- •Воронеж 2017
- •Редакционная коллегия
- •Введение
- •В.И. Ряжских, а.В Ряжских, в.А. Рябцев о некоторых особенностях функционалов для плоских задач теплопроводности
- •Е.И. Иохвидов формулы обращения и некоторые их приложения
- •Д.В. Хван, а.А. Воропаев, ю.Б. Рукин повышение несущей способности пресса для осадки с кручением
- •В.А. Трубецкой, с.Л. Добрынин математическое описание учебного робота рс-121
- •В.И. Ряжских, а.В. Ряжских, в.А. Рябцев моделирование методом конечных элементов температурного поля тонкой пластины с отверствиями
- •В.А. Шаруда задача о сдвиговом воздействии на нелинейное упругое полупространство
- •М.Ф. Томилов, ф.Х. Томилов, с.А. Толстов оценка возможности бездефектного производства деталей из листовых заготовок
- •В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, с.С. Безгин, к.А. Устинов экспериментальное определение параметров модели многопереходной листовой штамповки
- •В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, а.А. Гольцев, а.В. Струкова, ю.Б. Рукин экспериментальное построение диаграммы деформирования материалов в условиях сложного напряженного состояния
- •Ю.Б. Рукин, р.А. Жилин, е.Ю. Чернышова дискретное моделирование механизма очистки решет очистителя зерна стационарного
- •Постановка задачи и конечно-элементная модель
- •Результаты конечно-элементного моделирования
- •Выводы и рекомендации
- •В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, а.А. Гольцев, ю.Б. Рукин, л.В. Хливненко определение параметров кинематического упрочнения для создания баз данных сапр листовой штамповки
- •А.П. Бырдин, в.И Кузнецова, в.С. Прач, а.А Сидоренко о распространении плоских термоупругих волн в наследственно-упругой среде
- •В.И. Ряжских, а.В. Ряжских, в.А. Рябцев об одном способе дискретизации областей при решении краевых задач вариационными методами
- •В.А. Трубецкой, а.К. Муконин преобразование координат m-фазной машины. Структуры контура регулирования фазных токов
- •Т.И. Костина, ю.И. Сапронов нелокальный анализ периодических колебаний математического маятника
- •Заключение
- •Содержание
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
- •394006 Воронеж, 20-летия Октября, 84
Введение
В межвузовском сборнике научных трудов «Вопросы теории и приложений математических моделей механики и процессов переноса» опубликованы работы преподавателей кафедры прикладной математики и механики, преподавателей других кафедр ВГТУ, а также коллегами из других вузов г. Воронежа. Представленные статьи носят теоретический и прикладной характер и посвящены вопросам анализа операторов, построения и исследования математических моделей, возникающих в задачах механики конденсированных сред и технологических задачах, связанных с научными направлениями, рекомендованными Ученым Советом ВГТУ.
В трех работах сборника проведен анализ множества неподвижных точек абстрактного оператора определенного типа, анализ ветвления решений нелинейного уравнения, рассмотрен вопрос обратимости разностных операторов с медленно изменяющимися коэффициентами.
В другом классе работ представлены результаты исследований волновых процессов в нелинейно-упругих и нелинейных наследственно-упругих средах. Рассмотрен метод решения нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих распространение волн в полубесконечной среде.
В ряде работ решены прикладные задачи об оценке эффективности аддитивных технологий, моделировании и анализе напряженно-деформированного состояния капсул, устойчивости неклассических подкрепленных оболочек.
В следующей группе работ рассмотрена устойчивость листовых материалов при деформировании, предельные деформации разрушения таких материалов, а также вопросы равновесия деформируемых стержневых систем.
Представленные в сборнике статьи имеют практическую направленность и могут служить основой инновационных решений. Результаты публикуемых работ могут представлять интерес для специалистов в области прикладной математики, механики, теории тепло- и массопереноса в композитных системах, материаловедения, а также для аспирантов, специализирующихся в соответствующих направлениях исследований.
