементов

 

равна

 

нулю

: 1, 2, 3, 4, 5 – 

при

 

1

2

2

+

=

η

A

=1,1; 1,2; 

1,3; 1,4; 1,5 

соответственно

 

background image

Р

АЗДЕЛ

 

5 

 

 

118

ставлены

 

теоретические

 

распределения

 

в

 

зависимости

 

от

 

характерных

 

для

 

них

 

значений

 

асимметрии

 

и

 

эксцесса

. 

Последние

 

определяются

 

центральными

 

мо

-

ментами

 

третьего

 

и

 

четвертого

 

порядков

  (

формулы

 (5.19)). 

В

 

свою

 

очередь

  

центральные

 

моменты

 

могут

 

быть

 

выражены

 

через

 

начальные

: 

2

1

2

2

m

m

−

=

μ

; 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

1

2

3

3

2

3

m

m

m

m

+

−

=

μ

; 

    (5.39) 

4

1

2

1

2

1

3

4

4

3

6

4

m

m

m

m

m

m

−

+

−

=

μ

. 

 

 

 

 

Для

 

нормального

 

распределения

 

все

 

начальные

 

моменты

 

нечетных

 

поряд

-

ков

 

равны

 

нулю

. 

Отсюда

 

получаются

 

известные

 

соотношения

 [84]: 

;

0

3

2

2

3

2

1

=

=

μ

μ

β

     (5.40) 

.

3

2

2

4

2

=

=

μ

μ

β

 

 

 

 

 

(5.41) 

Определим

 

из

 

этих

 

условий

, 

как

 

должны

 

соотноситься

 

между

 

собой

 

мо

-

менты

 

симметричного

  (

нормального

) 

распределения

. 

Из

 

второго

 

уравнения

 

(5.39) 

и

 

условия

 (5.40) 

получим

, 

что

 

0

2

3

3

1

1

2

3

3

=

+

−

=

m

m

m

m

μ

, 

    

или

 

2

3

2

1

2

3

1

3

−

=

m

m

m

m

.   

 

 

 

(5.42) 

Для

 

случая

, 

когда

 

0

1

≠

m

 

можно

 

использовать

 

обозначение

 (5.34) 

и

 

преоб

-

разовать

 (5.42) 

к

 

виду

: 

2

3

2

3

−

=

A

A

. 

 

 

 

 

(5.43) 

Из

 

третьего

 

уравнения

 (5.39) 

и

 

условия

 (5.41) 

получим

: 

.

3

3

6

4

2

1

2

4

1

2

1

2

1

3

4

2

2

4

2

=

−

−

+

−

=

=

m

m

m

m

m

m

m

m

μ

μ

β

  

(5.44) 

background image

О

ПРЕДЕЛЕНИЕ

 

КОЭФФИЦИЕНТА

 

СТРУКТУРНОГО

 

ОСЛАБЛЕНИЯ

 

НА

 

ОСНОВЕ

 

ВЕРОЯТНОСТНО

-

СТАТИСТИЧЕСКИХ

 

МОДЕЛЕЙ

 

 

 

119

При

 

0

1

≠

m

, 

вынося

 

общий

 

множитель

 

4

1

m

 

в

 

числителе

 

и

 

знаменателе

 

дро

-

би

 

и

 

используя

 (5.34), 

преобразуем

 

последнее

 

уравнение

 

к

 

виду

: 

3

)

1

(

3

6

4

2

2

2

3

4

=

−

−

+

−

A

A

A

A

,   

 

 

 

 

откуда

 

при

 

1

2

≠

A

, 

получим

:  

2

3

2

4

−

=

A

A

. 

 

 

 

 

(5.45) 

Уравнения

 (5.42), (5.44), 

либо

 

полученные

 

из

 

них

 (5.43) 

и

 (5.45), 

образуют

 

систему

, 

которой

 

должны

 

удовлетворять

 

моменты

 

распределения

 

для

 

того

, 

что

-

бы

 

оно

 

было

 

нормальным

.  

Например

, 

если

 

математическое

 

ожидание

 

нормального

 

распределения

 

равно

 

нулю

  (

0

1

=

m

), 

то

 

при

 

любом

 

значении

 

2

m

 

получим

, 

что

 

3

m

=

0

 , 

а

 

2

2

4

3

m

m

=

. 

Пусть

 

математическое

 

ожидание

 

отлично

 

от

 

нуля

, 

например

, 1

1

=

m

, 

и

 

из

-

вестно

, 

что

 

2

,

1

2

=

A

. 

Тогда

 

из

 (5.43) 

следует

, 

что

 

6

,

1

3

=

A

, 

а

 

из

 (5.42) 

32

,

2

4

=

A

.  

При

 

таких

 

значениях

 

моментов

 

распределение

 

обладает

 

асимметрией

 

и

 

эксцессом

, 

удовлетворяющими

 

уравнениям

 (5.40), (5.41), 

т

.

е

. 

является

 

нормаль

-

ным

. 

Проанализируем

, 

как

 

изменится

 

это

 

распределение

, 

если

 

будет

 

учтено

, 

что

 

в

 

статистическую

 

совокупность

, 

для

 

которой

 

оно

 

построено

, 

добавятся

 

эле

-

менты

 

со

 

значительно

 

меньшей

 

прочностью

. 

Как

 

было

 

показано

 

выше

, 

начальные

 

моменты

 

обычного

 

вариационного

 

ряда

 (

k

m

) 

и

 «

исправленного

» (

k

m

′

) 

связаны

 

соотношением

 (5.30).  

Тогда

 

выражения

 (5.39) 

для

 

центральных

 

моментов

 

примут

 

вид

 [233]: 

.

3

6

4

;

2

3

;

4

1

4

1

2

1

2

2

1

2

1

3

1

3

4

4

4

3

1

3

1

1

2

2

1

3

3

3

2

1

2

1

2

2

2

m

K

m

m

K

K

m

m

K

K

m

K

m

K

m

m

K

K

m

K

m

K

m

K

−

+

−

=

′

+

−

=

′

−

=

′

μ

μ

μ

 (5.46) 

Как

 

видим

 

присутствие

 

элементов

, 

нарушенных

 

макродефектами

, 

меняет

 

все

 

моменты

 

распределения

, 

в

 

том

 

числе

 

и

 

те

, 

которые

 

определяют

 

собой

 

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/15175