научная статья по теме АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛАСТИН С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ В ПРОСТРАНСТВЕННОМ ПОДХОДЕ Механика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛАСТИН С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ В ПРОСТРАНСТВЕННОМ ПОДХОДЕ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА <5 • 2008

УДК 539.3.534.1

© 2008 г. А.Г. БАГДОЕВ, А.В. ВАРДАНЯН

АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛАСТИН С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ В ПРОСТРАНСТВЕННОМ ПОДХОДЕ

Задача колебаний магнитоупругих ферромагнитных пластин в осреднен-ном подходе, т.е. на основе классической гипотезы Кирхгофа, изучена в [15]. В [6-10] рассмотрен новый пространственный подход, предложенный для упругих пластин в [11], для вывода дисперсионных соотношений магнитоупругих пластин. В [10] пространственным подходом получены частоты колебаний ферромагнитных пластин, причем для случая поперечного магнитного поля записаны уравнения возмущенного движения пластин с учетом начальных напряжений [5], [12], но без учета начальных деформаций. В [13, 14] рассмотрены вопросы колебаний электропроводящих пластин в магнитном поле.

В настоящей статье выведены асимптотические для малых магнитных полей и точные для произвольных магнитных полей дисперсионные уравнения в случае начальных деформаций и напряжений, связанных законом Гука. Проведены соответствующие численные расчеты.

1. Вывод дисперсионного соотношения в случае поперечного начального магнитного поля. Выберем ось х вдоль средней линии пластины, ось г в перпендикулярном к ней направлении. Границы невозмущеной пластины записываются в виде г = +Й/2. Вне

пластины имеется диэлектрик с магнитным полем Не). Поле в пластине обозначено через Н.

Начальное магнитное поле в пластине имеет вид Н°х = 0, Н0 = Н0, Н = Н0, а в ди-

тт0( е) г\ тт0( е) тт 1

электрике - Нх = 0, Нг = |Н0, где | - есть магнитная проницаемость % = || - 1.

Левые части уравнений движения в пластине имеют вид [5]:

дй; \ д

д xk \°ik + °kmd x„ ) д Xi

д ü; д Ы;

f -л -л H\

;

°;k + О

V

°;k + °kmдX- + °kmдX-

(1.1)

где по повторяющимся индексам проводится суммирование от 1 до 2, и в правой части введены возмущения ал, ди/дхк согласно

= + д иг Iд Хт = д иН/ д Хт + Хт С1.2)

Индекс Н соответствует начальным величинам, произведенным магнитным полем Н0. Обозначим магнитное поле в пластине Н'х = Нх, Н'г = Н0 + Нг.

Пусть П есть компоненты тензора Максвелла в пластине, П^ - соответствующие величины в диэлектрике. Тогда можно записать [5]:

П^ = Цо(ЦН\Нк - Я'25^/2), Н0е) = цНо, П^ = -цН^/2

< = 0, пн = Ц0(ЦН20- н\/2)

ПН( е) = -Цо н0е) 2/2, е) = 0 .

ПгЯг( е) = Ц0 Н0е) 2/2, о^ = 0, огЯг = Ц0(Ц -1 )2 Н0/2

где ц0 есть магнитная постоянная. В последних двух соотношениях использованы граничные условия для начального состояния

т-тН „Н( е) Н „Н „Н( е) ,л

V + Пхг = , огг + Пгг = П^ (1.4)

Кроме того определяется согласно закону Гука [12]:

о^ = Коя, К = 1-2 Ь2/а2, ди^д г = оя/р0а2 (1.5)

где а и Ь - скорости упругих волн и сделано естественное предположение иН = 0. Уравнения движения в пластине согласно (1.1) имеют вид [5]:

дохх , дохг + оН д2их + 2оН д2 их + оНд2их + ц Н (дкх Э +

■ + оXX-Т + 20хг:ГЗ- + 0ггТГ + Ц0Н0[ 37 - 37 +

Эх Эг хх эх2 хгдXЭг гг дг2 [дг дх)

