Miscellaneous types of localization of natural oscillations of a gasket between parallel flanges
- 作者: Nazarov S.A.1
-
隶属关系:
- Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences
- 期: 卷 517, 编号 1 (2024)
- 页面: 29-35
- 栏目: МЕХАНИКА
- URL: https://bakhtiniada.ru/2686-7400/article/view/272252
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740024040059
- EDN: https://elibrary.ru/JPINVH
- ID: 272252
如何引用文章
全文:
详细
Both bases of a thin cylindrical gasket are fixed but the lateral side stays traction-free. For middle cross-sections with a smooth boundary as well as for a square one, we describe the asymptotics of frequencies of natural oscillations. Based on an investigation of the spectrum of the mixed boundary-value problem in the theory of elasticity in a quarter of the unit layer, we discover a new effect of localization of modes of natural oscillations near vertices of the square section and of the exponential decay at a distance from them. In the case of the smooth boundary of the cross-section eigenmodes concentrate either near the whole edge (a circular plate), or at the vicinity of points of maximum of the contour curvature.
全文:
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Тонкая однородная изотропная цилиндрическая пластина Ωh = ω × (0,h) находится в идеальном контакте с двумя прямыми абсолютно жесткими фланцами (рис. 1) и имеет продольное сечение , ограниченное простым замкнутым контуром ∂ω. Далее различаем три случая: ω — круг или прямоугольник (рис. 2a, б), а также произвольная область с гладкой границей, у которой кривизна κ (отрицательная на вогнутых участках) принимает максимальное значение в одной точке (рис. 2в). Собственные колебания прокладки описываются системой уравнений Ламе
−μ∆xuh − (λ + μ)∇x∇x · uh = Λhuh в Ωh (1)
с условиями свободного края (Неймана) на боковой поверхности Гh = ∂ω × (0,h) и жесткого защемления (Дирихле) на основаниях , а именно,
. (2)
Рис. 1. Круглая (а) и прямоугольная (б) прокладки. Жестко защемленные основания глубоко тонированы.
Рис. 2. Круговое, прямоугольное и яйцевидное продольные сечения прокладки. Постоянная и нулевая кривизны (a, б). Угловые точки (б) и единственная точка максимальной кривизны (в) снабжены меткой •.
При этом ∇x = grad, ∇x · = div, ∆x = ∇x · ∇x — оператор Лапласа, Λh — спектральный параметр, пропорциональный квадрату частоты колебаний, uh = () — вектор смещений, а σ(n)(uh) — вектор нормальных напряжений с декартовыми компонентами
.
Здесь n = (n1,n2) — единичный вектор внешней нормали к границе сечения , — компоненты тензора напряжений второго ранга,
(3)
а λ ≥ 0 и μ > 0 — постоянные Ламе и δj,k — символ Кронекера.
Вариационная формулировка задачи (1), (2) апеллирует к интегральному тождеству [1, 2]
,
причем — натуральное скалярное произведение в пространстве Лебега L2(Ωh), скалярном или векторном, — пространство Соболева функций, обращающихся в нуль на основаниях пластины, а удвоенная упругая энергия, запасенная пластиной выглядит так:
(4)
Нижний индекс приписан к обозначению квадратичной формы (4) для того, чтобы отличать ее от удвоенной упругой энергии E2 в плоской задаче, которая (энергия) получается удалением из подынтегрального выражения компоненты и всех производных по переменной x3.
Основная цель сообщения — указать асимптотическое поведение при h → +0 собственных чисел задачи (1), (2)
0 < ≤ ≤ ... ≤ ≤ ... → +∞ (5)
и соответствующих собственных вектор-функций , которые подчинены условиям ортогональности и нормировки
. (6)
2. ЭФФЕКТЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ
В классической теории пластин Кирхофа (см. [3–6] и др.), которая подразумевает постановку условий Неймана (отсутствия внешнего нагружения) на обоих основаниях и пластины, моды собственных колебаний описываются решениями краевых задач на сечении и поэтому оказываются распределенными по всему телу . В статье [7], по-видимому, впервые установлено, что собственные вектор-функции задачи (3) (или (1), (2) в дифференциальной форме) сконцентрированы около кромки Гh и затухают с экспоненциальной скоростью при удалении от нее. На первый взгляд кажется, что причиной их такого “странного” поведения служит жесткое защемление оснований , не “пропускающее” колебания вовнутрь тела . Это впечатление ошибочно: в той же статье проверено, что асимптотика собственных пар системы (1) с условиями Дирихле, распространенными на всю поверхность пластины,
uh = 0 на ∂Ωh = (7)
описывается именно решениями задачи Дирихле для системы двух уравнений Гельмгольца
−μ∆x'ν = Mν на ω,ν = (ν1,ν2) = 0 на ∂ω, (8)
где x' = (x1, x2) — система продольных координат. Таким образом, в задаче (1), (7) эффект локализации отсутствует. Как пояснено в [8, 7], предельная задача в значительной мере определяется феноменом пограничных слоев, которые существенно различаются для краевых условий (2) и (7), а для рассматриваемой далее прямоугольной прокладки (рис. 1б) появляется ранее неизвестный пространственный пограничный слой (см. рис. 3 и разд. 3).
