научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С ПОКРЫТИЕМ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С ПОКРЫТИЕМ»

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 11, № 1, 2015, стр. 16-23

= МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С ПОКРЫТИЕМ

© 2015 г. Т.И. Белянкова1, А.С. Богомолов1, В.В. Калинчук1, В.А Лыжов1

Поступила 30.10.2014

Предложен эффективный метод построения матрицы-функции Грина бесконечного кругового цилиндра со слоисто-неоднородным покрытием. Метод основан на сочетании аппарата операционного исчисления для неоднородных составляющих покрытия с матричным подходом при удовлетворении граничных условий. Построены удобные для программирования матричные формулы, позволяющие с высокой точностью изучать влияние параметров элементов, составляющих покрытие, на структуру поверхностного волнового поля и особенности распространения поверхностных волн. На примере задачи о торсионных колебаниях цилиндра проведен анализ влияния параметров элементов двух- и трехслойного покрытия на поверхностное волновое поле. Выявлено существенное влияние наличия жесткой или податливой составляющей покрытия на структуру волнового поля. В частности, показана трансформация дисперсионных характеристик неоднородного цилиндра в зависимости от соотношения механических и геометрических параметров составляющих его покрытия. Исследование свойств функции Грина показало, что в цилиндре с низкоскоростным слоистым включением каждая мода поверхностной волны существует в ограниченном диапазоне частот. Наряду с критической частотой возникновения моды существует частота ее исчезновения - частота, выше которой данная мода подавляется за счет наложения нуля функции Грина на ее полюс. Амплитуда моды волны становится близкой к нулю. Исследование, проведенное для цилиндра с высокоскоростным покрытием, показало, что поверхностные волны существуют во всем диапазоне частот.

Ключевые слова: слоисто-неоднородные среды, полый цилиндр, многослойное покрытие, функция Грина многослойного цилиндра, торсионные колебания, поверхностные волны, дисперсионные характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Изучению особенностей распространения волн в слоисто-неоднородных средах уделяется большое внимание в литературе. Систематическое изложение теории распространения различных типов волн в слоистых средах дано в [1; 2]. В [3-8] рассмотрены различные аспекты процессов возбуждения и распространения волн в неоднородных и слоисто-неоднородных средах, предложены эффективные методы исследования, развиты элементы теории распространения поверхностных волн. В [8] на основе исследования свойств функции Грина показано, что в среде с низко скоростным слоистым включением каждая мода поверхностной волны существует в ограниченном диапазоне частот. Наряду с критической частотой возникновения моды существует частота ее исчезновения -

1 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Centre, Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, тел. 8 (863) 250-98-10, e-mail: kalin@ssc-ras.ru

частота, выше которой данная мода подавляется за счет наложения нуля функции Грина на ее полюс. Амплитуда моды волны становится близкой к нулю. В [9-24] рассмотрены различные аспекты процессов возбуждения и распространения волн в цилиндрических телах. В [9] исследовано волновое поле, инициированное жестким бандажом, совершающим радиальные колебания на поверхности предварительно напряженного цилиндра. В [10-14] исследованы нормальные и крутильные колебания цилиндров, выполненных из предварительно напряженных материалов. В [15] изучены свойства поверхностных волн, показано существенное влияние геометрических параметров стенки цилиндра на его акустические свойства. В [16-23] исследованы особенности возбуждения и распространения волн в заполненном жидкостью цилиндре. Показано, что наличие жидкости приводит к существенному усложнению структуры волнового поля. В то же время основную роль в распространении волн играют упругие свойства системы бесконечный цилиндр-жидкость. В настоящей работе предложен

эффективный метод исследования динамических свойств бесконечного кругового цилиндра со слоисто-неоднородным покрытием. Построены удобные для программирования матричные формулы, позволяющие с высокой точностью изучать влияние параметров элементов, составляющих покрытие, на структуру поверхностного волнового поля и особенности распространения поверхностных волн в цилиндрических телах. На примере задачи о торсионных колебаниях цилиндра проведен анализ и выявлены некоторые закономерности влияния параметров элементов двух- и трехслойного покрытия на формирование и структуру поверхностного волнового поля. Показана трансформация дисперсионных характеристик неоднородного цилиндра в зависимости от соотношения механических и геометрических параметров составляющих его покрытия.

КОЛЕБАНИЯ ТРУБОПРОВОДА С НЕОДНОРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Рассматривается задача о колебаниях трубопровода, стенка которого представляет собой пакет N вложенных друг в друга и сцепленных между собой круговых бесконечных однородных цилиндров (рис. 1) под действием нагрузки ( 2, ?), рас-

пределенной в области 21 < 2 < 22 на его поверхности. Предполагается, что механические параметры составляющих стенку трубопровода материалов Rn- 1 < гп < Rn (п = 1, 2, ..., N являются постоянными: Рп (гп) = Рп, Ап (гп) = Ап, Пп (гп) = Пп.

Полагаем, что колебания вызваны действием гармонической нагрузки с частотой режим колебаний установившийся. При исследовании колебаний неоднородного трубопровода со слоистой (многослойной) стенкой традиционно используют безразмерные параметры: линейные величины относят к характерному линейному размеру 10 (например, толщине одного из слоев 10 = Нп = Rn - Rn_1 стенки цилиндра, толщине стенки цилиндра 10 = = Rn - R0 или полуширине бандажа 10 = 0,5 | г2 - 21 |), напряжения и усилия - к значению модуля сдвига "опорного" материала слоя и0: I * = II о1, А* = Аио\ и* = и* По1, плотность - к значению плотности "опорного" материала слоя р: р* = рро1. В качестве частоты использован безразмерный параметр

к2 = ~к¥°х, где У8 = Vи0Ро1 - скорость сдвиговой волны в однородной среде с параметрами А0, и0, Р0. Далее звездочки опущены.

