научная статья по теме РАСПРОСТРАНЕНИЕ КРУТИЛЬНЫХ ВОЛН В РАДИАЛЬНО-СЛОИСТОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ Механика

Текст научной статьи на тему «РАСПРОСТРАНЕНИЕ КРУТИЛЬНЫХ ВОЛН В РАДИАЛЬНО-СЛОИСТОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА < 2 • 2008

УДК 539.3

© 2008 г. Н.К. АХМЕДОВ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КРУТИЛЬНЫХ ВОЛН В РАДИАЛЬНО-СЛОИСТОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ

В [1-3] показано, что спектр однородных решений для слоистых тел с чередующимися жесткими и мягкими слоями делится на "низшую" и "высшую" части. Причем низшей части спектра всегда соответствует некоторая прикладная теория. В [4] метод, развитый в [1-3], обобщен на задачи стационарных крутильных колебаний радиально-неоднородного цилиндра и дано обобщение на динамический случай прикладной теории, построенный в [2].

В данной работе с помощью аналитических и численных методов исследуется распространение крутильных волн в радиально-слоистом цилиндрическом волноводе.

1. Рассмотрим распространение стационарных крутильных упругих волн в радиально-слоистом цилиндрическом волноводе, состоящем из чередующихся n = 2h - 1 жестких и мягких слоев. Будем предполагать, что внешние слои жесткие. Каждый жесткий слой снабдим нечетным номером j = 1, 3, ..., n, а мягкий - четным i = 2, 4, ..., n - 1 (порядок нумерации от центра цилиндра). Для простоты предположим, что модули сдвига Gj = Gg, Gi = G¡ и плотности m,j = mg, mi = m¡ всех жестких и всех мягких слоев одинаковы. Внутренний и внешний радиусы k-го слоя обозначим г0к и г1к соответственно. За относительную характеристику жесткости примем малый параметр p = G¡/Gg.

Уравнение движения k-го слоя в цилиндрической системе координат имеет вид [5]:

(к) (к) „ (к) -.2 (к) ЭоРФ ЧФ _ d uФ

(к) (к) , >- ч „ , (к) (к)

ное время; иф = иф (р, q, т) - компонента вектора смещений к-го слоя; Орф , аф^ -

+ + = Мк (1.1)

Эр Э^ р к Эх2

где р = т/т1п, £ = Цт1п - новые безразмерные координаты; т = (¿/т1п),уG0/т0 - безразмер-

т( к) ->рф

компоненты тензора напряжений к-го слоя; «фк) = ифк) /т1п, Gк = Gk/G0, тк = тк/т0,

°ркф! = °Тф) сф^1 = с^ /G0 (к = 1, п) - безразмерные величины; G0 и т0 - некоторые характерные параметры, имеющие размерности модулей сдвига и плотности.

Компоненты тензора напряжений к-го слоя, срф , сф^1 выражаются через компонент вектора перемещений следующим образом [5]:

с® = Gk(дифк)/Эр - «фк)/р), сфк^) = GkЭмфк)/Э£ (1.2)

Соединение слоев будем считать жестким, что означает выполнение следующих условий сопряжения

с?ф(Ры ^ т) = срф+ 1)(Ро5 +1. ^ т)

«ф°(р!Д,Т) = «ф' + 1)(Ро« +1.^,т) (' = 1 п -1 )

Предположим, что боковая поверхность цилиндрического волновода свободна от напряжений, т.е.

ССРохЛт) = 0, °РФ( U.T) = 0

(1.4)

Решение задачи, полученное после подстановки (1.2) в (1.1), (1.3), (1.4), ищем в виде

uk (р)e

¡a -

В результате имеем спектральные задачи:

,, 1 ,

uk + - uk +

í2 2

-Г" a e

LVck

2

Р

(1.5)

(1.6)

(u1" V Р)| р0, = (Un " UJP)\ 1 = 0

=u

s + 1

p0s + 1

Gs( u's " Us/P)\pís = Gs +1( us + 1" us + 1/P)|p0s + 1

(1.7)

(1.8) (1.9)

где О - безразмерная частота; ек = (Ок/шк)112; к = 1, п; я = 1, п -1.

Краевая задача (1.6)-(1.9) содержит два спектральных параметра О и а. Определение волновой картины в радиально цилиндрическом волноводе связано с построением дисперсионных кривых а( = аг(О).

При всяком вещественном О задача (1.6)-(1.9) имеет конечное число вещественных собственных значений и счетное множество чисто мнимых собственных значений. Вещественным собственным значениям аг спектральной задачи (1.6)-(1.9) соответствуют однородные волны, распространяющиеся вдоль оси цилиндра и осуществляющие перенос энергии. Мнимые собственные значения а { определяют неоднородные волны, не переносящие энергию.

