научная статья по теме ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО СЛОЯ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО СЛОЯ»

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 7, № 4, 2011, стр. 5-10

МЕХАНИКА

УДК 539.3

ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО СЛОЯ

© 2011 г. М.О. Леви1

Рассмотрена динамическая связанная задача о гармонических колебаниях электромагнитоупругого слоя под действием осциллирующей нагрузки при различных электрических и магнитных условиях на его гранях. Поверхность слоя предполагается свободной от механических напряжений, нижняя грань слоя жестко защемлена. Для случая сдвиговых колебаний построена функция Грина среды, исследовано влияние различных магнитных и электрических условий для верхней и нижней грани слоя на его дисперсионные свойства.

Ключевые слова: динамика, электромагнитоупругость, магнитное поле, сдвиговые волны, функция Грина, дисперсионные свойства.

ВВЕДЕНИЕ

В работе [1] исследовано взаимодействие упругих и магнитных полей в электрических проводниках. В монографии [2] дан вывод основных уравнений электромагнитоупругости, изложены методы их решения. В [3] выведено представление функции Грина для полупространства, но не были исследованы влияния магнитных условий на среду. В работе [4] была рассмотрена задача распространения БИ-волн в электромагнитоупругой гетероструктуре для материалов класса 6тт, выведены дисперсионные соотношения и получены графики скоростей. В настоящей работе в рамках теории распространения электромагнитоупругих волн, следуя подходам, изложенным в [5-8], развивается эффективный метод исследования дисперсионных свойств электро-магнитоупругого слоя при разных граничных условиях для материалов с осевой симметрией 2тт.

1. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОЙ СРЕДЫ

Колебания электромагнитоупругой среды описываются уравнениями движения и уравнениями Максвелла

а2 u

V ■ T = р-

dt

V • D = 0,

V • B = 0.

2 '

(1.1)

(1.2) (1.3)

Здесь u - вектор перемещений среды, р - плотность материала, T - тензор механических напря-

жений, D и B - векторы индукции электрического и магнитного полей соответственно. Их компоненты имеют вид (I, ], к, I = 1, 2, 3)

6у = с]1к! ^к! - е1]кЕк - А]кНЪ

Т\ 9 I -^S, 0 Г7

Di = eiklskl + ej Е

ij j

Bt = f0klski + g%0Ej +

S,i

gs Hj,

ns,0 H nij Hj.

В матричном представлении уравнения движения (1.1)—(1.3) имеют вид

1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; тел. (863) 250-98-10, e-mail: levi@ssc-ras.ru

c -e -f

„г

fT g

f g n

X

c11 c 12 c13 c12 c22 c23 c13 c 23 c33 0 0 0

0 0 0

0 c44 00

0 0 0 0

c 55

0 0 0 c 66

0 0 e 31 0 0 f31

0 0 e32 0 0 f32

0 0 e33 0 0 f33

, f=

0 e24 0 0 f24 0

e15 0 0 f15 0 0

0 0 0 0 0 0

c

e

£

£11 0 0 П11

0 е22 0 п = 0

0 0 £ 33 0

g 11 0 0 "

% = 0 g22 0

0 0 gзз _

0

П22 0

0 0

Пзз

А.. ё 24 А

ё15 = ё15 $ ? С 44 = ё24 $ 9 С44

/. ? С44 _к1. / 9 С44 л

/15 = ~ /15 $ /24 = /24 $

£ '11 = £ 11 $ ? С44 £ 22 = £ 22 ' С44

П11 = /. П'22 . /

П11 $ ? С44 = П22 С44

g '11 = $ ккИ. g 22

^11 С44 = g22 $ 9 С44

к = 1, р' = 1, ~

У,

8еГ

К = 1010 Н/Кл,

/ = 107 м/А, ке = 109 В • Кл/м2 • с.

| |, | х3 | < з; 0 < х2 < к, выполненном из материала класса 2тт. В уравнениях (1.1)—(1.3) необходимо положить

u,

u 2

0,

8x1

= 0; un = un(xl, x2), (2.1)

где Т = Т Т2, Tз, T4, Т5, ^ и 8 = ф, ^ ^з, S^, S5, S6} - компоненты тензоров напряжений и деформаций второго порядка (используется система обозначений Фойгта), Б и В - векторы электрической и магнитной индукции, Е и Н - векторы напряжения электрического и магнитного полей, с, е, ¿, £, п, § - упругие, пьезоэлектрические, пьезомагнитные, диэлектрические, магнитной проницаемости и магнитоэлектрические коэффициенты соответственно.