дкх д2их

+ ц0% Н0 аг: = р0 -т

дохг дОгг^Л 1 Н^ Н ^иг 0 Н ^иг Н^иг г + 1 +-+ О„-т + 2 о„ =-—=т- + о„ —4 +

(1.6)

_ . _ .. . . _ о I . о _ . 2 о _ . о__+

дх д г )[ р 0а2 гг) хх дх2 хгдхд г гг д г2

дкг д2иг

+ц0% Н0 эг- = р0 -2-

где р0 - плотность. В (1.6) следует подставить закон Гука. Кроме того, имеются уравнения электромагнитной индукции

дк д у-т ,

ду = дЦ ГОК ихН0) + V,,

22

д2 к + д2 к д х2 д г2

(1.7)

где В0 = ц0цН0, Ь1 = Ц0Цк, V, = 1/ц0оц - магнитная вязкость.

Решение уравнений ищется в виде квазимонохроматической волны

их, г = 1/2 их, г(г) е(кх - ш) + к.с., кх, г = 1/2Н0Нх, г(г) е(кх - ш) + к.с. (1.8)

где к.с. комплексно сопряженное выражение. Тогда из (1.6), (1.7) получаются уравнения

Ъ d2Ux 2 ы2 ;rdUz 1 а1 2„,2тг

-т - k Ux +-I Ux + k —ZX Kk Ux +

a

a dz 22

dz 2a2

1 ai 2d Ux ai fdHx aidHx

- —x —r- = - —I —--ikHzj - X^^

+ O -X

2a2 dz2 a2V dz zy a2 dz

- iraHx + vmk2Hx - vmd2Hx/dz2 = -mdUJdz

- iюHz + vmk2Hz - vmd2Hx/dz2 = -k® Ux

(1.9)

.,Z dUx k "¡fe

2

! a1 2

1 + —2 X

2a2

d U

dz2

2

Л a1 2

1 + —5 X

2a2

y U.Í, y y

22

- ^ k2Uz a

2

! a1 2 1 + —2 X

V 2a У

2

Шт-r 1И1 2 m 2 TT 11 ^ z ^ ^ z v л U 2

+ -Uz -.j-2X Kk Uz + '"""""гX -f = -X-1--Ü7; Z = 1-- a2 =

a a a dz a

2

ю\г 1 a2_2^,_2rr . 1 a2 _2d^Uz _a!dHz r , b¿ j ЦоH

.2" иг

= -х7' ^ = 1-~ "1 = " о

а "г а Ро

Для поперечного магнитного поля, следуя упругому случаю [11], имеем [6-8]:

Нх = С. еЬу^г, Нг = Dj V .г, их = и1 = А. еЬу^г

где проводится суммирование по ] от 1 до 3.

Из (1.9), (1.10) получаются соотношения для постоянных

(1.10)

IWV; ®k 2 2

C; = —^Bj, Dj = -—Bj, X; = - i® + k vm - vjvm

-} Xjj' j Xjj' j

B

2 2 2 2 2 2 2 Ъ v; 2 ю2 2 ai 2 2 a1 2 a!i®v

22 ,2 Ю 2 a1 2 21 2

- k + 2 - X — Kk + X —v j -

a 2a

o 2 j 2 X 2a a y

+B

2 2 2 2 a-irak-í a -1 ®v

- X . - X - X- .

a X j a X j

+ ikZvjAj = 0

(1.11)

ikty ¡В-

2

2 a1

1 + X — 2a2

+A

2

2 a1

1 + X

2a

2

Ъ2

2k

a

2

2 a1

1 + X

2a

2

ю + ----2--

a

/

2

+Aj

2

2 a1 2 2 a1 2 - X —Kk + x —v j

2a 2a j

a, ®k

- x4v-хB¡ = 0, j = !'23

Из (1.11) получатся уравнения для V.:

2 j

V V

v

2

т 2 a1

1+ X —

2a2

2

Ъ2

--1k a

f

2 Л

2 a1 1 + X — 2a2

V

2 2 2 ю 2 a1 2 a1 2 2

+ -~1- X —Kk + — X v j

a 2a 2a

/9 2 2 2 2 , 2 2 2\

Ъ 2 ,2 Ю2 2 a1 a1 2 2 v j -k +v jX a1

---2 V j - k + —- X —5 Kk +—2 XV j + j j

a

a

2a

2a

22

1- (k - v j) / 0 a

2

(1.12)

