научная статья по теме ОБ ОЦЕНКЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ, АССОЦИИРОВАННЫХ С ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА Механика

Текст научной статьи на тему «ОБ ОЦЕНКЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ, АССОЦИИРОВАННЫХ С ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 3 • 2014

УДК 539.374

© 2014 г. В. А. КОВАЛЕВ, Ю. Н. РАДАЕВ

ОБ ОЦЕНКЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ, АССОЦИИРОВАННЫХ С ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА

В работе рассматриваются вопросы, связанные с построением 2п-периодических по угловой переменной решений дифференциального уравнения Матье для окружных гармоник эллиптического цилиндра, ассоциированных характеристических значений и азимутальных чисел, необходимых для формирования элементарных волновых функций эллиптического цилиндра. Суперпозиция последних является одной из форм представления аналитического решения проблемы распространения термоупругих волн в длинном волноводе с эллиптическим контуром поперечного сечения. Классическая задача Штурма—Лиувилля для уравнения Матье приводится к спектральной задаче для линейного самосопряженного оператора в гильбертовом пространстве бесконечных квадратично суммируемых двусторонних последовательностей. Предлагается подход, позволяющий дать весьма простые алгоритмы вычисления характеристических значений углового уравнения Матье с вещественными параметрами и соответствующих собственных функций. Приоритет при этом отдается применению наиболее симметричных форм и уравнений, не находивших ранее применения в теории уравнения Матье. Указанные алгоритмы сводятся к построению матрицы, диагонализирующей одну бесконечную симметричную пентадиагональную матрицу. Рассматривается проблема обобщения на случай эллиптической геометрии понятия азимутального числа волны, распространяющейся в цилиндрическом волноводе. Построены уточняющие друг друга двусторонние оценки для спектральных значений дифференциального оператора Матье с периодическими и полупериодическими (антипериодическими) граничными условиями.

Ключевые слова: эллиптический цилиндр, термоупругое поле, уравнение Матье, собственное значение, азимутальное число, спектральная задача, волновое число, волновая функция, диагонализация, круг Гершгорина, овал Кассини.

1. Представление связанных уравнений линейной термоупругости в координатах эллиптического цилиндра. Ниже приводится полная система соотношений термоупругости третьего типа ООТП (см., например, монографию [1], где имеются дальнейшие указания на библиографические источники).

В линейной теории термоупругости третьего типа определяющий закон имеет вид

о = 2ц£ + (^г £ -а(9-9о)) I (1.1)

где о — тензор напряжений, £ — тензор малых деформаций, I — единичный тензор; X, ц — упругие постоянные Ламе; а = 1/3(3А, + 2ц)Р* — термомеханическая постоянная;

Р* — коэффициент объемного теплового расширения; 0 — абсолютная температура; 9о — отсчетная (равновесная) температура. Отметим, что при температуре, равной 0О, отсутствуют деформации и напряжения.

Вектор потока тепла И линейно зависит как от градиента температуры, так и от градиента температурного смещения:

Ь = -Л 0-Л V В (1.2)

где 9 (9 = 9) — температурное смещение, Л — характерная скорость теплопроводности, V — трехмерный оператор Гамильтона.

Кроме того, полная система соотношений термоупругости третьего типа включает: уравнения движения

^у о -ри = 0 (1.3)

уравнение баланса энтропии

5 + V . ] = а + ^ (1.4)

уравнение баланса энергии в приведенной форме

- ( + 50) + 1г (о • ¿)-Ь • ^ = 0£, (1.5)

0

где и — вектор перемещений, р — плотность, 5 — плотность (на единицу объема) энтропии, \ — вектор потока энтропии, а — внешнее производство энтропии, £ > 0 — внутреннее производство энтропии, ^ — плотность (на единицу объема) свободной энергии Гельмгольца.

Вектор потока тепла и вектор потока энтропии связаны уравнением Ь = 9] (1.6)

а для внутреннего производства энтропии справедливо соотношение

В рамках линейной теории следует предполагать линейную зависимость между термодинамическим потоком

- (] +

и термодинамической силой V Э.

Приведем также соотношения Коши, связывающие тензор малых деформаций е и градиент вектора перемещения V ® и:

2е = V ® и + (V ® и)Т (1.8)

Для сокращения записи уравнений в дальнейшем через 0 будем обозначать превышение температуры над отсчетной (равновесной) температурой 90, т.е. символ 0 в последующем изложении следует понимать как разность 9 - 90.

Линейные связанные уравнения движения и теплопроводности термоупругости третьего типа могут быть сформулированы в перемещениях

цДи + (к + • и - аУ9 - ри = 0

ЛД9 + Л*Д9 - к9 -а90У • и = 0 ( . )

Здесь А — трехмерный оператор Лапласа, к — теплоемкость (на единицу объема) при отсутствии деформации. Поскольку рассматривается линейная теория, теплоемкость к не зависит от температуры для ее значений в окрестности референциальной температуры 90.

Разделим второе уравнение системы (1.9) на Л и 90. В дальнейшем, постоянные Л, Л* и к будут считаться отнесенными к отсчетной температуре 90. Таким образом можно минимизировать число постоянных, необходимых для формулировки связанных уравнений. Окончательно приходим к следующей системе дифференциальных уравнений:

цДи + (к + • u - aV9 - pü = 0

A* • v a (1.10)

Д9 + — Д9-K19-aV • U = 0 Л Л Л

Введем ортогональные криволинейные координаты эллиптического цилиндра (2c — расстояние между фокусами эллипса, u — радиальная координата, и — угловая координата): x* = c chu cos и, x2 = c shu sin и, x3 = z. Единичные локальные базисные орты обозначим через , iц,), i(z). Физические компоненты векторных и тензорных полей относительно рассматриваемой координатной системы будут указываться соответствующими координатными переменными, заключенными в треугольные скобки.

Здесь и в дальнейшем для сокращения записи уравнений используется следующее обозначение:

VF = sh2u + sin2 и = ÍVch2u - cos2u (1.11)

V2

Пространственный оператор Гамильтона определяется в форме

у = <112)

Дивергенция пространственного векторного поля A находится согласно формуле

у.A = * № + + ^ + ShuC^A^ + sinvçosu a (1.13)

cVr^ du du ) dz cVf3 u ^Vr3

Для ротора пространственного векторного поля A можно получить следующее выражение:

V л 1 (dA{z) ГРдЛ ») V 1 (dA{z

v х A = CVfUT - c& J - CXi-t-™1 "Г J (114)

1

cVf

yf dA(u) + shuchu a \ - sinucosu

du du Vf ^ Vf

-dAt

\ 1

dz J

Ч z)

Оператор Лапласа в координатах эллиптического цилиндра, как показывают простые вычисления, имеет вид:

с 2-1г2 (ди2 ди2 ] дг2

Физические компоненты тензора деформации и тензора напряжений в координатах эллиптического цилиндра определяются следующими формулами:

1 ди/

и) .

1 ди/

и) . .

Е/ии\ =—1=-— + , Sln и COSU, £/пЛ =—7=-— + ' ', SnUCnU

{ии) с^Г ди с,/г3 ^Vf ди суг3

duZ)

6<«> = Я

(1.16)

2f, v-duá+дм 2р<4-л.дм,duu

Ы сл/г ди dz ' И сл/г ди dz

2s(uU = | + | - -1=3sin и cos и - shuchu ' ' сл/f ^ du д и J с^/г ^Vf3

°<uu) = + 2^s<uu) - а0> °М = + - а6

ü(zz> = + - а0> a(uv) = 2^S(uu) (1.17) = 2М-£( uz) > =

£ = £<uu) + £Ы + £( zz) (1.18)

2. Связанное термоупругое поле в цилиндрическом волноводе эллиптического поперечного сечения. Будем рассматривать гармоническую зависимость перемещений и температуры от времени: u = Ue т', 9 = 0e т', где ю — циклическая частота; U, 0 — комплексные амплитуды. Зависимость комплексных амплитуд от переменной z также

имеет форму гармонической экспоненты e ±kz, где к — волновое число. Для повторного дифференцирования по вертикальной координате, следовательно, имеем

д 2/dz 2 = -k 2

Представим вектор комплексной амплитуды U в виде разложения Гельмгольца на безвихревую и вихревую составляющие

U = V Ф + V X ¥ (2.1)

где Ф — скалярный потенциал, ¥ — векторный потенциал. При этом векторный потенциал подчиним условию калибровки

V ■ ¥ = 0 (2.2)

Векторный потенциал ¥ удовлетворяет независимому уравнению, векторному уравнению Гельмгольца

А* + kÍY = 0 (2.3)

где k2 — квадрат волнового числа чисто упругой поперечной волны.

Скалярный потенциал Ф и комплексная амплитуда температуры 0 в силу (1.10) связаны и выражаются через новый скалярный потенциал Q согласно

Ф = аП, 0 = Ш (2.4)

при этом постоянные a и b могут принимать в точности два различных значения

aj = p2 - g2, bj = h^y2 (j = 1,2) (2.5)

A*

Введем следующие, согласующиеся с монографией [1], обозначения: 26

2 I 2 2 2 I 2 1 121 —2» 2

Р] = к -у], Я = к -Нъ к

к = , й2 = ^ % = —, =К 31 + к34 /2 Л Л

где постоянные у] (] = 1,2) имеют смысл волновых чисел и определяются ниже, к^ — квадрат волнового числа чисто упругой продольной волны. Потенциал ^ удовлетворяет скалярному уравнению Гельмгольца

ДП + у2П = 0 (У = У1,У2) (2.6)

Как показано в [1], для нахождения волновых чисел у] (] = 1,2) получается биквадратное уравнение

4 2 2

Х_ (/Лз2 -1) + Ц (к\ - 1к!) - к! = 0, Й12 = 1 + к! (2.7)

к4 к2 РЛ

Квадраты указанных волновых чисел, следовательно, вычисляются в виде

2у2 _ /к32 - к12 + д/(к12 - /к32)2 + 4к2 (к - 1) к|2 /к32 -1

Извлекая квадратный корень, приходим к выражению

у2 /к2 - к]2 + Я] 2 + /Ь 2 2^ = --к! (2.8)

кц /к3 -1

Я1,2 = - кз4 - 4к22 ^(к4 - к34 - 4к22)2 + 4к3(2к22 - к^]

,2^,2 ,2ч

Я1,2;3,4 = ±^5'2 + Ь1,2кз2 - я^ + ^(52 + Ьцк^ - ац)2 + (Т2 - а^ - Ь^)2]

(2.9)

ь _ кз (2к7 - к1 )

ь1,2 _ а1,2

Выражения для самих волновых чисел у будут следующими:

^2(кз4 + 1) = а1,2;3,4 + /¿!,2;3,4 (2.10)

к||

где, следуя монографии [1], введены обозначения

(2.11)

_ Т 2 - а1,2 к32 - Ь1,2

ь1,2;3,4 =---

2а1,2;3,4

при этом ^ и Т2 выражаются как

52 = к34 + к2, Т2 = к32(к12 -1) (2.12)

Следует отметить, что у^2 — квадраты волновых чисел плоской связанной термоупругой волны третьего типа.

Таким образом, связанные поля Ф и в определяются как линейные комбинации

= С

а1

О |у=у1 + С2

а2

О

1=12

(2.13)

где С1, С2 — произвольные постоянные.

Векторный потенциал Т определяется через два скалярных потенциала у и х согласно [2]:

Чм =

1

Ч ^ = ^Г

= -

С2 д X

2 Л

С^ +

ди к, дидг

-С С2 д2хЛ д и к, дид г у (ъ2 -,2 ^

д X + д X

\ди2 ди2 у

(2.14)

с 2>/г2к±

Потенциалы у и х удовлетворяют скалярному уравнению Гельмгольца

+ к 2

2 (V

= 0

(2.15)

и; и,

Условие калибровки векторного потенциала (2.2), как нетрудно проверить, выполняется.

После ряда преобразований физические компоненты поля перемещений могут быть выражены в следующем виде:

ии = ^ Ы ^ и + С2а2 ^О |У=У2 ±кС1 ^ + кС Iх)

у Ы Г

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