Для радиально слоистого цилиндрического волновода построение дисперсионных кривых в полном объеме можно осуществить, только сочетая аналитические и численные методы. Чтобы повысить эффективность численного анализа, необходимо дисперсионные кривые а( = а/О) идентифицировать с помощью некоторых "реперных точек" и найти возможные асимптотики этих кривых. В качестве "реперных точек" можно взять собственные значения задачи (1.6)-(1.9) при О = 0 либо собственные значения (1.6)-(1.9) при а = 0.

Первая задача прир ^ 0 исследована в [2]. Задача (1.6)-(1.9) при а = 0 описывает толщинные резонансы. В плоскости (а; О) каждая кривая пересекает ось частот в точке (0; Ог), где О{ - частоты толщинного резонанса и является началом дисперсионных кривых.

Изучим множество толщинных резонансных частот. Для этого исследуем следующую задачу, положив а = 0 в (1.6)-(1.9):

1

+ - uk Р

2

Q2

2

Р

0

(uí- u1/Р)|р01 = (u'n " un/P) I1 = 0

*s + 1

Pоs

(1.10)

(1.11) (1.12)

ф

0

k

u

s Р1

u

u

sl Р

1 s

и'я _ М5/р)|р^ = Ся +1 (и'я + 1- + ,, (к = 1, п; я = 1 п-1)

Р05 + 1

(1.13)

2. Проведем анализ спектральной задачи (1.10)-(1.13) при р ^ 0. Будем различать два случая: С1 ^ 0, - фиксировано и ^ С1 - фиксировано.

Выделим слой с номером к и рассмотрим для него следующую вспомогательную задачу:

1

и„ + - иу +

О_±

2 2 .ек Р .

и

к],

У-> ик

ик = 0

К

|р0к " " |р1к " Решение (2.1), (2.2) имеет вид

ик = —[_ ук^(1к1)(р1к> Р) + У+ ^1к1)(Рок Р)] ¿п(О)

0°) = Рок)^Р:к) _ <ОРк)^Р Р) = ■/( ^Т Р^к) Г.( Ор) _ /.( Ор) Г,(

(2.1) (2.2)

(2.3)

где 1,, У, - функции Бесселя первого и второго родов соответственно, , = 0, 1; 0 = 0, 1;

q = 071.

Возвращаясь к исходной задаче (1.10)-(1.13) и удовлетворяя с помощью (2.3) условиям (1.11)—(1.13), получим однородную алгебраическую систему:

А(О; р)и = А0(О)и + рА1(О)и = 0

(2.4)

Здесь, учитывая У+ = У_ +1, введем 2Н-мерный вектор вида и = (V1, V +, У3, У+, ..., V_ , У+ )г (Н - число жестких слоев); А0, А: - блочные матрицы вида

А0

А10) 0 Д0)

0

0 Аз ... 0

0 0 ... А

(0)

А1 =

(1) 2

А

(2) 2

0

(3) а(!) . л (4) А(2)

2

0 0

А4 + А2

0 0

4

0 0

0 0

,(3)

п _3

0 0

А°) + А(4)

Ап _ 1 + Ап _ 3

А

,(3)

А

0 0

(2)

п-1

(4)

А(0 =

L^Q)

Jj) Aj)

U(( U(2

Áj) Aj) "21 "22

А( ( ) = 0 0 , a(2) 0 0

------------------ 0 (i) ------------------ 4?(О) (i) - "(2 0

А(3) = 0 (i) , A(4) = --------(-------- (i) - "22 0

------------------ l^q- 0 0 L((!() (О) 0 0

(к) "(1

2С(О) - ^р0^(О)

(к) (2

2 П

(к) "2(

2, п'

(к)

22

2 4?(О) -Q Р(кЬ((к0)(О)"

] = 1, 3, ..., п; I = 2,4, ..., п -1; к = 1, 2, 3,..., п

Для изучения спектра матрицы A(Q, р) при р ^ 0 исследуем спектр предельной матрицы A(Q, 0) = A0(Q). Спектр А0(О) является объединением спектров матричных блоков ее составляющих:

п

Л,( о) = и Л. (0)

} = 1,3,.

Здесь Л^(0) - спектр оператора A0(Q), а ЛДф - спектры операторов (О), представляющих собой двумерные матрицы.

Рассматриваемый предельный случай A0(П) и = 0 (А(0) и. = 0, и. = (V- ;У+)Т) соответствует условию отсутствия напряжений на боковых поверхностях к отдельных несвязанных между собой жестких слоев.

Приравнивая определители А.0*1 нулю, получим

о2

Ак (О) = — L^(Q) -

2О (к)

ек Р( к

0( (О) -

2О (к)

ек Рок

(О) +

ь[к(\О) = 0

р0кр(к

(2.5)

Таким образом, каждая ветвь Л/(0) состоит из собственного значения О0 = 0 и счетного множества собственных значений, которые представляют корни уравнения

L00)(O) -

2 ек

lO^Q) -—к- L(0 (О) + 2 Ор к 0 Ор0к 0 О2р0кр к

2ек

г( к).

4 ек

L(n)(Q) = 0

(2.6)

Предельный переход при р ^ 0 невозможен, если О является корнем одного из уравнений

L (((О) = 0

(2.7)

к

Это указывает на возможность существования дополнительных ветвей у предельного спектра. Для определения возможности существования дополнительных ветвей у предельного спектра, соответствующих случаю ^ - фиксировано, рассмотрим следующую вспомогательную задачу

1

2

и„ + - и^ +

0

О_±

2 2 ек Р

Ск(ик_ ик/Р)|Р0к = Ск(ик _ ик/Р)|Р1

Решение (2.8) имеет вид

=

(2.8)

Ск Лк (О)

IО Орш Р) _ р- ¿и (Рш Р) )+

ек Р1к

+ (От(к), ч 2 т(к), ч + т(р0к> Р) _ —¿п (р0к> Р)

ек Р0к

(2.9)

Удовлетворяя с помощью (2.9) условиям (1.11)—(1.13), получим В(О; р)^ = В0(О)^ + рБ1(О)^ = 0

(2.10)

Здесь с учетом

ж«

0 и = +1 введен вектор w = (, , , ,

_ 1, 1 )т, где В0(О), В1(О) - блочные матрицы вида

В

в20) 0

0 в

(0) 4

0 0 ... в

0 0

(0) п _1

В1 =

В11) + в34)

В

(2)

В

(3)

в31)+в54) в52)

0 0

0 0

в(3) в( 1) + в( 4)

вп_2 вп _2 + вп

в(0) =

Л; (О)

Ь(;) и(;) Ь21 ь22

в?> =

в(3) =

1

Л/О) 1

■Л Л) 22

0 0

_&2? 0

Л ,(О)

0 _ь

0 0

в(2) =

1

вГ> =

Л Л (О) 1

Л Л (О)

0 0

_Ь12) 0

0 0

0 _ь11)

и

к

+

0

3

3

b(k) b11

2 LflcQ) - 0Lf0)(Q>; b1k2

Pik

nPok

b(k> -b21 -

b(k> -b22 -

2-L(iki>(Q) -0 L0ki>(Q)

t-1

пР1к Р1к ек

к = Т7й; г = 2, 4, ..., п -1; / = 1, 3, ..., п

Обозначим спектр предельного оператора Б(О, 0) = Б0(О) через Лг(0), где

п-1

Л1 (0) = и Л;( 0 )

1 = 2,4, ...

Каждая ветвь Лг(0) соответствует условию отсутствия перемещений на боковых поверхностях мягких слоев и определяется корнями уравнения (2.7).

Применяя теорию возмущений линейных операторов [6] к алгебраической системе (2.4), (2.10), сформулируем следующую теорему.

Теорема. Спектр Л(р) задачи (1.10)-(1.13) представляется в виде Л(р) = Л0(р) и и Л1(р) и Л2(р), причем

1). Л0(р) состоит из двукратного собственного значения О = 0 и из 2(й - 1) собственных значений вида

~ 1/2 3/2 ч

О, - p п, + O (p )

(2.11)

где п - ненулевые собственные значения однородной якобиевой алгебраической системы

CX - п2DX - 0

C -

11

0... 0

с11 -(с11 + C33) с33-

0 0 0...с„

(2.12)

D - diag||djj\\, X - (X1, X3,..., Xn)T

4 4

d.. -PjJP0i с..

jj 4 jj

2 p 2. P 0.+2

2 2'

p0, j + 2 - p1 j

j - 1,3,

2). Л:(р) состоит из й множеств собственных значений вида О г = О + О (/)

где Оуй - корень уравнения (2.6).

3). Л2(р) состоит из й - 1 множеств собственных значений вида

О,7 = О1Чо + О (р§)

(2.13)

(2.14)

где О1/0 - корень уравнения (2.7).

Здесь 5 = 1, если О/Ю ф О/ + 1г0, О/-г0 ф О/ - 1г0 и 5 = 1/2, если имеет место хотя бы одно из равенств О/Ю = О/ + 1Ю, О/г0 = О/ - 1/0.

k

с

11

Рассмотрим построение асимптотических приближений в окрестности (а, О) = (0; 0). При О = 0 точка а = 0 является двукратной точкой спектра (1.6)-(1.9). Учитывая это, будем искать решение задачи (1.6)-(1.9) в окрестности (а, О) = (0; 0) в соответствии с методами теории ветвления [7]:

а2 = й2 О2 + й2 О4+ ...; ик = ик 0 + О«к1 + ...

(2.15)

Подстановка (2.15) в (1.6)-(1.9) приводит к некоторой реккурентной системе, пос

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