Рис. 3. Четверть единичного слоя. Жестко защемленные основания глубоко тонированы.
В разд. 4 сообщения воспроизведены асимптотические конструкции, отвечающие обнаруженному ранее эффекту локализации в задаче (1), (2), которые различаются для кругового и, например, яйцевидного сечений на рис. 2a–в, и в значительной степени повторяют материал сообщения [8], где, в частности, обследована упругая накладка (верхнее основание , как и боковая поверхность Гh, освобождено от внешних воздействий), для которой также характерна концентрация собственных мод вблизи кромки. Основной и абсолютно новый результат — локализация мод около углов прямоугольного сечения (рис. 2б) при λ > 0 — представлен в разд. 5. В разд. 6 отдельно рассмотрен случай λ = 0, в котором локализация происходит в окрестностях сторон прямоугольника. Эти выводы обеспечены технически наиболее сложным в сообщении анализом спектра смешанной краевой задачи теории упругости в четверти слоя (рис. 3)
Ξ = {ξ = (ξ1,ξ2,ξ3):ξ1 > 0,ξ2 > 0, ξ3 ∈ (0,1)}, (9)
возникающей вследствие растяжения исходных координат в h−1 раз. Так, в разд. 3 удалось проверить, что при λ > 0 дискретный спектр задачи содержит по крайней мере одно собственное число, причем именно соответствующая собственная вектор-функция, затухающая на бесконечности с экспоненциальной скоростью, порождает эффект “околоугловой” локализации. В случае λ = 0 у задачи в неограниченной области (9) возникает пороговый резонанс (ср. публикации [9–11] и см. разд. 3), который как раз и дает возможность завершить асимптотический анализ “околореберной” локализации в разд. 6.
Обнаруженное необычное поведение мод собственных колебаний порождает концентрацию напряжений в малых или узких зонах хрупкого тела, которая в свою очередь провоцирует процесс разрушения. Приведенные результаты подтверждают известный из повседневной практики факт: отслоение прокладок и накладок обычно начинается с угловых или иных сингулярных точек на границе. Именно поэтому при наклеивании тонких поверхностных заплаток у них обычно закругляются углы, а тщательная проклейка края заплатки особенно важна. Прокладки между фланцами в водопроводных и газовых трубах обязательно имеют округлую, обычно кольцевую, форму.
3. СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАДАЧА В ЧЕТВЕРТИ СЛОЯ
Рассмотрим спектральную смешанную краевую задачу теории упругости для однородного изотропного упругого тела (9) на рис. 3, вариационная формулировка которой выглядит так:
E3(w,Ψ;Ξ) = M(w,Ψ)Ξ ∀ Ψ ∈ (Ξ;Y1 ◡ Y2). (10)
Здесь M — спектральный параметр, Yp = {ξ ∈ ∂Ξ: ξ3 = p}, p = 0, 1, — основания четверти слоя, которые жестко защемлены, но боковая поверхность оставлена свободной (ср. исходные краевые условия (2)). Поскольку левая часть интегрального тождества (10) — положительно определенная, замкнутая в H1(Ξ) и симметричная билинейная форма, задаче о собственных колебаниях четверти слоя Ξ ставится [13, гл. 10, 1] в соответствие положительно определенный самосопряженный неограниченный оператор в гильбертовом пространстве L2(Ξ) .
По обычной схеме (построение сингулярной последовательности Вейля при M ≥ M† и регуляризатора оператора при M ∈ (0, M† ); ср. работу [14]) проверяется, что существенный спектр ℘ess оператора — луч [M†,+∞), точка отсечки которого — первое (наименьшее) собственное число
M† := β1 ∈ (0, μπ2) (11)
плоской задачи теории упругости в полубесконечной единичной полосе (далее — полуполосе)
П = {ξ' = (ξ2, ξ3): ξ2 > 0, ξ3 ∈ (0,1)}. (12)
Существование изолированного собственного числа (11) в дискретном спектре последней задачи установлено, например, в статье [12]. Соответствующую собственную вектор-функцию, обращающуюся в нуль на боковых сторонах полуполосы П, нормированную в пространстве L2(П) и затухающую при ξ2 → +∞ с экспоненциальной скоростью, обозначим через W = (W2,W3).