Далее перейдем к безразмерным параметрам, используя соотношения

^ S2 Sз S6 0;

компоненты уравнений движения (1.1) (1.2) (1.3) примут вид

Т4 С44 $ и3,2 Ьё24 Ф,2+/24 $ },2, (2.2)

Т5 = С55 $ и3,1 Ьё15 Ф,1+/15 $},1, (2.3)

Dl = ё 15 и3,1 " -£11 Ф,1 - g 11 $},1, (2.4)

D 2 = ё 24 и3,2 - £22 Ф,2 - g22 ^ (2.5)

В1 = /15 $ и3,1 - gl1 Ф,1 - П11 $},1, (2.6)

В 2 = /24 $ и3,2 - g22 Ф,2 - П22 $ },2, (2.7)

Т = Т2 = Tз = Т6 = 0, D3 = B3 = 0.

Здесь {1 = E1, { 2 = E2, } 1 = H1, }2 = H2. Подставляя выражения (2.2)-(2.7) в уравнения движения (1.1)—(1.3), получаем

8

дx1

(С55 •Uз)l+ £15 •ф,1+/15 $},0 +

д / ^ д2 и 3

(С44 $ и3,2 + £24 $ Ф,2 +/24 $ },2) = Р '

дх

дг1

(2.8)

д

дх1

д

дх2 д

дх1

(ё15 $ и3,1 - £ 11 $ф,1 - gll ,1) + (ё24 $ и3,2 - £22 $ Ф,2 - g22 $ },2) = 0 (2.9) ■(/15 $ и3,1 - gll $ Ф,1 - П11 $ },1) +

д

Здесь У,е{ - скорость сдвиговой волны в электро-магнитоупругой среде, кё, к/ kg - обезразмерива-ющие константы. Линейные параметры отнесены к характерному размеру задачи, плотность - к характерной плотности среды. Поскольку колебания предполагаются установившимися, происходящими по гармоническому закону, все функции представляются в виде Г = Г0ё~тГ. Далее экспоненты и штрихи опущены.

2. ЗАДАЧА О СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЯХ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО СЛОЯ

Рассмотрим задачу о распространении сдвиговых волн в электромагнитоупругом слое

+ — ( /24 $ и3,2 - g22 $ Ф,2 - П22 $ },2) = 0. (2.10)

дх2

Введем обозначения:

д2 д2

дх 1 дх 2

с = {c55, c44}, е = {ё^ ё24};

Г = {/l5, /24}; £ = £22}; § = {gll, ^1};

п = {П11, П22}; и = щ

и запишем уравнения (2.8)-(2.10) в виде

Д $ (си + еп + Г}) = - Р~2 и, Д $ (еи - £п - §}) = 0, Д $ (¿и - - П}) = 0.

(2.11)

2

3. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ

Рассмотрим колебания слоя, нижняя грань которого жестко защемлена, верхняя грань свободна от механических напряжений. Колебания в слое инициируются осциллирующей нагрузкой д(х1, г) = д0(х1)ё-,"г, распределенной в области | Х' | < а (д = {^3, ^5}; здесь q3 - компонента вектора механической нагрузки, q4 - электрическая нагрузка, q5 - магнитная нагрузка). Вне области | Х' | < а поверхность свободна от механических напряжений.

Граничные условия имеют вид

>4 = 0, и3 = 0,

Х 2 = 1: • D 2 = Г(Х'), х 2 = 0: • D1 = 0, (3.1)

}2 = 0; В2 = 0;

>4 = 0, и3 = 0,

х 2 = 1: • D 2 = Г(Х'), х2 = 0: • D1 = 0, (3.2)

В 2 = 0; }2 = 0;

>4 = 0, и3 = 0,

х2 = 1: • D 2 = Г(Х'), х2 = 0: • D1 = 0, (3.3)

В2 = 0; В2 = 0;

>4 = 0, и3 = 0,

х2 = 1: • D 2 = Г(Х'), х 2 = 0: • D1 = 0, (3.4)

} 2 = 0; } 2 = 0.

д2 и 2

дх'

5ф 2 , д } 2 -+ £24$-Г+/'5$ (-а г})+/2 " ......

дх2 т/ 724 дх2

д2 и3 2 д2 Ф

-рм и3,

ё 15$ (-а и3)+ ё24

2-\, д и 3 / 2 - \ Я'"

4 1 - - £ 11$ (-а Ф)-£22'

дх 2

- gll $ (-а2г}) - g22

д2 г} дх 2

дх 2

-Ах'), (4.1)

/'5$ (-а2 и3)+/24

д2 и

3 - g 11 $ (-а2 Ф )-

дх 2

д2Ф , 2 Тч д2}

- g22--- - П11 $ (-а г}) - п22--2"

дх2 дх2

= 0.

Решение нашей краевой задачи будем искать в виде (к = 1, 2, 3)

3

и 3(а, х 2) = / У3к [ Ск сЬ О кх 2 + Ск+3эЬ

к =1

3

Ф(а, х2) = / у4к [СксИОкХ2 + Ск+3 эИОкХ2], (4.2)

к =1

3

г}(а,Х2) = / у5к[СксИОкХ2 + Ск+3эИОкХ2],

к =1

где ок является решением характеристического уравнения

Здесь ф2 и }2 - электрический и магнитный потенциалы соответственно.

Далее будем считать, что граница является магнитно открытой при заданном значении потенциала }2 = 0; граница является магнитно замкнутой при В2 = 0. Во всех задачах верхняя граница является электрически открытой при заданном значении D2 = Г(Х'), механические напряжения отсутствуют (Т4 = 0). На нижней границе слоя смещения и электрическая индукция равны нулю (и3 = 0, D2 = 0).

4. РЕШЕНИЕ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ

После применения к системе уравнений (2.11) преобразования Фурье по координате Х' (а - параметр преобразования Фурье; -ди = 1а и,

С 44 О 2- С55а2 + рм2 ё24 О2- ё 15 а 2 /24 О2- /15а2 ё24 О2- ё 15 а 2 -£ 22 О 2 + £ 11 а2 ^22 О2 + g11 а2 /24 О 2 - /15 а2 ^ 22 О 2 + g 11 а2 -П22 О2+ п 11а2

= 0.

- а и), получим систему обыкновенных

дх'

дифференциальных уравнений:

2 - д и/ 3 2 -

С55 $ (-а и3)+ С44--- + ё 15 $ (-а Ф ) +

дх 2

(4.3)

Неизвестные урк (к = 1, 2, 3) являются нетривиальными решениями системы

(с44б2 - С55а2+ Р~2)у3к + (ё24О2 - ё 15а2)У4к + + (/24О2- /'5а2)у5к = 0,

(ё24О2 - ё 15а2)у3к + (-£22О2 + £'1 а2)у4к +

+ (-g 22 О 2+ g Па 2)у 5к = 0, (/24О2 - /'5а2)у3к + (-g22О2 + g 11 а2)у4к +

+ (-П 22 О2 + п 11 а2)у 5к = 0.

Для отыскания неизвестных коэффициентов Ск подставим представление решения (4.2) в граничные условия (3.1)-(3.4). Получим систему линейных алгебраических уравнений, которую можно записать в матричном виде:

А • С = О, (4.4)

где С = {С1, С2, С3, С4, С5, С6} - искомые коэффициенты, О = {^3, Q4, Q5, 0, 0, 0} - компоненты вектора нагрузки.

Матрица А для задачи (3.3) будет иметь вид

А =

/ц51 112^2 кзяз /цС1 ^12с2 късъ

¡22^2 къИъ к1с1 ¡22С2 късъ

У51-У1 У52^ У51С1 У52с2 Лзсз

У31 У32 Узз 0 0 0

У 41 УА2 У43 0 0 0

У 51 У52 У53 0 0 0 (4.5)

где

11к = С44 у3к + е24 у4к + 24 у5к 12к = е24 у3к _ £22 у4к _ §22 у5к 13к = ^24 у3к _ §22 у4к _ П22 у5к

Яр = ^Чвр^ Ср = ^рСН^рк).

Для задач с магнитно открытой поверхностью на верхней границе слоя третья строчка матрицы А изменяется на

[131Я1

132Я2

/33^ 3

131С1

132С2

/33С3].

Для задач с магнитно открытой поверхностью на нижней границе слоя шестая строчка матрицы А изменяется на

[0 0 0 У51V У52^2 У53^3]. Дисперсионное уравнение задачи имеет вид

ае1(А) = 0.

Решая систему (4.4) относительно Сь получаем формулы (к = 1, 6)

А lkQ 3+ А2 кQ 4 + AзkQ 5

Ск = ■

А0

(4.6)

где А0 = det А, Ак - алгебраическое дополнение элемента матрицы А с номером 1к.

С учетом выражений (4.2), (4.5) и (4.6) решение краевых задач (3.1)-(3.4) представляется в виде

и(х 1, х2) = | к(х 1 - Р, х2, м))dp, (4.7) г

к(я, х2, м) = У К(а1, х2, м)е-,а1 sda 1. (4.8)

тов матрицы-функции К(а1, х2, м) на вещественной оси.

К(а^ ^ м) = II Ктп \ \ш,п = 3,4,5 - матрица-функция

размера 3 х 3 с элементами:

К33 = А01 / N

к =1 3

К35 = А01 / N

к =1 3

К44 = А 01 / N

к =1 3

^ = А01 / N

31 к,

33к,

4 1 к,

51 к,

К34 = А01 / N

к =1 3

K43 = А 01 / N

к =1 3

К45 = А 01 / N

к =1 3

К54 = А-1 / N

32к,

4 1 к,

4 1 к,

51 к,

к =1

к =1

^ = А-1 / N

31 к,

к =1

Кк = /тк (А nk сЬ бкХ 3+ ап, к+3»Ь бкХ з), т = 3,4,5.

5. ДИСПЕРСИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО СЛОЯ

Представления (4.7) и (4.8) описывают перемещения, электрический и магни

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