научная статья по теме КОЛЕБАНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОРТОТРОПНОЙ ПЛАСТИНЫ СО СВОБОДНЫМИ КРАЯМИ: АНАЛИЗ И РЕШЕНИЕ БЕСКОНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Физика

Текст научной статьи на тему «КОЛЕБАНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОРТОТРОПНОЙ ПЛАСТИНЫ СО СВОБОДНЫМИ КРАЯМИ: АНАЛИЗ И РЕШЕНИЕ БЕСКОНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ»

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ И ТЕОРИИ ВОЛН

539.3

КОЛЕБАНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОРТОТРОПНОЙ ПЛАСТИНЫ

СО СВОБОДНЫМИ КРАЯМИ: АНАЛИЗ И РЕШЕНИЕ БЕСКОНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

© 2015 г. С. О. Папков

Севастопольский национальный технический университет Севастополь, ул. Университетская 33 E-mail: stanislav.papkov@gmail.com Поступила в редакцию 02.06.2014 г.

Получено новое асимптотически точное решение задачи о поперечных колебаниях прямоугольной ортотропной пластины со свободными краями. Общее решение уравнения колебаний строится в форме суммы рядов Фурье с неопределенными коэффициентами, которые связаны посредством однородной квазирегулярной бесконечной системы линейных алгебраических уравнений. Анализ бесконечной системы позволяет найти степенную асимптотику нетривиального решения системы, что дает возможность вычислить собственные частоты колебаний и построить соответствующие им собственные формы. Приводятся примеры численной реализации для реальных материалов.

Ключевые слова: прямоугольная ортотропная пластина, фигуры Хладни, бесконечная система линейных уравнений, асимптотика.

DOI: 10.7868/S0320791915010086

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 2, с. 152-160

УДК

ВВЕДЕНИЕ

Задача о свободных поперечных колебаниях прямоугольной пластины относится к числу старейших классических проблем. Еще в начале XIX века опыты с демонстрацией фигур Хладни [1] благодаря эстетическому аспекту привлекли внимание широкой общественности к проблеме колебания пластин. Попытки математического описания проблемы, в свою очередь, дали мощный толчок к развитию аппарата математической физики.

Точные аналитические решения всегда вызывают повышенный интерес [2, 3]. Тем не менее, несмотря на долгую историю и посвященные указанной проблеме сотни работ на основе различных подходов, задача о поперечных колебаниях прямоугольных пластин имеет точное решение в форме рядов Фурье (решения типа Levy) лишь в случае, когда две противоположные стороны пластины являются шарнирно-опертыми [4, 5]. В других случаях закрепления сторон пластины переменные в краевой задаче не разделяются. Попытки преодолеть данное препятствие не прекращаются и сегодня. В частности, отметим спорную работу [6], где используется новый метод dual separation of variables применительно к полностью защемленной ортотропной пластине.

Использование техники классического разделения переменных позволяет построить общее решение уравнения колебаний в виде суммы

частных решений, что приводит для произвольных граничных условий к бесконечным системам линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов этих рядов. При исследовании колебаний прямоугольных пластин со свободными краями данный подход был использован впервые [7]. Более известной модификацией данного подхода к определению собственных частот прямоугольных пластин является method of superposition, который был развит в [8]. Здесь решение строится в виде конечной суммы частных решений, что позволяет получить, благодаря искусственному усечению бесконечных рядов, конечную систему уравнений относительно неопределенных коэффициентов. В работе [9] используются решения типа Levy в форме неурезанных бесконечных рядов для исследования гибких колебаний и устойчивости прямоугольных пластин в случае произвольных граничных условий.

Чрезвычайная важность прямоугольной пластины как элемента в структурной механике и инженерных приложениях привела к появлению большого числа работ, где проблема колебаний изучалась на основе различных подходов. Одним из них является метод Ритца, который первоначально был предложен [10] для решения задачи колебаний изотропной пластины с полностью свободными краями. Различные модификации вариационного подхода позволяют найти приближенные решения для ряда задач колебаний и устойчивости прямоугольных пластин [4]. В част-

ности, в статье [11] метод Рэлея—Ритца используется для исследования влияния сложной нагрузки в плоскости пластины на ее колебания и устойчивость. Колебания и устойчивость симметрично -ламинированных композитных прямоугольных плит под действием сил в ее плоскости исследовались [12] на основе метода Рэлея—Ритца и finite strip method. Приложение метода конечных элементов для исследования колебаний ортотропных пластин дается в работах [13, 14], метода Канторовича — в [15], метода функции Грина — в [16].

В представленной работе задача о колебаниях ортотропной прямоугольной пластины со свободными краями сводится к однородной бесконечной системе линейных алгебраических уравнений. На основе авторского обобщения закона асимптотических выражений Б.М. Кояловича [17, 18] найден степенной закон убывания нетривиального решения данной системы, что позволяет построить эффективный алгоритм вычисления собственных частот и форм пластины.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ

Рассмотрим прямоугольную ортотропную пластину {(x,y) е [-a;a] х [-b;b]} толщины h. Согласно [19], упругие свойства материала можно описать при помощи четырех упругих констант, например, с помощью модуля Юнга E1 вдоль направления оси х, модуля сдвига G и двух коэффициентов Пуассона v12 и v21. Тогда уравнение свободных поперечных колебаний пластины в приближении классической теории Кирхгофа—Лява может быть записано относительно прогиба пластины w(x, y, t) = W(x, y)emt:

n д4W , on d4W . n д4W n /i\

D1-T- + 2Д , 2 + Dj—-T - D1Q. W = 0, (1)

dx

dx2dy2

dy

где О = 4ы — безразмерный частотный параметр, р — плотность материала, ю — круговая частота;

D =

Eh

12(1 -V12V21)

D2 =

V2iEih

12vi2(1 -V12V21)

D3 = D12 + 2D6

y66>

D66 =

Gh_ 12

D12 = v,,D,.

12^2-

Граничные условия свободного края на сторонах х = ±а имеют вид

Mx =-

D, dW + Da I = 0,

dx

dy

Vx =-

D1 dW + (D3 + 2D66) дW

dx

дxdy'

(2)

= 0

на сторонах y = ±b:

My =-

D12 ^W + D2 ¿W 1 = 0,

dx

dy

Vy=-

D fW + (D + 2D«) fW

dy dx dy

(3)

= 0.

Общее решение задачи может быть представлено в виде суммы четных и нечетных составляющих по каждой из координат:

W = X Wj

(4)

kj=0

где Ж00 является четной по обеим координатам, Ж01 — четная по х и нечетная по у, и т.п.

Используя стандартную технику разделения переменных, общее решение уравнения колебаний (1) для каждого случая симметрии может быть записано в виде суммы двух рядов Фурье с неопределенными коэффициентами

Wkj = X (AnHj(Pnky) + ВпНj(pnky))Tk(aпкх) ■

n=1

ж

(5)

+ X (CnHk(qnJx) + DnHk (qnjx))Tj(e nJy),

n=1

где тригонометрические и гиперболические функции обозначены как

(cos z, j = 0, (eh z, j = 0,

Tj(z) = \ . . л H(z) = \ , . ,

[sin z, j = 1, [sh z, j = 1.

Константы разделения выбираются в форме, обеспечивающей полноту решения (5) на границе пластины:

a * = П (n - 1 + 2), Pnj=f(n -1

(6)

Величины рпк, рпк и ^ являются корнями следующих характеристических уравнений:

D2p4 - 2D3a2p2 + D1 (a4 - Q4) = 0,

D1q4 - 2D3 p2q2 + D2p4 - D1Q4 = 0, которые легко выражаются аналитически:

q =

q =

D3a2 W (D2- - D1D2)a4 + D1D2Q4

D2

D3a2 -J (D32 - AD2)a4 + D1D2Q4

D2

D3P2 W (D2 - AD2)p4 + D2Q4

V D2 '

D3P2 W (D2 - D1D2)p4 + d2q4

(7)

(8)

(9)

(10)

A

В зависимости от знаков подкоренных выражений величины (9), (10) могут быть, вообще го-

ж

воря, комплексными. Однако в силу соотношений теоремы Виета для уравнений (7), (8) выражения

Р1(а

пк

2 ) 2 ' Чш] Аапк

чШ) = А(Р2

ш]

-рПк ХР2

Ш]

-рПк) =

= А аПк + 2^3 аПквШ, + РФШ - А^4

(11)

Ап —

Вп —

Сп =

Хп

(-1)„^А (А РПк - (Рз + 2Рбб)а Пк)

2Р2РпкН'(РпкЬ)(рп2к - РПк) (-1)"^ (Ар1к - (Рз + 2Рбб)аПк)

2Р2РпН)(РпкЬ)(рПк - Р1к) (-1)„а^ (- (Рз + 2Рбб)вП])

Х

2Р1Чп]Н,к(Яп]0)(я1]

2 ч ' Чщ)

У„,

р _ (- 1)"+1^УРЛ (Щ - (Рз + 2Рбб)вЩ ) у

Рп = '22

2Р1ЧП]Нк(яП]а)(я„] - Чщ) указанные условия выполняются тождественно.

Условия на моменты Мх и Му дают два функциональных уравнения вида

ЬА. V Хп ^ А

¿—¡Р 2

„=1 Рпк

2

' рпк

(Р2Р„к - (Рз + 2Рбб)а„к)(Р12Р„к - А«„к) Н](рпкУ)

„ р„к Н](р„кЬ)

\

(Р2Р„к - (Рз + 2Рбб)«„к)(Р12рП!к - АаПк) Н](р„ку) Рпк Н'(РпкЬ),

_ V НуХ v

Р1 ш=1 Чш - Ч

ш

АЧш - (Рз + 2Рбб)Рш/)(А4ш/ - Р12ршу)Нк(Чш,а)

Ч,

Ш]

Нк(йш,а)

(АчШ - (Рз + 2Рбб)рШ])(Р1Ч,Ш- - Р12РШ])Нк(дщО)

Ч

Ш]

Нк(Чща)у

х Г;(Рш]У), У е [-Ь; Ь],

^ш] Ш]

обязательно являются действительными.

Общее решение (4), (5) точно удовлетворяет уравнению колебаний (1) и имеет достаточный произвол для выполнения любых заданных граничных условий. В случае свободных краев пластины условия (2) и (3) на нормальные реакции Ух и Уу могут быть выполнены точно. Действительно, из (6) следует, что для любого типа симметрии

Т'к(а пка) = Т](в п]Ь) = 0. Тогда при выборе неопределенных коэффициентов в форме

П ¿-^ — 2 2

Р1 „=1 Ч„2 - Ч^ (АЧЩ - (Рз + 2Рбб)Р„/)(Р12Ч]- - АРЩ) .

„ Чп]

Нк(Ч„]Х) X----

Н'к(Ч„]аа

(РаЩ - (Рз + 2Р66)рп].)(Р12Ч„;- - АРЩ) ^

Нк (ЧщХ)

Н'к(Чща) у

_ьУА V (-1)ШХщ

Р

¿-1—2

2 Ш_1 рШк рШк

\Р2рШк - (Рз + 2Рбб)аШк)(Р2РШк - Р12аШк) ;

рШк

Н]( РткЬ)

X —---

Н](РшкЬ)

(Р2РШк - (Рз + 2Рбб)аШк)(Р2РШк - Р12аШк) ,

. Н](РШкЬ) Н ЖкЬ)

РШк

Тк(аткХ), х е [-а;а].

Данные равенства после разложения входящих в них гиперболических функций по тригонометрическим

нк (дх) Н'к(да)

(-1)Ш+1(2 - 5^о51ш)

1 , Ш=1

да

2 2 аШк + Ч

\Ш+1/

Тк(ашкх),

= Р Т( в

Н'(РЬ) ЬШ., К + Р и перестановки порядка суммирования в левой части равенств приводят к бесконечной системе линейных алгебраических уравнений относительно последовательностей {Х„}„=1 и {Г„}"=1: 2 - 5 /об1

У =

-у'051щ

2aAШ^/Р^

V

(4Рб2б + Р1Р2 - Рз2)рШ]а„к + А2АО

2=1

(а „к + Чш^ (а „к + Чш])

2 - 5к051ш

-Х2

Хш —

2ЬА Шл/Р^

х

(12)

х V (4Рбб + Р1Р2 - Рз/)Р;аШк + Р12Р1^4У

2=1

(Рп] + Ршк)(Р щ + Ршк ) (Ш — 1,2,...).

ТО

2]

Ж

х

Здесь дт„ — символ Кронекера,

Л1 _ Hk(qmja) w

Л m = ; х

Hk(qmja) w (D!mj - (D + 2D66)pmj)(Diqmj

2D1qmj (qmj - qmj )

Hk ШщО)

---— X

H'k(Qmja)

X (Diq2mj - (D + 2D66)Pmy-- DA)

2D1qmj (qmj -

qmj )

* 2 _ Hj (Pmkb) x

* m _ ; x

Hj (Pmkb)

x (D2pjk - (D + 2D66)ajk)(D2pmk - Dijajk) -

2D2pmk(pmk - pmk)

Hj ( ~Pmkb)

----X

Hj (Pmkb)

X (D2plk - (D3 + 2D66)ajk)(D2pmk - Di2ajk).

2D2pmk(pmk - pmk)

Заметим, что выражения Am , Am обязательно являются действительными для любой комбинации параметров зада

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