Нижняя грань всего спектра ℘ оператора вычисляется согласно минимальному принципу [13, теорема 10.2.1]
(13)
Таким образом, дискретный спектр ℘d оператора непустой, если только нашлась пробная вектор-функция ψε ∈ , для которой
E3(ψε,ψε;Ξ) < M† .(14)
В этом случае величина (13) располагается ниже точки отсечки (11) и является первым собственным числом оператора . Положим
, (15)
где Y — какая-то гладкая функция с малым носителем. В силу формулы (15) имеем
E3(ψε,ψε;Ξ) =
При этом W = (0,W2,W3) и Y = (Y,0,0), а E2 (W,W;П) = — упругая энергия полуполосы, порожденная захваченной двумерной волной. В итоге при помощи формулы интегрирования по частям придаем неравенству (14) следующий вид:
(16)
Поскольку собственная мода W не может быть соленоидальной всюду в упругой полуполосе П, находим точку Р ∈ П, в которой ∇ξ' · W(P) ≠ 0, и подбираем функцию Y так, чтобы интеграл из левой части (16) стал отрицательным. В итоге, при λ > 0 неравенство (14) выполнено для пробной вектор-функции ψε с компонентами (20) и достаточно малом ε > 0, т.е. дискретный спектр ℘d оператора в самом деле непустой. Первое собственное число задачи (10) обозначим M1 а соответствующую собственную вектор-функцию — w(1) ∈ . При помощи приемов из [7] можно убедиться в экспоненциальном затухании w(1)(ξ) при |ξ| → ∞.
При λ = 0 вектор-функция W — ограниченное решение задачи в четверти слоя Ξ, а значит, в ней реализуется пороговый резонанс [9–11].
К сожалению, вопрос о кратности дискретного спектра при любых значениях параметра λ остался открытым.
4. СЕЧЕНИЯ С ГЛАДКОЙ ГРАНИЦЕЙ
Сообщим известные сведения о собственных парах задачи (1), (2) (см. публикации [7, 8]). Асимптотическое представление собственных чисел выглядит так:
. (17)
Здесь J = 1 при ω = {x' = (x1, x2): |x'| < 1}, но J = 2 для области на рис. 2в, у которой строгий глобальный максимум κ0 > 0 кривизны границы достигается в одной точке s0 ∈ ∂ω. Положительные множители B и b1 сложным образом зависят от интегральных характеристик собственной моды W в полуполосе П и, разумеется, от постоянных Ламе λ и μ. В случае круга Km — собственное число обыкновенного дифференциального уравнения наединичной окружности
(18)
причем (n, s) — локальная система координат, т.е. расстояние до контура ∂ω, измеренная вдоль внешней нормали, и длина дуги на нем. Во втором случае Km — собственное число уравнения гармонического осциллятора (см., например, книгу [15]):
(19)
где — растянутая координата (ср. сообщение [8]), а коэффициенты A > 0 и a > 0 зависят от W и λ, μ, а также от . Кроме того, множитель b2 в формуле (17) пропорционален величине .
Отметим, что асимптотические представления собственных вектор-функций, нормированных согласно формуле (6), приобретают вид
где Vm — собственная функция уравнения (18) или (19), а различие в показателях степеней малого параметра h обусловлено разным растяжением координат.
Для кругового и эллиптического колец (рис. 4) асимптотические серии (17) собственных чисел задачи (1), (2) тиражируются: асимптотические конструкции годятся соответственно для внутренней окружности на рис. 4a, или нескольких точек глобальных и локальных максимумов кривизны, помеченных значком • на рис. 4б.
Рис. 4. Круговое (а) и эллиптическое (б) кольца. Точки максимумов кривизны (б) снабжены метками •.
5. ПРЯМОУГОЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ И λ ˃ 0
В противоположность технически сложному исследованию спектра задачи (10) асимптотика первых четырех (по количеству вершин прямоугольника) собственных чисел из последовательности (5) легко выводится при помощи максиминимального принципа [13, теорема 10.2.2] и принимает вид
= h-2(M1 + O(e-δ/h)), δ > 0, k = 1,…,4. (20)
Соответствующие собственные вектор-функции задачи (1), (2) допускают представления
причем k = 1,…,4 и ξ(k) — растянутые h−1 в раз декартовы координаты с центрами в вершинах прямоугольного сечения.
Асимптотическое строение собственных чисел с номерами m ≥ 5 — полностью открытый вопрос из-за отсутствия информации о кратности дискретного спектра задачи (10) и появления у нее пороговых резонансов.
6. ПРЯМОУГОЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ И λ = 0
Поскольку кратность дискретного спектра осталась неизвестной, обсуждаем две ситуации.
Если и при λ = 0 дискретный спектр оператора остается непустым, то начальные члены последовательности (5) по-прежнему имеют вид (20).
