научная статья по теме ВЫНУЖДЕННЫЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ТОЛСТОЙ КРУГЛОЙ ЖЕСТКО ЗАКРЕПЛЕННОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ Механика

Текст научной статьи на тему «ВЫНУЖДЕННЫЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ТОЛСТОЙ КРУГЛОЙ ЖЕСТКО ЗАКРЕПЛЕННОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2014

УДК 539.3

© 2014 г. Д. А. ШЛЯХИН

ВЫНУЖДЕННЫЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ТОЛСТОЙ КРУГЛОЙ ЖЕСТКО ЗАКРЕПЛЕННОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ

Построено новое замкнутое решение осесимметричной нестационарной задачи теории электроупругости для круглой толстой пьезокерамической пластины с жестким закреплением ее внешней цилиндрической поверхности. Использование смешанных краевых условий для криволинейной плоскости позволяет получить достаточно простые расчетные соотношения. Замкнутое решение построено методом разложения по собственным вектор — функциям в форме структурного алгоритма конечных преобразований. С помощью полученных соотношений определяется частота собственных колебаний, напряженно—деформированное состояние исследуемого элемента, а также все характеристики индуцируемого электрического поля.

Ключевые слова: вынужденные осесимметричные колебания, толстая пьезокерамическая пластина, задача электроупругости.

1. Введение. Широкое использование в современном приборостроении в качестве основных рабочих элементов толстых круглых пьезокерамических пластин предъявляет дополнительные требования к точности их расчета. Задача существенно усложняется при исследовании напряженно-деформированного состояния конструкций в случае динамического воздействия и учете связанности механических и электрических полей напряжений. В связи с этим можно отметить достаточно ограниченный круг работ, выполненных для тел конечных размеров в рамках трехмерной теории электроупругости. Причем большинство этих исследований посвящено определению собственных колебаний [1—4]. Результаты, справедливые для пьезокерамического ра-диально поляризованного цилиндра конечной длины, для установившегося режима вынужденных колебаний получены в [2]. Использование базисных функций позволило понизить размерность и свести задачу к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которая в дальнейшем решается численным методом.

В исследованиях [5, 6] методом конечных интегральных преобразований построены замкнутые решения нестационарных осесимметричных задач для короткого анизотропного пьезокерамического цилиндра с окружной поляризацией материала при смешанных краевых условий на его торцах. Существенным представляется то, что построенный алгоритм справедлив для произвольного динамического воздействия.

В настоящей работе исследуется нестационарная осесимметричная задача теории электроупругости для круглой толстой пластины с аксиальной поляризацией материала и жестким закреплением ее цилиндрической поверхности. В отличие от традиционно используемых краевых условий в заделке, записываемых в перемещениях, рассматриваются смешанные краевые условия, что позволяет получить достаточно простые, расчетные соотношения.

2. Постановка задачи. Пусть круглая сплошная пьезокерамическая пластина, занимающая в цилиндрической системе координат (г*, 9, г*) область О: {0 < г* < Ь, 0 < 9 < 2п,

0 < г* < Л}, представляет линейно-упругое анизотропное тело. Рассматривается случай, когда цилиндрические неэлектродированные (г* = Ь) поверхности элемента жестко закреплены, а на его торцевую плоскость (г* = К) действует осесимметричная динамическая нагрузка (нормальные напряжения) д*(г*, г).

Краевая задача моделирует работу пьезоэлементов в приборах прямого пьезоэф-фекта, когда механическое воздействие трансформируется в электрический сигнал, который фиксируется путем подключения эквипотенциальных электродированных торцевых плоскостей к измерительному прибору.

В общем случае дифференциальные уравнения осесимметричного движения и электростатики однородной упругой анизотропной среды в цилиндрической системе координат записываются в виде:

дагг , д°Гг , ^ гг -°ее рд2и *

дг* дг* г* дг2

дагг дг* + д°гг дг* + ®гг г* д 2Ж* п р 2 =0 дг2

= 0

(2.1)

дБг/дг* + Б^г^ + дБ,/дг* = 0

Уравнения состояния анизотропного пьезокерамического тела с аксиальной поляризацией материала определяются следующими равенствами [7]:

^ ди*г и* дЖ* Г

= СП~— + С12-+ С13 —--е31Ег

дг* г* дг*

*

-г ди*г и * дЖ *

= С12 "Г--+ С11--+ С13 "Г-

дг* г* дг*

- е31Ег

(2.2)

° гг = С13

( \ ди * + и*

дг* г*

+ С

33

дЖ * дг.*

- е33Ег

° гг = С55

'дЖ * + ди* Л дг* дг*

- е15Ег

= £33Ег + е31

(ди * + и*Л

дг* г*

+ 633

дЖ * дг*

Вг = гпЕг + 615

'дЖ * + ди * ^ дг* дг*

Ег =-

дф* дг*

Ег =-

дф* дг*

В соотношениях (2.1), (2.2) г — время, о]к(г*, г*, г), и*(г*, г*, 0, ^*(г*, г*, г) — соответственно компоненты тензора механических напряжений и вектора перемещений (}, к = г, 9, г); а.(г*, г*, 0, а(г*, г*, г), д.(г*, г*, 0, Ег(г*, г*, г), ф*(г*, г*, г) - компоненты векторов индукции, напряженности и потенциал электрического поля; р, Сте, ет5 — объемная плотность, модули упругости, а также пьезомодули анизотропного электроупругого материала (т, .9 = 1,5); е11, е33 — диэлектрические проницаемости материала.

В результате подстановки (2.2) в (2.1) получаем систему дифференциальных уравнений и граничные условия рассматриваемой задачи теории электроупругости для установившегося режима вынужденных колебаний в безразмерной форме:

V U + С55 dU + ( + C55 ) д2W + (e31 + e15 ) д 2ф 2jj _ Q

С11 dz.2 С11 дг dz 633 дг dz v2w + ^ + (C13 + C55) Vди + V2ф + д2ф + \W = 0 (2.3)

С11 С11 dz2 С11 dz езз dz2

en V2W+д^ + (e31 + e15) VдU - V 2ф-С^ = 0

езз dz e33 dz e33 e33 dz

r = 0, r = 1: W (0, z) <<», U (0, z) <<», ф (0, z) <<» СЦБЦ дф + e15 (dW + dU

DrV=1 = -^n dL + tllI ^ + д. I = 0 (2.4)

ef3 dr e331 dr dz)

U (1, z) = 0, W (1, z) = 0

z = 0, z = L: ctzz|z=L = CiVU + C3dWW + ^ = q(r) С11 С11 dz dz

CT zz|z=0 = С3 VU + С3 SW + = 0 (2.5)

Сц Сц dz dz

стгг = ^(W + d_U] + £15^ = 0, 5ф = 0

Сц V дг dz) е33 дг дг В равенствах (2.3)—(2.5) общий для всех функций временной множитель ехр (-Ш) опускается, 0 — частота вынужденных колебаний,

X2 =£1_р, {U,W,r,z,L} = {U*,W*,r*,z*,h}/b, ф = Ф*6зз/(ЬСц)

C

11

q(r) = q*(r), v; + 4j, v2 + , +1

Сц ' dr2 r dr r2' dr2 r dr' dr

r

Соотношения (2.3)—(2.5) и представляют математическую формулировку рассматриваемой краевой задачи электроупругости.

3. Построение общего решения. Решение осуществляется методом конечных интегральных преобразований Ханкеля по координате r. Для этого равенства (2.3)—(2.5) приводятся к стандартной форме, позволяющей провести данную процедуру разделения переменных. Принимая во внимание линейность данных соотношений и теорему о суперпозиции решений, функции U, W, ф представляются в виде следующих разложений:

U(r,z) = /1 (r) q(r) + u (r,z), W(r, z) = /2 (r) K(z) + w(r, z) (3.1)

Ф (r, z) = /3 (r) K (z) + X (r, z)

Кроме того, последнее условие (2.4) заменяется на равенство

= C* idW+тт)+-Г = к М- (3.2)

C11 v dr dz J e33 dr

Здесь K (z) = K* (z)/C11; K*(z) — касательные напряжения, приложенные к цилиндрической поверхности пластины и определяемые в процессе решения задачи из условия отсутствия вертикальных перемещений при r = 1.

При этом функция К(г) должна удовлетворять зависимости ь 1

|К (г)йг = -|д (г) гйг

(3.3)

которая является условием уравновешенности пластины при действии осесимметрич-ной нагрузки.

В результате подстановки (3.1) в (2.3)—(2.5), (3.2) при учете соотношений

/1 (1) = /1 (0) = 0,

df2 (г

йг

|г =0

й/3 (г йг

= 0

|г=0

й/2 (г;

йг

С11£11

й/3 (г

"=1 С55£11 + е15

йг

е15е33

(3.4)

•=1 С55Е11 + е15

получаем новую краевую задачу относительно функций и (г, г), г (г, г), X (г, г). Дифференциальные уравнения (2.3) и граничные условия (2.5) становятся неоднородными с правыми частями + Е3, N1 - N, а (2.4) с учетом (3.2) при г = 1 принимают вид

и (1 г) = 0, дг

дг

-=1

= 0, дХ

дг

= 0

(3.5)

-=1

В преобразованных равенствах Р1 = -у? + ^2) [[(г^г)]-

С13 + С55 /г) + е31 + е15 /г) Сц йг е33 йг

йК(г) йг

Р2 =-

Е3 =-

V2^2(г) + 615 у/г) + А/г)

С11 е33

К(г) -

^ /2(г) + /3(г)

С11

й К(г)

йг2

615 V/ (г) - ^ v2/з (г)

е33

2

е33

К (г) -

Су.

N1 (г, Ь) = д (г (г )д (г)] -

С11

/2 (г) - ^ /3 (г)

е33

йК (г)

йг \г=Ь

й2К (г) йг2

С3 /2 (г) + /3 (г) 1.41

N2 (г,0) = - С3 У[Л (г )д (г )]■ С11

С33 /2 (г) + /3 (г) С11

йК (г)

йг \г=0

{{3 (г,Ь),N4 (г,0)}=-С55{К(Ь),К(0)}, {{ (г,Ь), N6 (г,0)} = -{К(Ь), К(0)} С11 йг йг

К краевой задаче относительно и (г, г), г (г, г), X (г, г) применяем преобразование Ханкеля с конечными пределами по переменной г, используя следующие трансформанты

ин (}п, г) = |и (г, г) П1 (}пг) йг

0

1

{гн (Л, г), фн (Л, г)} = {{( г), х ( г)}П0 (>)йг

(3.6)

и формулы обращения

— (, z) = 2Х 0„г)

п=1 1 0 )

- (г, ^ = 2]Г 0 (/», х (г, z) = 2]Г Шфо О/)

п=о 1 о (Л) п=о 1 о (Л)

В равенствах (3.6), (3.7) ]п — корни трансцендентного уравнения

1 (/п) = о (И = о^; ]о = о)

В пространстве изображений получаем следующую краевую задачу: • 2 С55 й2-н (С13 + С55) . й-н (е31 + е15) ,. ¿фн л 2 _

]п—И + _ 2 _ 1п ,

С11 йт. С11 dz

+ Х —н _

е33 dz

С55 .2 С33й2—н (С13 + С55) . й—н е15 л, й2фн . 2 ^

--Т5/п-Н ^ТТ1-2Н +-^--/пФН + —+ ^ 2н _ Р

С11 С11 dz,2 С11 dz в33 йГ

е15 ;2 + й2-Н + (е31 + е15) . й—н + С11Ё11 :2Ф С11Ё33 й2фН _ г

--/п-н +-— +-/п~Г~ + —2— /пфн--2--Г _ Г3Н

е33 dz е33 ^ е33 е33 dz

z =

о, z = Ь С^/п—н + С3^ + = { (/п, Ь), Щн (]„,о Сп Сп dz dz

С55 - /п-Н] = {{ (/п, Ь), мщ (Л, о)}

-/пФн = {н (/п, Ь), N 6Н (}п, о)}

1

{н, N3н, NЛн, N5H, N 6н} = N3, N4, N5, N6}} (() йг

о

1

{{н, Рн, ^н, N2Н} = } {, Г3, N1, N2}}о (() йг

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)

При исследовании (3.9), (3.10) необходимо рассмотреть два случая: п = о и п ф о. Когда п = о, формируется следующая задача относительно —н (/о,z), фн (/о,z):

й 2wн|dz 2 + р2-н = Гн

Фн \-н + К^) |

С11£33 I

/2 (Г) - ^ /3 (Г)

2

е33

гйг >

(3.11)

(3.12)

z =

о, z = Ь: — — + ^ = N2Н (о) Сп dz dz

Рн = (Сцен + е23) ^СпЕцГН- + е^Н), р2 = Х2/

(3.13)

/4 = С711Ё33 2 , (N5,, N2*н, РН, РН} =

С33е33 + е33

|{N1, N2, Г2, Р}

о

Общий интеграл равенства (3.11) с учетом (3.4), (3.13) имеет вид

гн С/0,г) = А0С08(рг) + ¿^т (рг) + р 1 (£) sinp (г - йЕ,

»10 = [1п (рЬ)

-1

»20PС0S (рЬ) - /41д (г) гйг -

ь i \ 1

+ |^ ф^р (Ь -$)й^ + ^ |/2 (г) гйг

йг 1г=ь :

(3.14)

»20 = р

-1 йК (г) йг

|г=0 ,

|/2 (г) гйг

При п ф 0 система уравнений (3.9) при

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