В сделанных предположениях краевая задача описывается системой уравнений

а2 и(п)

V- @(п) =

Рис. 1. Сечение трубопровода из пакета вложенных друг в друга сцепленных однородных цилиндров

и граничными условиями

г = RN: п- &№ =

-гШ

2 ] < 2 < 2

1 ^ ^ ¿2, 2 < 21, 2 > 22;

= ь (г, {, 2) е

I0,

гп = К ,|2 |< 3:

п Гп) - @ (п) = п Гп+1) - @(п+1), и (п) = и(п+1), п = 1,2,., N-1; г = К0, 121 < з: пГ1) - &(1) = 0

(2)

(3)

(4)

&(п) - тензор, определяющий напряженное состояние среды п-го слоя стенки трубопровода, компоненты которого в цилиндрических координатах представляются выражениями (1тп = Ап + 2ип):

1 ди (п) ди <п)Х

д2 д2 1 ди (п) ди К

гд{

ди^

дг

дг

,(п )\

(5)

Рп

дt2

(1)

е(п) = е(п) = и

фГ гф I ,

(п) _ П(п)

(п)

ди (п) 1 ди д2 г д(

ди Гп) ди 2)

д

дг

u<">(г, ф, г, t) = |и^), и), и?)| - вектор смещения верхности, " - частотаколебаний. Используя пред-1 J ставления компонент (5), можно уравнения движе-

в упругой среде, р„ и п(п) - плотность материала ния (1) для однородных цилиндров, составляющих п-го слоя стенки трубопровода и нормаль к его по- стенку трубопровода, переписать в виде

L (п ) [и

(п)

(Ап + Пп)~- (Ап + 3Пм) 1 д

г дгдф

д{

д2 и (п)

и фп ) + (Ап + = 0,

дгдг

(Ап + 3Пп) диГп) , (Ап + Пп) д2иГп\т(п^ (пЛ , (Ап + Пп) д2и) _

+ + L ф I и ф I + 0,

г 2 дф г дгдф 1 J г дфдг

(Ап + Пп)

д2

дгдг г дг

^О^п! +L zn) [и п ] = о.

г дгдф

(6)

L (,п), L ф11), L Zn) - дифференциальные операторы, определенные в п-м цилиндре пакета, составляющего стенку трубопровода, имеют вид

д2

L(n) = 1тп

д2

1 д 1

дг2 г дг

-Пп

1 д2

- Рп

L

дг 2 г2 дф2

1 д2

дt

2

(п) =

1тг

г2 дф2

д2 д2

1 д

дг2 дг2 г дг

- Рп

дt2

L

(п) _

1т п

д2

1 д

"дг2 1 д2

дг2 г дг г2 дф2

- Рп

дt2

(7)

Граничные условия (2)-(4) с учетом (5) принимают вид

2

2

2

2

ф

г = RN■■

ег5) = 1тп ^ + Ап

N)

1 ди ф^ ди N

е(Ж) = п

^гг У-п

дг п г г д{ дг

1 ди N ди ф^ и ф^

Чг(г, ф, г), 21 < 2 < 22,

г д{ дг

/ ди^ Р

\ дг дг

= чф (г, ф, г), г 1 < г < г2

Чг(г, ф, г), г 1 < г < г2,

(8)

е^= егфф) = ег^) = 0, г < гь г >.

2

гп = Rn, |г|< 3 (п = 1,2,..., N-1):

е(п) = е(п+1) е(п) = е(п+1) е(п) = е(п+1)

гг гг г{г{ гг гг

и г и г , и фп и фп , и г и г ; (9)

г = R0, | г | < з:

еЦ > = егф) = ег1) = 0 (10)

Система уравнений (6) представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, для реше-

ния которой можно использовать эффективные численно-аналитические методы [5-14]. Исследование колебаний многослойного цилиндра представляет собой достаточно сложную многопараметрическую задачу, решение которой представляется в интегральной форме и зависит не только от материальных констант составляющих стенки цилиндра, но и от их геометрических параметров. Для прозрачности исследования влияния параметров на динамические характеристики рассмотрим частный случай описанной выше задачи,

а именно будем исследовать торсионные колебания трубопровода, что позволит при существенном упрощении выражений, определяющих движение среды, исследовать основные закономерности влияния параметров многослойного трубопровода на его динамические характеристики.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ТОРСИОННЫХ КОЛЕБАНИЯХ ТРУБОПРОВОДА С МНОГОСЛОЙНОЙ СТЕНКОЙ

Рассмотрим торсионные колебания кругового бесконечного цилиндра в предположении, что выполнены условия

ди(п)

(п) _ (п) _

I г и 2

0, и (п) = и (п)(г, 2),

д{

0, (11)

и {п) - тангенциальная компонента вектора перемещений. С учетом представлений (5) выпишем отличные от нуля компоненты тензора напряжений:

з(«) = е(п) = и

г{{г

ди

(п ) ф

и

(п ) ф

дг г

ди (п) (п) = е(п) =,,Н{ 2( иф2 М-п

(12)

д2

де(Гг> ег()+е(г> де{2 д2 и(п)

дг

д2

дt2

с граничными условиями:

2) е 12 | > а,

е^ ) =

г{

*0, |2

-а < 2 < а,

(13)

(14)

Ь1 =

(18)

ло слоев в стенке трубопровода), размерность матрицы Ь N - 2N X 2N. Пусть N = 1. Представим матрицу ЬN в виде

^ 1ц Р

\р 011

Здесь А *т и Р 01 - двухэлементные векторы ([1x

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