УДК 624.073
В.И. Ряжских, а.В Ряжских, в.А. Рябцев о некоторых особенностях функционалов для плоских задач теплопроводности
Получена вариационная формулировка краевой задачи о температурном поле тонкой изотропной пластины при теплоотдаче на поверхностях. Доказано, что компоненты функционала краевой задачи, являющиеся интегралами по частям внешней границы пластины, на которых задана фиксированная температура, имеют постоянные величины
Н
а
основе уравнения стационарной
теплопроводности получена вариационная
формулировка краевой задачи о температурном
поле тонкой плоской изотропной пластины
при теплоотдаче на поверхностях и
внешней границе. Доказано, что
компоненты функционала, порожденные интегралами по частям внешней границы пластины, на которых задана фиксированная температура, имеют постоянные величины;
смешанные граничные условия на внешнем контуре пластины для указанного функционала являются естественными.
Уравнение
стационарной теплопроводности пластины
в системе координат
,
имеет вид
, (1)
где
-
абсолютная температура;
-температура окружающей среды;
-оператор Лапласа;
;
;
,
-коэффициенты теплопередачи на
поверхностях пластины и теплопроводности
материала;
-толщина
пластины;
.
Пусть
-
область, занятая срединной плоскостью
пластины в системе
(рисунок),
-открытое
множество, а
-
граница
.
Пусть на
задана температура
,
а на части
границы теплообмен отсутствует и
выполняется условие Неймана
,
где
- нормаль к
.
Пусть на
происходит теплопередача в окружающую
среду с температурой
.
Тогда
.
(2)
Если
функция
-
решение краевой задачи (1)-(2), то очевидно,
что функция
есть решение краевой задачи для уравнения
,
(3)
и
граничных условий
на
,
и
. (4)
Энергетическая
норма
,
порожденная оператором
[1]
,
(5)
где
;
;
-
элемент длины границы
;
-
направляющие косинусы внешней нормали
к границе пластины.
На участке внешней границы
.
На
участке
.
Вариация
.
(6)
Так
как на границе
температура не варьируется, интеграл
от первого слагаемого равен нулю.
Поскольку вариация производной равна
производной от вариации
Пусть
длина
и
-
параметр, такой, что
,
.
Тогда
=
,
(7)
где
- производные по
;
-значения
параметра
для начальной и конечной точек кривой
.
Пусть
каждой точке проекции кривой
на ось х или у соответствует единственная
точка
,
,
существуют взаимно-однозначные функции
и
,
производные
,
,
а
-
координаты
начальной и конечной точек границы
и выполняются другие условия, необходимые
для вычисления интегралов
.
Если какой-либо участок границы
перпендикулярен одной из осей координат,
то на этом участке
или
равны
нулю и одно из слагаемых
заведомо равно 0, а второе слагаемое
может быть вычислено. Следовательно,
при указанных условиях интеграл
существует.
Интегрирование по частям дает
,
.
Поскольку
в любой точке
температура не варьируется, эти интегралы
равны нулю. Поэтому, на границе, на
которой задана функция
,
вариация (6) криволинейного интеграла,
вызванная вариацией температуры, равна
нулю.
Следовательно,
при минимизации функционала
величина
сохраняется. Величин
можно вычислить при задании функции
,
удовлетворяющей граничным условиям,
но равной нулю или постоянной всюду в
(например
).
Для такой функции
и
.
Это позволяет при минимизации
определять значение
с точностью до постоянного слагаемого
,
что значительно упрощает вычисления.
Поэтому для определения
можно использовать функционал
.
По
,
можно оценивать отклонение
от минимального его значения.
Пусть
-
гильбертово пространство и
[[1]. Величина
является энергетической нормой
,
не равной тождественно нулю всюду в
и удовлетворяющей указанным граничным
условиям. Согласно [1] §8, оператор
является положительным в
.
Существование единственного решения
для задачи Дирихле для оператора
при смешанном краевом условии типа (4)
доказано в [1] §25. Если функция
удовлетворяет уравнению
и граничным условиям (4), то она минимизирует
функционал
.
Для минимизации функционалов можно использовать дискретизацию области методом конечных элементов или конечных разностей. В последнем случае возникают существенные трудности, связанные с аппроксимацией граничных условий конечно-разностными выражениями, которые вызывают основную проблему. Процесс решения подобных задач оптимизационными методами существенно упрощается при естественных граничных условиях для . Для , минимизирующей функционал задачи оптимизации естественное граничное условие удовлетворяется автоматически.
Ниже
доказывается, что граничное условие
(4) для функционала
,
порожденного оператором
,
является естественным.
Пусть условие (4) является единственным. Функционал
является энергетической нормой для оператора . Очевидно, что оператор положителен в .