В случае ℘d = ∅ благодаря тому, что в задаче (10) при λ = 0 возникает двойной пороговый резонанс, асимптотика собственных чисел становится такой:
.
Здесь — объединенная и упорядоченная последовательность собственных чисел задач Неймана для обыкновенных дифференциальных уравнений
(21)
на сторонах прямоугольника
ω = () × ().
При этом задачи (21) с индексами p = 1, 2 учитываются дважды — для каждой из противоположных сторон. Асимптотика собственных вектор-функций устроена достаточно сложно из-за возникновения угловых пограничных слоев.
7. НЕСКОЛЬКО ЗАМЕЧАНИЙ
Для сечений, изображенных на рис. 2, в разд. 4–6 представлены лишь основные (первые) асимптотические серии собственных чисел задачи (1), (2) (или (3) в вариационной форме). В разд. 4 уже упоминалось, что для обоих колец на рис. 4 возникают и другие серии собственных числах с устойчивыми асимптотиками. В случае прямоугольного сечения также можно построить собственные числа, порожденные двумерной (8) или одномерной (21) моделями упругой прокладки Ωh. Это не сделано в сообщении по причине отсутствия информации о пороговых резонансах задач теории упругости в полуполосе (12) и четверти слоя (9), и потому обоснованно поставить краевые условия на сторонах или в вершинах прямоугольника не удается. Подчеркнем, что при отсутствии порогового резонанса в задаче (10) при λ > 0 условия Неймана в задачах (21) заменяются условиями Дирихле в точках .
По-видимому, кратности дискретного спектра и пороговые резонансы можно определить разве лишь при помощи численных методов: в силу общих результатов [11] доступны приемы изучения названных объектов на основе вычисления устойчивых интегральных характеристик задач для упругих тел П и Ξ.
Предложенный в разд. 3 подход к изучению спектра трехмерной задачи теории упругости весьма чувствителен к геометрической и материальной симметриям. Какие-либо результаты о спектре анизотропного сектора слоя с произвольным углом продольного сечения неизвестны.
Вывод двумерной модели (8) для ортотропной прокладки Ωh = ω × (0,h) не встречает заметных препятствий согласно общим асимптотической процедурам [6]. Кроме того, приемы из работы [12] и книги [6] позволяют распространить модель и на прокладки с искривленной боковой поверхностью подходящих форм. Вопрос о поведении собственных частот тонких прокладок переменной толщины не рассматривался.
ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 124041500009-8).
作者简介
S. Nazarov
Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences
编辑信件的主要联系方式.
Email: srgnazarov@yahoo.co.uk
俄罗斯联邦, Saint-Peterburg
参考
- Ладыженская О.А. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973.
- Фикера Г. Теоремы существования в теории упругости. М.: Мир, 1974.
- Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1970.
- Шойхет Б.А. Об асимптотически точных уравнениях тонких плит сложной структуры // Прикладная математика и механика. 1973. Т. 37. № 5. С. 913–924.
- Морозов Н.Ф. Избранные двумерные задачи теории упругости. Ленинград: изд-во ЛГУ, 1978.
- Назаров С.А. Асимптотическая теория тонких пластин и стержней. Понижение размерности и интегральные оценки. Новосибирск: Научная книга, 2002.
- Назаров С.А. Двумерные асимптотические модели тонких цилиндрических упругих прокладок // Дифференциальные уравнения. 2022. Т. 58. № 6. С. 738–755.
- Назаров С.А. Модели пониженной размерности для пластины, закрепленной вдоль основания и части боковой поверхности // Доклады РАН. Физика, техн. науки. 2024. Т. 516 . С. 59–64.
- Molchanov S., Vainberg B. Scattering solutions in networks of thin fibers: small diameter asymptotics // Comm. Math. Phys. 2007. V. 273. № 2. P. 533–559.
- Grieser D. Spectra of graph neighborhoods and scattering // Proc. London Math. Soc. 2008. V. 97. № 3. P. 718–752.
- Назаров С.А. Пороговые резонансы и виртуальные уровни в спектре цилиндрических и периодических волноводов // Известия РАН. Серия матем. 2020. Т. 84. № 6. С. 73–130.
- Назаров С.А. Упругие волны, захваченные полубесконечной полосой с защемленными боковыми сторонами и изломанным торцом // Прикладная матем. и механика. 2023. Т. 87. № 2. С. 264–278.
- Бирман М.Ш., Соломяк М.З. Спектральная теория самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980.
- Dauge M., Lafranche Y., Ourmières-Bonafos T. Dirichlet spectrum of the Fichera layer // Integral Equations and Operator Theory. 2018. V. 90 (5, article 60).
- Ландау Л.Д., Лифшице.М. Квантовая механика (релятивиская теория). М.: Наука, 1974.
补充文件