22 + z k v¡

2 \

1 + X

2a2

2 a1

1

X 2 2 2 a 1- (k - v2)/0y

x

Для малых а1 /а2:

2 0 Л 2 2 0 л 2 0 ,2 2,2 0 ,2 2,,

V! = V! + а1, V2 = V2 + Л2а2, V! = к - ю /а , V2 = к - ю /Ь

2 2,2

,2 2,,2

= X2

2^

К 2 ,2 Ю

2к - к + ~

а

1 - ю2/а2 0

Л2 = 2

2 2Ь2

„,2 Ю 1-.2

Кк + — - ;к

2

2ю к —-_

1 + X

1- ю2/(Ь20)

(1.13)

22

1 к: ^э = к С - 0 + X (к - 0 ) а-1 - -------0------- = ----------------------0---------------------- Ь2

В последнем уравнении (1.13) использована малость а1 и ю. Из (1.11) с учетом (1.13) имеем

А = В^

А1 = - ¡к

- 1 -

2

а1 2

_ X + ■

1 + X

2а" С а"С 1- ю2/(а20)

V

А2 =

-В----2--к--

IV-,

1+

22

2

2 ___ 2Х

Са21- ю2/(Ь20) а2С2а

(1.14)

¡А

э = к + Ь к

0

В 0 2 0 . 2 *. г. ,.2

Вэ vэ а vэк С, - 0 + Х(к - 0)

Граничные условия между пластиной и диэлектриком дают

о5п = - Пот, опп = ПП - Ппп (1.15)

где х, п выбраны вдоль касательной и нормали к пластине. В первом приближении

тн П н ) ди

" (1.16)

ос

. Н Н, диг т-г охг + (огг - охх)др П

Пхг+(Пгг - п хх) -д х

опп = огг -2оНгдиг/дх, Ппп = Пгг -2пНгдиг/дх

Граничные условия (1.15), (1.16) ставятся на поверхности пластины г = к/2:

2

йиг 2 а1

—* + Шг = -( 1- К)хф¡киг

iкВ;

(1.17)

9 9 о

1- (к2- v2)/0 а2

2а1 к X V12 = 0

Третье граничное условие получается из соотношений [8]: , , (e) дигТт Аe) , , (e) дФ

кх = К + X ¿Н кг = ц кг; кх = -¿■^хг

к(7е) = дФ/дг, д2 Ф / д х2 + д2 Ф/дг2 = 0

2

2

огг +

Записывая Ф = Ф(е)е'(кх юу)/2 + к.с., Ф(е) = /е к(г к/2) можно получить при г = к/2:

Нх = - ¡к/ + X ¡ки1, -к/ = ц Нг и исключая к/ и используя (1.10) получить

¡С} сЬ V1к- ц V1 к + kх А сЬ V12 = 0

где по 1 суммируется от 1 до 3.

Окончательные граничные условия при г = к/2, имеют вид

iBj

1- (k2 - v2) / 9

(v j ch v j h + ^ sh v j h] + k x Aj ch v j h = 0

(1.18)

Bv jch v J + ikAJch v jh+(1 - K )x22ai Ajch v 2 = 0

Ajv jsh v j 2

2

Л a1 2 2 a

+ ik

2

1-

2b_

2

a

2

! a1 2

1 + —^ x

2a2

(1.19)

x Bjsh v j - +

ikBj 2 a1 , h „

-— X -sh v j 2 = 0

1- (k- v2)/9 a2 J 2

2 2 2

Здесь в основных порядках множитель 1 + а1 х2/2a2 отбрасывается. Равенство нулю детерминанта запишем в виде

01

X1 X2

1- (k2- vs2)/9

v3ch v3h- + k|j. sh v3hj

v3ch V32- + i^ ch V3^

A3 h

X3 X4 B V3sh V3¿ + k

1-

2 b

2

/

sh v3h + A,

(1.20)

Qj

1- ю2/(a29)

h

h 1 a1 2

h

v:chv 1 ^ + kцshv^ + 2k^^X hchv^ ) + kx

B

q2 =

1- ю2/(b29)

v2chv2h- + kцshv2h- + 1k^^x2hchv2h- ] + kxA

22 2 a

* = x2

(k9b2) / a2

h

,2 n .

