научная статья по теме К РАСЧЕТУ ПОЛЯ ДЕФЕКТА В ТРЕХМЕРНОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «К РАСЧЕТУ ПОЛЯ ДЕФЕКТА В ТРЕХМЕРНОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ»

УДК 620.179.14

К РАСЧЕТУ ПОЛЯ ДЕФЕКТА В ТРЕХМЕРНОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ

В. В. Дякин, О. В. Умергалина

Предложена общая схема вычисления поля произвольного дефекта в трехмерном полупространстве, в основе которой лежит решение задачи магнитостатики только на поверхности дефекта. Выполнены расчеты для однородного нормального к поверхности металла внешнего поля.

1. В основу многих магнитостатических расчетов, особенно для теоретических исследований, удобно положить интегродифференциальное уравнение

Н (г) - V с11у[(Ц~1)Н(г/)^ = Н°(г), (1)

а 4кК

где магнитная проницаемость ц является ограниченной кусочно-непрерывной функцией координат с кусочно-непрерывными производными, поверхности, разграничивающие магнетики, считаются достаточно гладкими (ляпуновскими); Я: = 1г - г'1. Так как область £2, содержащая магнетики, зачастую считается неограниченной (например, полупространством, цилиндром и пр.), то строгое рассмотрение (1) предполагает наличие теоремы существования и единственности решения, отсутствующей в литературе для этого случая. Докажем ее в предположении, что внешнее поле Н° квадратично суммируемо в П:

ПН%:= |(Н°(г))2^г

<00,

что, как правило, выполняется в практических задачах, где внешнее поле формируется катушками или магнитами конечных размеров.

Покажем, что в пространстве квадратично-суммируемых вектор-функций Ь2(0.) решение (1) существует и единственно. Для этого сначала приведем ряд свойств оператора А

Ли: = -Уау[и(г/)^. (2)

J 4тт7?

п

Используя преобразование Фурье

й(к): = ^/ЛЮ*.

из (2) в силу равенства Парсеваля [1] имеем

Г (к, V) (к, й) ¿к

(V. Ли\2(П) = | >\2 > . (3)

то есть оператор А симметричен, а так как из (3) вытекают неравенства

то он ограничен, а в силу (3) самосопряжен и неотрицателен. При этом нижняя граница в (4) достигается на функциях, для которых divu = 0 и u\s = 0, а верхняя — на функциях u = VT, Tl . = 0 (s — граница области Q). В силу сказанного имеет место оценка

II/ - 2AII < 1, (5)

где / — единичный оператор.

Возвращаясь к уравнению (1), придадим ему следующую эквивалентную форму [2]:

TM = М, (6)

где

7М: = Л(2Н° + М - 2ЛМ); М: = (|i - 1)Н; X : = -. (7)

ц + 1

Для любых М,, M,eL2(Q) в силу (5) имеем оценку

HTM, - 7M.II < А- ИМ, -M.II, (8)

1 2 max 12' 4 '

где А,тах: = тахХ(г)<1. Следовательно, оператор Т является сжимающим, и уравнение (6), а с ним и (1), имеет единственное решение, которое в принципе может быть найдено методом последовательных приближений.

2. Теперь рассмотрим следующую задачу для уравнения (1): в полупространстве z<d,d> 0, с ц = const находится дефект конечного размера с (J. = [id = const, ограниченный гладкой поверхностью S; начало координат выбрано внутри дефекта, ось z нормальна к плоскости z = d\ область О. — полупространство с дефектом, а область, занятая дефектом, — £2^. Для ref№2d = из (1) в силу непрерывности нормальной составляющей индукции имеем

ц-1 _ г HI{p',d)dp'

Н (г) + -У—— V f

w 4тг J

471 /=W(P-P f+(z-d)2

tLz±kv f

4n\Xd J R

= (9) v ' 4m] J R

где р = (х, у) — двумерный радиус-вектор; Нп = Нп = (Н(., п.) — проекция поля на внутреннюю к поверхности 5 нормаль п.,' то есть проведенную наружу из области О,. Взяв г-компоненту (9), при г d получаем

¡Till

v ; 2 LI, J J/. Лл2 , tj _л2\

{2n((p-p'f + (d-z'ff2

(10)

При выводе формулы (10) использована формула

lim— [

£->0 2л J

£/ (pQ dp'

ÄJ:((p-p')2+e2)3/2

= /(p).

(11)

которую совсем нетрудно доказать в предположении ¡Др + т) -/(р)1 ^ < соп51|х|а, 0 < а < 1, что обычно имеет место для широкого круга физических задач. Подставляя (10) в левую часть (9), приходим к уравнению

Н(г) + ——— V-

Нп(г')с18'

Я

+ •

+ -

А

\dS-HX р",/')\

с1р'

л] {р-р')2+{г-с1)2 ((р'-р")2 + {<1-2")2) к ' 7-гт. )

¿лДр-р')+(*-<*)

(12)

Рассмотрим следующий интеграл из (12):

1и I

2пН (Р-- Р')2 + {*■- ((р'- Р")2 + (Л - П2) Л й-2"

3/2

I-

■ I-¡г' + (г-<1Г ([-с-Гр"-р) ]: + М-2)-]1: Полагая 1: = р" - р; а: = \г - с1\\ Ь: = й - г", из (13) имеем

(13)

Да, М) = — Г 9 тг J

1 г ¿т

= ±.Ьа'\-—

2тс и г 2+п'

¿т.

(14)

Внутренний интеграл в (14) может быть вычислен на основе равенства Парсеваля — интеграл от произведения двух функций равен интегралу от произведения их фурье-образов:

где/(т) =

Ъ

(х2+а'2)"2

; *0т - И) =

3/2

а так как/(к) = е"<1к;

#(к) = , то

Ъ

где J0(x) — функция Бесселя первого рода. Следовательно, Л я, Ь, г) = 7/Ш) е-[а+ь]кс1к = 1 =

(р-р")Ч(|<М + с!-2"У

и уравнение (12) приобретает вид:

(15)

4тш . и Я J Я

. Л { Л

(16)

где Я* = д/(р-р')2+(И-г| + йг-2')2; /?0= /(рГрОЧ^)1.

Умножая (16) на п( —внутреннюю нормаль к поверхности 5 — и выходя на границу 5, по формуле классической теории потенциала [1] получаем уравнение для нормальной составляющей поля Нп на поверхности 5:

Н„ (г) + — [ Н (г') + =

1 ' "Л ' ?п. Я ?7Г Л л'Л ' Эй Я

г , \

д 1

Эл.. Я

XX, г „ , Л Э 1

5 \ ' / 5

271 { "Л 7 ЪП: Я

где ге5; X. = ———. Следует иметь в виду, что ядра 1 /Я* и Ш0 регулярен*

ны на 5, при этом Я* = ^ (р — р')2 + (2с1 -г- г')2. Второй член в левой части (17) — прямое значение нормальной производной потенциала простого слоя. Таким образом, получено уравнение для нормальной составляющей поля на поверхности дефекта 5 изнутри области После решения (17) поле в любой интересующей нас точке может быть найдено из соотношения (16).

Возможно, что в некоторых задачах удобно будет заменить в уравнении (17) внутреннюю нормаль на внешнюю: п. —> -пе, Нп —> -Нп, при этом изменения в (17) очевидны.

Из вывода (17) можно сделать следующее заключение: этот прием проходит не только для полупространства, но и для другого тела с дефектом, лишь бы только бездефектная задача решалась аналитически, и

двойной интеграл типа (13) также допускал аналитическое представление.

3. В качестве практического применения формулы (17) рассмотрим поле шарового дефекта радиусом г0 с магнитной проницаемостью = 1; с1 — расстояние от центра шара до поверхности полупространства г = й. В данном случае уравнение (17) (с внешней нормалью) принимает вид

Я,.

Э г я)г=г.=.

2к-

X г „/ЙГЭ П А2 г „ , л

дг Я

ф'к

с13' =

= (1-1)

дг /г,

оЛ=

(18)

где

/\2

Д* = лх-х'у + (у-у')2 + (2с1-2-2,у = |г' - г, - Б|;

л2

г' = (х\ у', /у, Г, = (х, у, -2); г, = г, Б = (0, 0, 20). В краткой записи уравнение (18) имеет форму

Я. + ЩНг - ХЩНг = (1 - \){Нг° - ХЦНг°),

(19)

где вид операторов Щ,к=\, 2, 3, следует из (18), и они рассматриваются на функциях классов:

Я 6^(5); | Н,х!8 = 0; Я°е^(/?2).

(20)

В приложении даны оценки норм этих операторов:

„з

\\W.W < 1/3; ПШ1 <

3(1-8)'

\щ\\ <

/2 (1-е)'

£= 7'

(21)

которые указывают на то, что:

а) при возникновении дефекта (е « 1) изменение правой части формулы (18) более существенно, чем влияние члена И^Яг в левой части;

б) имеется возможность развить теорию возмущений для малых е, то есть в том случае, когда малый дефект расположен на конечном расстоянии от поверхности или конечный дефект — на большом расстоянии от поверхности; кроме того, результаты теории возмущений могут рассматриваться как тестовые при численных расчетах.

Рассмотрим теперь действие операторов = 1, 2, 3, на соответствующие функции: а)

'Г г

2п{

дг Я

к

■-Ч-

7ж J

гя^^-^ббО'го2-^«')0 1

где 5, — единичная сфера; | = г/г0. В (22) использовано разложение ядра

у

-р—- при г = г' = г [3] по сферическим гармоникам, которые опреде-

471 |г - г |

лены следующим образом [3]:

rUs:=

f //'(Г°,'f'=f н(г0, У) Yi(i') dS(22)

У,Л) = ^(6. Ф) = J {21л+11{1~^[РГ{со^)е-\

у 4 п(/ + т)! Р,т(cosG) = (-1 )m(sin6)'"£/mP/(jc)/dx"'l_c=cose, т> О,

cosG) = (_i)-H РН (cos Q), т < 0, (23)

(/ + И)!

Р,(х) — полиномы Лежандра; / = 0,1, ..., а \т\ < I. Из (23) следуют свойства:

(-1 гга® = -

= = <24)

б) При вычислении W2Hr учтем следующее: так как Ir' - г,1 < D, то

1 = у 1

с R* ¿2/ + 1

1 Ir'-nfUr'-rO^CD)

4nR' £¿21 + 1 DM ' (25)

И </

Но У/ш(Б) = 5m ол/ (2/ + l)/47i, поэтому, используя (24) и теорему разложения [3]

lr'-r,iy/i0(r'-.-,) =

Ч 1/2

= v^Z

2/ + 1__(/!)

~ [(2а+ 1)(2/-2а-1) (a-p)!(a + p)!(/-a + p)!(/-a-p)!J

|Р|<а

х гаУа р (г) г''-аУ;_а (г'), а = min(a, I - а), (26)

получаем

/=2 а=1

a=l |P|<a

где

V

а22-2'

I 1/2

а 4у-а,р [(2а + 1) + (2/-2а + 1)

сг*сг*\ ; с„т =

п\

т\ (п — т)\

. (28)

в) Полагая г' = (*', у', с!) = (р', <£) и используя разложение по сферическим гармоникам ядра 1/4гс1г - г'1 при г' > г —» г0, получаем

W =

1 Э г Я°(р', d)dp'

——— f

2ndr^(p-pf + (z-d)

= 2 у 0 rfalJJ f

2/ + 1 J 1=1 ilT1 Д2

И</

„//+1

(29)

где /•' = л/ f>'2 +d2; cosö' = dir', YJг') = У,т(0', ф').

г) В качестве источника внешнего поля возьмем полубесконечную тонкостенную катушку (модель большого соленоида) с осью, перпендикулярной плоскости z = d и проходящей через центр дефекта. В приложении показано, что в случае, когда радиус катушки значительно больше размеров дефекта и глубины его залегания, внешнее поле почти однородно в области дефекта. По этой причине в качестве простейшей модели принимаем Н° = (О, О, Я0). При этом Я°(г = г0) = Я0cos6, а из (29) следует:

1

W3Hz°= Я^/е'"1 P,(cos0)j Р,{х) x'~2dx = Н° cos9, (30)

/=1 о

так как Р;(х) и х1'2 имеют одинаковую четность, то интеграл отличен от нуля лишь только при 1=1. Поэтому правая часть уравнения (19) принимает вид

(1 - Х){Нг° - ЩН?} = (1 - Х)2Н°cosÖ.

(31)

д) решение (19) ищем в виде Я. = (1 - Х)2Н°Н, к = /г(соз0). Так для /г получаем уравнение

(/ + XW.)h - \2WA = cos0,

(32)

где, согласно (22),

1 ~ г

(/ + XW])h = -^(2l + l + X)Pl(cosQ)hl, h,= j h (x) P,(x) dx, (33)

/=i

а из(28)следует

1=2 a=l

Используя ортогональность полиномов Лежандра Р и их нормировку ПРл112 = 2/(2« + 1), с учетом (33) и (34) из (32) получаем систему уравнений

X { 2п + Х 5п,т - К = 5П|, „=1,2, (35)

с симметричной матрицей Апт = гп+тС"п+п/2п+т, С"п+т = Стп+т.

Полагая кт = хт/^ 2 + (\ + Х)/т и разделив (35) на ^ 2 + (1 + Х)/п, получим

где

Ё{5п.т~Кп,т}хт = 5Л>1//ЗТХ, и = 1,2,...,

ш=1

К =

п,т

1 2_л+т+1/чл

Л £ С„.

2 +

Х + 1

2 +

А. + 1

т. л*

(36)

(37)

Соотношение (36) в краткой записи можно понимать как функциональное уравн

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