научная статья по теме ОБОСНОВАНИЕ ДВУХМАСШТАБНОГО УСРЕДНЕНИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВЯЗКОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ИШЛИНСКОГО Математика

Текст научной статьи на тему «ОБОСНОВАНИЕ ДВУХМАСШТАБНОГО УСРЕДНЕНИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВЯЗКОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ИШЛИНСКОГО»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 6, с. 988-1006

УДК 519.634

ОБОСНОВАНИЕ ДВУХМАСШТАБНОГО УСРЕДНЕНИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ПРОДОЛБНЫ1Х КОЛЕБАНИЙ

ВЯЗКОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ИШЛИНСКОГО1}

© 2007 г. А. А. Амосов*, И. А. Гошев**

(111250 Москва, ул. Красноказарменная, 14, МЭИ (ТУ), каф. матем. моделирования)

e-mail: *AmosovAA@mpei.ru, **goshevia@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.06.2006 г. Переработанный вариант 12.12.2006 г.

Изучены начально-краевые задачи для системы квазилинейных операторно-дифференци-альных уравнений, описывающие продольные колебания вязкоупругопластического материала Ишлинского с негладкими быстро осциллирующими коэффициентами и начальными данными. Особенностью системы является наличие гистерезисного оператора Прандтля-Ишлинского. Строго обоснован предельный переход к начально-краевым задачам для соответствующей системы двухмасштабных усредненных операторных интегродифференциаль-ных уравнений. Это сделано "в целом" по времени и без предположений о малости данных. Библ. 27.

Ключевые слова: система уравнений продольных колебаний, вязкоупругопластические материалы, метод двухмасштабного усреднения, система квазилинейных операторно-диффе-ренциальных уравнений, начально-краевая задача.

ВВЕДЕНИЕ

В [1] рассмотрена (см. также [2], [3]) задача усреднения системы квазилинейных уравнений одномерного движения вязкой сжимаемой среды с периодическими быстро осциллирующими свойствами и с помощью метода двухмасштабных асимптотических разложений выведена (на формальном уровне) предельная усредненная система уравнений. Эта система оказалась нестандартной, интегродифференциальной. В уравнениях "быстрая" переменная Е, не исчезла полностью; в математической теории гомогенизации подобные уравнения в настоящее время принято называть двухмасштабными усредненными (см. [4]). В [2] Н.С. Бахваловым была поставлена проблема строгого обоснования предельной системы.

В данной статье дается строгое обоснование двухмасштабного усреднения системы уравнений из [1] в случае среды, являющейся вязкоупругопластическим материалом Ишлинского (см. [5], [6]). Доказывается теорема о сильной предельной связи между решениями неоднородных краевых задач для системы уравнений движения такой среды с быстро осциллирующими коэффициентами и начальными данными и решениями соответствующих задач для системы двухмасштабных усредненных уравнений. В процессе доказательства этой теоремы не только выводится предельная система, но и устанавливается существование ее глобальных обобщенных решений. Подчеркнем, что результаты и о предельной связи, и о существовании решений являются глобальными как по времени, так и по данным (в частности, начальным). При этом упругая составляющая напряжения се1 и коэффициент вязкости V являются общего вида функциями деформации, а также быстрой и медленной переменных. По двум последним аргументам эти функции могут быть разрывны. Это относится и к начальным данным. Ранее аналогичные результаты были доказаны для моделей вязкой баротропной среды (см. [7], [8]), вязкого теплопроводного совершенного газа (см. [9]) и термовязкоупругого тела типа Фойхта (см. [10], [11]).

Самым существенным образом используются подходы к двухмасштабному усреднению и техника, развитые в [7]-[11]. Доказательство также опирается на полученные авторами результаты о глобальных обобщенных решениях системы уравнений продольных колебаний вязкоупругопластического материала Ишлинского (см. [12], [13]). Особенностью данной работы является

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 04-01-00539).

преодоление трудностей, связанных с присутствием в рассматриваемой системе гистерезисного оператора Прандтля-Ишлинского.

Ранее в [14] рассмотрена проблема усреднения уравнений продольных колебаний упругопла-стического материала Ишлинского. Однако эффект двухмасштабного усреднения здесь не наблюдается. Это объясняется тем, что в рассмотренных уравнениях отсутствует вязкость, а начальные данные равномерно сходятся к своим предельным значениям.

План статьи следующий. В разд. 1 вводятся используемые функциональные пространства и формулируется ряд вспомогательных утверждений. Существенную роль играют теоремы о свойствах широкого класса быстро осциллирующих функций, позволяющие обосновывать усреднение при наличии разрывов как по быстрой, так и по медленной переменным. В разд. 2 вводится оператор Прандтля-Ишлинского и формулируются некоторые его свойства. В разд. 3

и 4 даны, соответственно, постановки трех начально-краевых задач ^ (т = 1, 2, 3) для исходной системы уравнений колебаний с быстро осциллирующими данными и соответствующих задач ^ для системы двухмасштабных усредненных уравнений. Приведены теоремы о существовании и единственности глобальных обобщенных решений задач &£т и . В разд. 5 сформулирован и доказан основной результат работы - теорема о предельной связи между задачами и ^ . Одновременно доказана разрешимость задач ^^ .

1. ОБОЗНАЧЕНИЯ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УТВЕРЖДЕНИЯ

Всюду ниже полагаем 3 = (0, 1), О = (0, X), Q = дТ = О х (0, Т).

Пусть Е - множество конечной меры в К". Примем обозначение

(м>, у)Е = | ^ таЕ.

Е

Пусть В, У - банаховы пространства, М с В и = {у е У | ||у||У < Щ.

Напомним, что функция/: Е —► В называется сильно измеримой (измеримой по Бохнеру), (см. [15], [16]), если существует последовательность простых функций/п : Е —► В таких, что /п(х) —►/х) для почти всех (п.в.) х е Е. Обозначим через ^(Е; М) множество сильно измеримых функций/: Е —► М. Положим ЦД; М) = Ш(Е; М) п Ц^Е; В).

Лемма 1. Пусть/е *Ш(Е; М). Тогда существует последовательность простых функций /п : Е —► Мтаких, что/п(х) —-Ах) для п.в. х е Е.

Доказательство. Так как/е <Ш{Е; В), то существует последовательность простых функций gп : Е —► В таких, что gп(x) —/х) для п.в. х е Е. Функция gп имеет вид

м„

gп(x) = X У"'кХп, к (x),

к = 1

где уп, к е В, Хп, к - характеристические функции измеримых множеств Еп, к таких, что Е = = 1 Ещ к и Еп, к п Еп, т = 0 при к Ф т.

Для каждого уп, к е В существует уп, к е М такой, что

||Уп, к - уп, А В < inf I|Уп, к - Я В +1/«•

у е М

Заметим,что

Nп

/п(х) = X Уп, кХп, к (х)

к = 1

является простой функцией со значениями вМ. Кроме того, ||/п(х) -/(х)||В < 2^п(х) -/х)||В + 1/п —- 0 для п.в. х е Е.

Лемма 2. Пусть f е Ш(Е; M) и отображение 9 : M —► Y непрерывно. Тогда 9(f) е Ш(Е; Y).

Доказательство. В силу леммы 1 существует последовательность простых функций fn : Е —► M таких, что fn(x) —► f(x) для п.в. x е Е. Заметим, что 9(fn) : Е —► Y является простой функцией. Так как отображение 9 непрерывно, то 9(fn(x)) —»- 9(fx)) для п.в. x е П. Следовательно, 9(f) е е Ш(Е; Y).

Следствие 1. Пусть f е Ш(Е; M) и отображение 9 : M —► SN непрерывно. Тогда 9(f) е LJE; Y), причем || 9(f) || £_( е ; y ) < N.

Лемма 3. Пусть f: J X П —► M, f е !^(П; LJJ; M)) и отображение 9 : M —► SNравномерно непрерывно. Тогда 9(f) е LJ(Q,; LJ(J; Y)), причем ||9(f) ||L (П; L j; Y)) < N.

Доказательство. В силу леммы 1 существует последовательность функций fn : J X П —► M, которые являются простыми, если рассматриваются как функции fn : П —»- LJ(J; M). При этом fn(-, x) —► f(-, x) в LJ(J; B) для п.в. x е П.

В силу следствия 1 имеем 9(Д-, x)) е LJ(J; Y) для п.в. x е П. Кроме того, 9(fn) : П —► LJ(J; Y) является простой функцией, причем из равномерной непрерывности отображения 9 следует, что 9(f (■, x)) — 9(Д-, x)) в LJ(J; Y) для п.в. x е П. Таким образом, 9(f) е Ш(П; LJ(J; Y)). Так как ||9(A-, x)) ||ljCJ; Y) < N для п.в. x е П, то 9(f) е Lj(d; Lj(J; Y)) и ||9(f) ||lj(d; lj(j; y)) < N.

Напомним некоторые определения и свойства, связанные с понятием аппроксимативного предела (см. [17], [18]). Пусть Е - измеримое множество в [. Точка ¡0 называется точкой плотности множества Е, если

lim mes[Е n(£0- r, ¡0 + r)]/(2r) = 1.

r ^ 0+

Известно, что почти все точки множества Е являются его точками плотности. Говорят, что функция ф е M(J; B) имеет в точке ¡0 е J аппроксимативный предел, если существует измеримое множество Е(^0) с J, для которого ¡0 является точкой плотности, и в B существует предел

Ншарф(^= ^ Hm фФ.

Обратим внимание на то, что при изменении функции ф на множестве нулевой меры множество точек, в которых существует аппроксимативный предел, и сами значения аппроксимативных пределов не меняются.

Пусть f: J X П —► B. В теории усреднения широко используются быстро осциллирующие функции видаfe(x) = f(xe, x) с £ —► 0+; здесь xe = {x/e - a£} - дробная часть числа x/e - a£, а a£ -некоторая функция параметра e > 0 (в частности, a£ = 0).

Приведенные ниже теоремы 1-3 следуют из результатов работ [19], [9], [11].

Теорема 1. Пусть f: JX П —► B иf е LJ(J; B)). Тогда существуют множество J0 полной меры в J и множество П0 полной меры в П такие, что для всех (¡0, x) е J0 X П0 существует аппроксимативный предел lim apf(^, x). Как следствие, для всякого £ > 0 существует функция

f : П —► B, определенная для п.в. x е П формулой

/(x) = lim арf(t x). (1.1)

Более того,f£ е Ш(П; B) и ||/£(x)||b < ||/(-, x) ||L j; B) для п.в. x е П.

Всюду ниже суперпозиция f£(x) = f(x£, x) понимается в смысле формулы (1.1). На множестве нулевой меры, где предел (1.1) не существует, функцию f£ можно доопределить произвольным образом. Подчеркнем, что изменение функции f на множестве нулевой меры в JX П приводит к изменению f лишь на множестве нулевой меры в П.

Следствие 2. Пусть f: J X П —► B и f е Lq(H; LJ(J; B)) для некоторого q е [1, j]. Тогда имеем f£ еLq(П; B) и ||f||l

,(П; B) < |L/1|Lq(H; Lj(J; B)) .

В случае f: J X П —► [ справедлив важный результат о слабой сходимости f(x) = f(x£, x) к

f (x) = Jf (¡, *

Теорема 2. Пусть f: JX Q —» R иf e Lq(Q; LJ(J)) для некоторого q e [1, j]. Тогда f* e Lq(Q) и f* —► (f) слабо в Lq(Q) при q e [1, j) и *-слабо в LJ(Q) при q = j.

Следствие 3. Пустьf: J X Q —- R и f e Lq(Q; LJJJ)) для некоторого q e [1, j]. Тогдаf* e Lq(Q) иf* —► {f) слабо в Lq(Q) при q e [1, j) и *-слабо в LJ(Q) при q = j.

Следствие 4. nycTbf: JX Q X [0, T] — R иfe LJ(Q; LJ(J; C[0, T])). Тогда дляД*, t) = lim apfS, x, t)

в

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