■sh v

(1.21)

Ск - 0 + х(к - 0)

Значения XI, 2, 3, 4 следуют из уравнений (1.20). Обозначая через х°, 2, э,4 значения х1 2 3 4 при а1 = 0, получим

2

о о о о _ b h

x1x4 - x2x3 = 2¡-

2 a k

4 ,2 2 ^ Ю h ,4Ю z

k ,2z

где использовано, что кк < 1.

6 Механика твердого тела, № 5

145

0

Столбцы в (1.21) можно поделить на еЬVI 2 3 к/2 соответственно, и при вычислении

2

членов с а1 в 2, 3, 4 заменить ШV! 2 к/2 ~ V!, 2к/2, тогда получится

Х1 = V1+ V1

1 + -101 х2 " 1 1 + X

2 с а2 а2С 1- ю2/ (а20)

1 - К 2 2 О + —г а1 X V 2Ь

Х2 = + -

VI

2

а1 1 + 1

_ £_ 2 2,.,2„' - 2~ 2Х

а С1- ю2/ (Ь 0) С а 2а

2 2 2 ^ 1- К 2 2 к

+ Т7Т а1 X -

у 2Ь v2

Хз =

2^

1 -2Ь_ 1 2

а

2

а1 2 1 + —2 X

к. V + V1кkk■

2

1 а1 2 1 + 2- X

2 а

-1-

22 1 а1 2 а1 1 + X --; X +---

2£а2 а2^ 1- ю2/ (а20)J 12 1- ю2/(а20)а2

к

+ V -■ к -

X4 = ^222к ~2

2

л а1 2 1 + —5 X

/

+ V

к I а1

22 [ а2С 1- ю2/(Ь20) а2С2а2

2 2 2 а1 Ь 2, , 2 а1 + ---Я X к + к X

а21- ю2/( Ь20)

Вычисление XlX4 - X2X3 с удерживанием величин основного порядка по а2 дает

Х4Х4 - X2Х-3

Ь к

( 4 ,2.4 2 ^

ю к к ю

ю2а?кк^ ■ '-2/~2

22 аЬ

2 а2 к 1 + Ь2/а

2 С

Ь4 3 Ь2 + X

22

Ь2 к2 С +

2 Са

20

(1.22)

ю2 а^к^2

2 2 2

аЬ

з„ л\ л 3Ь2 3 Ь2 Ь4 Ь6 - -■ К + 2— С - 1 + -- -—-;— + -- + --

, 2 0 2а2 2 с а2 2 а4 2Са6.

Следует отметить, что учет геометрических членов в уравнениях (1.1) и в граничных условиях внес поправку только в уравнениях (1.22) в коэффиценте при X2.

Аналогично [10] можно показать, что в остальных слагаемых в (1.20) следует полагать а2 = 0. Дисперсионное соотношение для рассматриваемой задачи имеет вид

2 2 л

ю = ю00-2а1к

22 1 + Ь / а

2

+ X

2

Ьк — + С 0

2Са

-2 а? к2 Д

2 ^з К 2к- г -1 зЬ ь--1ь2 Ь. л

-2-К + (0 ^ - 2а2 + 2Са6_2Са2 + 2а4

2

+

+

Таблица 1

a/k 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 0.00272166 0.00544331 0.00816497 0.0108866 0.0136083

1/1000 0.0023425 0.005125 0.0056321 0.0068732 0.0074235

1/100 0.00001232 0.000019 0.00002215 0.0000321 0.0000423

Таблица 2

a/k 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 0.00272166 0.00544331 0.00816497 0.0108866 0.0136083

1/1000 0.1523345 0.1595623 0.16475457 0.1735478 0.1765798

1/100 1.4243576 1.4965789 1.55472645 1.6021789 1.7012478

+ 2 a!k2( k2|j-

1 + x

2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком