научная статья по теме ЗАДАЧИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРМОУПРУГОСТИ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ЗАДАЧИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРМОУПРУГОСТИ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 551-555

= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА

УДК 536.2(075)

ЗАДАЧИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРМОУПРУГОСТИ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ © 2015 г. И. В. Кудинов, В. А. Кудинов

Самарский государственный технический университет E-mail: totig@yandex.ru Поступила в редакцию 02.04.2014 г.

C использованием гиперболического уравнения теплопроводности, найденного из условия релаксации теплового потока и градиента температуры в формуле закона Фурье, получено точное аналитическое решение краевой задачи динамической термоупругости для бесконечной пластины с симметричными граничными условиями первого рода. Показано, что в каждой точке пространства напряжения изменяются скачкообразно во времени с периодической сменой их знака. При незатухающем характере процесс изменения напряжений происходит по типу закрепленной с двух сторон струны, имеющей изломы (скачки напряжений), перемещающиеся по пространственной переменной во времени.

DOI: 10.7868/S0040364415030102

ВВЕДЕНИЕ

При высокой скорости изменения температуры температурные напряжения в любой конкретный момент времени зависят от предыстории распределения напряжений в теле. Время в данном случае, в отличие от квазистатических задач, приобретает смысл независимой переменной, в связи с чем в уравнениях термоупругости появляются инерционные члены, учитывающие изменение напряжений во времени. При этом различают связанные и несвязанные задачи динамической термоупругости. В случае связанной задачи во взаимосвязанном уравнении теплопроводности учитывается зависящий от деформации член механической связи. В несвязанных задачах этой зависимостью пренебрегается, т.е. не учитывается изменение температуры от деформации тела, а учитываются лишь инерционные члены в уравнениях равновесия, используемых для вывода уравнений динамической термоупругости. В работе рассмотрена несвязанная задача динамической термоупругости.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При выводе одномерного уравнения динамической термоупругости используется уравнение равновесия и соотношение между напряжениями и деформациями [1—8]

дх

-.2 д u

= рд7'

Sх = (1 +;')(lw 2V)ах + а(T - T0). (2) (1 - v) E (1 - v)

Дифференцируя уравнение (1) по переменной x,

с учетом соотношения s х = dujdx получаем

д2 а х

д 2е х

дх2 Р dt2

= 0.

(3)

(1)

Подставляя (2) в (3), находим д2дх(х, г) _ 1 д2стх(х, г) _ 1 + V д2Т(х, t)

^ 7 " (4)

(г > 0,0 < х <5),

где с2 = Е(1 - у)/[(1 + у)(1 - 2у)р] — скорость распространения упругой волны, 8 — толщина пластины, стх — нормальное напряжение, х — координата, Т — температура, Т0 — температура в ненапряженном состоянии, I — время, Е — модуль упругости, V — коэффициент Пуассона; а — коэффициент линейного расширения; р — плотность, и — перемещение, б х = йи/йх — деформация.

Начальные и граничные условия для уравнения (4) при отсутствии внешней механической нагрузки для бесконечной пластины имеют вид

ах(х, 0) = 0, дах(х,0)/дг = 0, ах(0,г) = 0, ах (5, г) = 0.

Распределение температуры Т (х, г) в задаче (4), (5) предполагается известным из решения соответствующей задачи теплопроводности. В данном случае в качестве Т (х, г) было использовано аналитическое решение гиперболического уравнения теплопроводности, полученного на основе учета ре-

(5)

552

И. В. КУДИНОВ, В. А. КУДИНОВ

лаксации (инерционности) теплового потока и градиента температуры в формуле закона Фурье [9, 10].

Для приведения задачи (4), (5) к безразмерному виду введем следующие безразмерные пере-

менные:

а =

Fo =

ct

а x (1 - 2v) ^ _ aE (To - TCT)' 8

^ _ X Q _ T TC

(6)

T0 TCT

где а — безразмерное напряжение, Fo — число го-мохронности (безразмерное время), £, — безразмерная координата, © — относительная избыточная температура, Т0 — начальная температура, Тст — температура пластины при х = 0 и х = 5 (Т0 > Тст).