Пусть
-
дважды дифференцируемая в
функция, удовлетворяющая только (3) и
сообщающая минимум
.
Пусть
произвольное вещественное число и
-произвольная
функция, дважды дифференцируемая
.
Если
фиксирована, то функционал
становится функцией
и имеет минимум при
=0.
Тогда должно выполняться очевидное
условие
.
Легко проверить, что
.
Производная этого выражения по при =0 имеет вид
. (8)
На основании формулы Грина
.
Равенство (8) принимает вид
.
Для
произвольной функции
это возможно только при
,
,
что означает, что есть решение задачи (3)-(4).
Полученный
результат означает, что при решении
задачи (3)-(4) методом конечных разностей
при непосредственной аппроксимации
вторых производных уравнения (3) и
последующем использовании сеточной
нормы соответствующей матрицы системы
разностных уравнений и функционала
- сеточного аналога функционала
,
интегралы типа
в выражение для
не войдут. Функция, удовлетворяющая
условиям
на
и сообщающая минимум
,
будет удовлетворять и условиям (4).
Следовательно, при поиске решения
путем минимизации функционала
,
естественные граничные условия (4) можно
не учитывать. Это условие выполняется
при любом способе дискретизации области
.
Очевидно,
что для функции
,
являющейся решением задачи (3)-(4)
и
.
При определении
путем оптимизации
можно использовать (5), содержащее первые
производные
,
или скалярное произведение выражения
на
.
В последнем случае
должна иметь непрерывные вторые частные
производные. Каждый из указанных способов
имеет свои преимущества и недостатки
и априорно о выгодности этих способов
судить бесполезно.
Литература
Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике / С.Г. Михлин.– Москва: Издательство Наука, 1970.- 512 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 539.31
А.П. Бырдин, В.С. Прач, А.А. Сидоренко, О.А. Соколова
ОБРАЩЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ
ОПЕРАТОРОВ НЕКОТОРОГО КЛАССА В ТЕОРИИ
ВЯЗКОУПРУГОСТИ
Получены выражения для ядер обратного оператора к нелинейному аналитическому оператору с сепарабельными ядрами. Рассмотрено приложение к решению нелинейных дифференциальных уравнений определенного типа
Как известно, определяющее отношение для нелинейных наследственно-упругих сред можно представить в виде нелинейного аналитического функционала [1]
(1)
,
(2)
где
- напряжение,
- деформация,
- ядра наследственности порядка m.
Известно,
что если ядро
соотношения (1) содержит аддитивно
составляющую в виде дельта – функции,
то это соотношение можно обратить [2], и
обратное соотношение представляется
в виде аналитического оператора
,
(3)
действие которого на функции задается аналогично равенству (2).
Одной
из задач настоящего исследования
является конструктивное построение
ядер оператора
по заданным ядрам оператора
.
Рассматривая равенство (1) как уравнение
относительно функции
при заданных напряжениях, а соотношение
(3) как решение этого уравнения, с помощью
техники много мерного интегрального
преобразования Лапласа можно получить
следующую рекуррентную систему уравнений,
связывающую искомые ядра оператора
с заданными функциями наследственности
,
(4)
где
- лаплас-образ функции
,
- длина мультииндекса J,
- символ Кронекера. Из соотношения (4)
можно получить и интегральные уравнения,
связывающие ядра операторов
и
в пространстве оригиналов
,
(5)
.
При условии сепарабельности ядер релаксации
(6)
Можно получить замкнутое решение соотношений (4)
и
моделируя зависимость коэффициентов
сепарабельности
от номера, можно получить конкретный
вид функции
.
Например, если соотношение (1) содержит
интегралы нечетной кратности и
,
то
.
Функции построены и для других моделей коэффициентов, используемых в литературе, а методом их построения является метод производящих функций. Рассмотрен пример – ползучесть под действием ступенчатого возбуждения.
Наиболее распространенным методом решения динамических задач нелинейной вязкоупругости является метод осреднения, основанный на предположениях малости вязкости и нелинейности в системе. Однако в решении, построенном этим методом, не учитывается влияние высших гармоник, что может оказаться существенным.
Развиваемый в этой работе метод рядов Вольтерра для решения нелинейных интегродифференциальных уравнений наследственной упругости имеет то преимущество, что фактические вычисления сводятся к алгебраическим и квадратурным.
Как и в квазистатическом случае, метод основан на представлении решения в виде нелинейного аналитического функционала возбуждения с последующим построением рекуррентного соотношения для изображений ядер обратного оператора и вычислением квадратур.
Пусть закон движения наследственно-упругой системы описывается уравнениями
,
,
.
(7)
Разыскивая
решение задачи (7) в виде (2), можно получить
соотношение типа (4), в котором вместо
функций
фигурируют функции
.
С помощью многовременных соотношений
типа (5) можно найти ядра оператора
и построить решение задачи.
В качестве примера рассмотрим решение нелинейного интегродифференциального уравнения, моделирующего задачу о колебаниях осциллятора с нелинейно-наследственной возвращающей силой.
Ниже рассматривается задача о стационарных колебаниях нелинейного наследственно-упругого осциллятора методом интегростепенных рядов Вольтерра [3].
Уравнение движения одномассового осциллятора имеет вид
,
(8)
где
- перемещение, масса осциллятора (без
массы пружины), Е
– коэффициент жесткости пружины,
- амплитуда возбуждения,
(n=1,2,…),
(9)
-
ядра наследственности, свойства которых
описаны в [2].
В безразмерных переменных уравнение (8) примет вид
,
(10)
где
,
- время релаксации материала пружины,
- безразмерная амплитуда возбуждения
(штрих у новой временной переменной
опущен).
Стационарное решение уравнения (10) разыскиваем в виде
,
(11)
где
операторы
определены аналогично операторам (9).
Определение
ядер интегральных операторов
(n=1,2,…)
в (11) осуществляется разрешением
рекуррентного соотношения для
Фурье-трансформант этих ядер [4]
,
(12)
,
где звездочка над буквой обозначает трансформанту Фурье соответствующей функции; остальные обозначения совпадают с обозначениями в работе [3].
Пусть
функция
,
описывающая внешнее силовое воздействие
на осциллятор, представляется
тригонометрическим полиномом
,
(13)
,
,
где N - фиксированное натуральное число, черта над буквой обозначает комплексное сопряжение.
Стационарное
решение уравнения (10) получим из (11) и
(13), изменив порядок выполнения операций
суммирования и произведения, и
проинтегрировав результат по
(k=1,2,…,n).
Имеем
,
(14)
,
где
сумма в последнем выражении (14) берется
по целым решениям уравнения
;
при этом «длина» мультииндекса
может
быть и отрицательной.
Выражение (14) вместе с рекуррентной системой (12) и формулами (13) представляет собой формальное решение уравнения (10).
Покажем, что (14) является решением уравнения (10) в частном случае сепарабельности весовых функций релаксации (6).
Ввиду
наличия параметра Р
в правой части уравнения (10), очевидна
справедливость неравенства
.
Поэтому для всех m
выполняется
.
Учитывая эти замечания получаем оценку
коэффициентов ряда по параметру Р
в (14)
.
Таким образом, функциональный ряд (14) мажорируется следующим степенным рядом
.
(15)
Можно показать, что при условии сепарабельности заданных функций (6) из рекуррентной системы уравнений (12) вытекает следующая оценка Фурье-трансформант ядер интегральных операторов, представляющих решение (11)
,
(16)
где
- полином Лежандра порядка n,
,
,
,
.
Учитывая оценку (16), получим интервалы сходимости мажорирующего ряда (15) для двух случаев:
при
условии
,
имеем
;
(17)
при
условии
,
имеем
.
(18)
Аналогично
вышеизложенному можно показать, что
функция
,
полученная почленным дифференцированием
(14), представляется равномерно сходящимся
рядом в интервале (17) или (18).
Таким образом, тригонометрический ряд (14), с аналитическими по амплитуде возбуждения коэффициентами, представляет собой отклик нелинейной наследственно-упругой системы на периодическое возбуждение при условии, что амплитуда внешней силы подчинена ограничениям, связывающим амплитуду с реологическими и механическими параметрами системы.
Литература
1. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. – М.: Наука, 1977. – 384 с.
2. Победря Б.Е. Математическая теория нелинейной вязкоупругости. – Упругость и неупругость, 1973, вып. 3, с. 95-173.
3. Бырдин А.П., Розовский М.Н. О волнах деформации в нелинейной наследственно-упругой среде // Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1984, №4. – с. 100-104.
Воронежский государственный технический университет
Донецкий политехнический институт (г. Донецк, Украина)
УДК 517.982.224