Задача (1)—(5) с учетом (6) приводится к виду

д2ст ( Бо) д2ст ( Бо) _д 20 ( Бо) д2,2 дБо2 дБо2

(Бо > 0,0 1,0 <0< 1), а &0) = 0, да (£,0)/5Бо = 0, а (0, Бо) = 0, а (1, Бо) = 0.

Математическая постановка задачи теплопроводности в случае, когда релаксируются тепловой поток и градиент температуры в формуле закона Фурье, имеет вид [9, 10]

Бот) + Бо д20£, Бот) =

(7)

(8) (9)

(10) (11)

dFoT

dFoT

д26>(Ъ, FOt) + Fo д30(Ъ, FOT)

(12)

(13)

дЪ, дЪ, dFoT

(FoT > 0,0 < Ъ < 1), 0 (£,0) = 1, 50 (£,0)/5FoT = 0, 0 (0, FoT ) = 0, 0 (1, FoT ) = 0,

где FoT = at/ 52 — число Фурье, Fo,. = ат r/ 52 = = const, тг — коэффициент релаксации, а — коэффициент температуропроводности.

В работах [9, 10] приводится точное аналитическое решение задачи (12), (13), имеющее вид

0 О;, Fo) =

да

= X [[ exp(z№ F°T) + c2k exp(z2k FOt)] x (14)

k=1

x cos

i_r 2 (1 - 2;)

1k'

где Z1k = -vk, Z2k = -VFor , C1k = -AZ2k, C2k = AZ

r = 2k - 1, A = 4B1/[(rn + 2B2B1)(z1k - z2k)], B1 = = sin (rп/2), B2 = cos (rП2).

Для того чтобы решения термоупругой и температурной задач были согласованы во времени, из условия Бот = Бо находим

Бот = аБо/(с5). (15)

Следовательно, в решении (14) при его подстановке в уравнение (7) вместо Бот необходимо использовать соотношение (15).

Подставляя (14) с учетом (15) в (7), получаем

52ст ( Бо) 52ст ( Бо) _

52,2 5Бо2 _

да

_ т2Х(е*ктРо + С2^е^тРо) х (16)

k=1

х cos

■(1 - 2^)

где т = а/(с8), г = 2к - 1.

Решение уравнения (16) с начальными и граничными условиями (8)—(11), следуя методу разделения переменных, принимается в виде

Fo) = X N©9(Fo),

(17)

где N (£) =

cos

k=1

r П(1 - 2^)

(r = 2k - 1; k = 1, да).

Подставляя (17) в (16), находим

X

k=1

2 2 r п cos

Lr п (1 - 2$)

9(FO) +

5 Wo). 5Fo2

x cos

Lr п (1 - 2$)

+ m

(C1kz1k e

ZutmFo

(18)

+ Ckz2keZ2kmFo) cos

L 2

(1 - 2$)

= 0.

Разделив каждый член суммы (18) на N(^), получим

X

k=1

dFo2

d o(Fo) , 2 2 re ч , —^ 2 + r n 9(Fo) +

+

m2 ((eZ1kmFo + C2kZ 2keZ2kmFo)

(19)

= 0.

Так как каждый член бесконечной суммы (19) представляет обыкновенное дифференциальное уравнение, то для ее выполнения достаточно потребовать решения любого из этих уравнений независимо от величины к, т.е.

d 9(Fo) dFo2

+ ^9(Fo) + n(Fo) = 0,

(20)

где D = r V, n(Fo) = m2 (ClkztkeZ1kmFo + C2kZ2*eZ2kmFo). Интегрируя уравнение (20), находим

да

да

да

Рис. 1. Распределение температуры в пластине при симметричных граничных условиях первого рода (расчет по (14)): т = 0.001, Бог = 0.001, п = 1000 (п — число членов ряда (14)).

Рис. 2. Распределение температуры при малых значениях числа Бо = сг182 (расчет по (14)): т = 0.001, Бог = 0.001, п = 10000 (п — число членов ряда (14)).

Фк (Бо)

- т

(21)

С1пк ^(глБо) + С2пк sin(rпБо) -

Сш1ш(¿т2 + V к )е "1ктРо +

/2 2 , ч/2 2, ч"1"

^кт + V к )(1ит + V к)

+ С2к11к (¿т2 + V к )е "2ктБо

/22 ч,22, ч

(^т + V к )(11кт + V к)_ где С1пк, С2пк — постоянные интегрирования.

Непосредственной подстановкой можно убедиться, что решение (21) удовлетворяет уравнению (20) при любом значении г = 2к — 1 (к = 1, да).

Подставляя (21) в (17), получаем а Бо) =

ГО

= X [[ ^(гпБо) + С2пк sin(rпБо) + Д)] X (22)

к=1

х cos

1_\ г 21 (1 - 2^)

где Б0 = п(Бо)/(Д + т2г2), г = 2к — 1.

Для определения постоянных интегрирования С1пк, С2пк используем начальные условия (8), (9). Подставляя (22) в (8), (9), находим

С1пк - т

С1к^>1к (12кт "+V к )

2кт 2

^ к Х^2

V к )

+

С2к12к (11кт

V к )

(12кт 2

V к )(121кт 2

V к ).

(23)

С2пк - т [(т2С^^1к + C1kZl3kVк)/Д1 +

+ (т C2kZ2kZlk + С2к123kV к VД1 ] ,

г> I / 2 4 2,2 2, 2 2, 2ч Где Д = у1\к (12кт 11к + 12кт Vк + Vк11кт + Vк).

Подставляя (23) в (22), с учетом обозначений для Б и Б1 получаем

к=1

а ( Бо) = X 1 С2пк ^ (СкБо) + С1пк

х ео8

(СкБо) -

т

Ск^т2 + V к )ег1ктБо ..(¿т2 + V к Х^т2 + V к)

+ (24)

С2к^2к (¿т2 + V к )е '2кт¥о (¿т2 + V к )(1шт2 + V к)_

ео8

^ § (1 —)

Решение (24) точно удовлетворяет уравнению (16) и краевым условиям (8)—(11), в чем можно убедиться с помощью подстановки.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Распределение безразмерной температуры, найденной по формуле (11), приведено на рис. 1, 2. На рис. 3, 4 даны результаты расчетов правой части уравнения (13) (т.е. величины Бо) =

=-7), являющейся источником возникно-

дБо

вения динамических температурных напряжений. Их анализ позволяет заключить, что для любых в окрестности внешних поверхностей пластины (^ ^ 0 и ^ ^ 1) при Бо ^ 0 величина ©''(^, Бо) с уменьшением числа Бо возрастает (ввиду увеличения числа членов ряда правой части уравнения (13)), оставаясь равной нулю непосредственно в точках ^ = 0 и ^ = 1 при любых значениях числа Бо, в том числе и при Бо ^ 0. Изменение ©''(^, Бо) по координате для любых значений числа Бо показано на рис. 3.

Результаты расчетов температурных напряжений по формуле (22) для значений = 0.1, 0.3, 0.5

ГО

554

И. В. КУДИНОВ, В. А. КУДИНОВ

0"

4

Рис. 3. Изменение второй производной © "(£, Бо) = = д2®(£, Бо)/дБо2 по координате £ для отдельных моментов времени: т = 0.001, Бог = 0.001, п = 1000 (п — число членов ряда (14)).

а 0.002

0.001

0

-0.001

-0.002

1 2 3 4 5 6

Бо

Рис. 4. Изменение напряжений во времени в точках £ = 0.1, 0.3, 0.5 (расчет по (24)): т = 0.001, Бог = 0.001, п = 1000 (п — число членов ряда (24)).

4

Рис. 5. Изменение напряжений по координате £ для некоторых значений времени Бо (расчет по (24)): параметры те же, что на рис. 4.

приведены на рис. 4. Их анализ позволяет заключить, что напряжения в этих точках с течением времени изменяются скачкообразно, периодически изменяя знак, т.е. имеет место скачкообразно-волновой характер изменения напряжений. В момент времени Бо = 0.1 в точке ^ = 0.1 возникает скачок напряжения растяжения. Затем на участке времени 0.1 < Бо < 0.9 происходит незначительное снижение напряжения и в момент времени Бо = 0.9 в этой точке происходит еще один скачок напряжений, по величине равный первоначальному скачку. Второй скачок объясняется тем, что за время Бо = 0.9 прямая волна, достигая центра пластины (^ = 0.5), увеличивается в два раза по амплитуде колебания (в результате встречи двух волн, движущихся навстречу друг другу от внешних стенок пластины = 0 и = 1),

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