Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi

The Hamilton–Ostrogradskii variation principle is formulated, and, on its basis, the definition of initial-boundary dynamic problems of electroelasticity is grounded.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2008
Автор: Шульга, М.О.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2008
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4976
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi / М.О. Шульга // Доп. НАН України. — 2008. — № 7. — С. 76-81. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859669676885278720
author Шульга, М.О.
author_facet Шульга, М.О.
citation_txt Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi / М.О. Шульга // Доп. НАН України. — 2008. — № 7. — С. 76-81. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
collection DSpace DC
description The Hamilton–Ostrogradskii variation principle is formulated, and, on its basis, the definition of initial-boundary dynamic problems of electroelasticity is grounded.
first_indexed 2025-11-30T13:21:43Z
format Article
fulltext 3. Отже, iз аналiзу формули (26) випливає, що на виважену в рiдинi (η = 1) сферичну частинку радiацiйна сила не дiє. Вiдстанi вiд плоскої межi рiдини, якi вiдповiдають значен- ням β = nπ (n = 1, 2, . . .), є положеннями рiвноваги. При цьому β = (2n + 1)π визначають стiйкi положення рiвноваги, вiдносно яких сферична частинка може коливатися, а β = 2nπ визначають нестiйкi положення рiвноваги. 1. Гузь О.М., Жук О.П., Геращенко Н.В. Про рух цилiндра бiля твердої плоскої поверхнi в радiацiй- ному полi звукової хвилi // Доп. НАН України. – 1994. – № 11. – С. 61–65. 2. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. – Москва: Наука, 1966. – 520 с. 3. Жук О.П. Рух сферичної краплi рiдини пiд дiєю радiацiйної сили акустичного поля // Доп. НАН України. – 2007. – № 7. – С. 55–59. 4. King L.V. On the acoustic radiation pressure on spheres // Proc. Roy. Soc. Ser. A. – 1934. – 147, No 861. – P. 246–265. 5. Гузь А.Н., Головчан В.Т. Дифракция упругих волн в многосвязных телах. – Киев: Наук. думка, 1972. – 254 с. 6. Морз Ф. Колебания и звук. – Москва; Ленинград: ГИТТЛ, 1949. – 496 с. 7. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. – Москва: Изд-во Моск. ун-та, 1960. – 336 с. Надiйшло до редакцiї 23.11.2007Iнститут механiки iм. С.П. Тимошенка НАН України, Київ УДК 537.226.86 © 2008 Член-кореспондент НАН України М. О. Шульга Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi The Hamilton–Ostrogradskii variation principle is formulated, and, on its basis, the definition of initial-boundary dynamic problems of electroelasticity is grounded. Динамiчнi початково-крайовi задачi в математичнiй фiзицi вивчаються для рiвнянь гiпер- болiчного i параболiчного типiв [2]. В той же час в механiцi зустрiчаються системи рiвнянь негiперболiчного типу, для яких необхiдно розглядати неусталенi динамiчнi процеси, а от- же i формулювати початково-крайовi задачi. У данiй роботi математична постановка початково-крайових задач електропружностi формулюється на основi iнтегрального варiацiйного принципу Гамiльтона–Остроградського; поряд iз загальноприйнятою системою рiвнянь електропружностi розглядається її модифi- кований варiант, запропонований в роботi [3]. Загальноприйнята система рiвнянь електропружностi складається [1, 4] з механiчних рiвнянь коливань суцiльного середовища ρ ∂2uk ∂t2 = ∂σk1 ∂x1 + ∂σk2 ∂x2 + ∂σk3 ∂x3 + fk, k = 1, 2, 3, (1) 76 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №7 i квазiстатичного наближення рiвнянь Максвелла для речовини вiдносно компонент елект- ричного поля ∂D1 ∂x1 + ∂D2 ∂x2 + ∂D3 ∂x3 = 0, eijkEk,j = 0. (2) Для поляризованої вздовж осi ox3 п’єзоелектричної керамiки (п’єзокерамiки) i п’єзоелектри- кiв гексагональної системи класу 6mm з вiссю симетрiї шостого порядку ox3 рiвняння (1), (2) замикаються матерiальними залежностями σ11 = c11 ∂u1 ∂x1 + c12 ∂u2 ∂x2 + c13 ∂u3 ∂x3 − e13E3, σ22 = c21 ∂u1 ∂x1 + c11 ∂u2 ∂x2 + c13 ∂u3 ∂x3 − e13E3, σ33 = c31 ∂u1 ∂x1 + c31 ∂u2 ∂x2 + c33 ∂u3 ∂x3 − e33E3, σ23 = c44 ( ∂u3 ∂x2 + ∂u2 ∂x3 ) − e42E2, D1 = ε11E1 + e42 ( ∂u3 ∂x1 + ∂u1 ∂x3 ) , σ31 = c44 ( ∂u3 ∂x1 + ∂u1 ∂x3 ) − e42E1, D2 = ε11E2 + e42 ( ∂u3 ∂x2 + ∂u2 ∂x3 ) , σ12 = c66 ( ∂u1 ∂x2 + ∂u2 ∂x1 ) , D3 = ε33E3 + e31 ( ∂u1 ∂x1 + ∂u2 ∂x2 ) + e33 ∂u3 ∂x3 , (3) в яких врахованi формули Кошi ui,k + uk,i = 2Kik для деформацiй i 2c66 = c11 − c12. Звичайним чином система (1)–(3) зводиться до чотирьох рiвнянь типу Ламе ρ ∂2uk ∂t2 = Lk(u1, u2, u3, ϕ), 0 = L4(u1, u2, u3, ϕ), k = 1, 2, 3 (4) вiдносно компонент вектора механiчних перемiщень uk(x1, x2, x3, t) i електричного потенцi- алу ϕ(x1, x2, x3, t), який вводиться градiєнтним розв’язком E = − grad ϕ другого рiвняння з (2). В динамiчних задачах електропружностi система (4) трактується як гiперболоелiптична система, хоча математичний аналiз типу системи (4) вiдсутнiй. Такий висновок грунтується на тому, що вiдповiднi (4) системи незв’язаних рiвнянь (при eij = 0) теорiї пружностi ρ ∂2uk ∂t2 = Lk(u1, u2, u3, 0), k = 1, 2, 3 (5) i електростатики L4(0, 0, 0, ϕ) = 0 (6) будуть вiдповiдно рiвняннями гiперболiчного i елiптичного типу [1, 2, 4]. Для правильного формулювання динамiчно крайових задач електропружностi для сис- теми (1)–(3) будемо виходити з iнтегрального варiацiйного принципу Гамiльтона–Остро- градського. Для цього, перш за все, для системи рiвнянь (1), (2) сформулюємо спiввiдно- ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №7 77 шення, аналогiчне теоремi про змiну кiнетичної енергiї. З цiєю метою помножимо рiвнян- ня (1) на u̇k, перше рiвняння (2) на ϕ̇ i утворимо iнтегральну рiвнiсть ∫ V ((ρük − σik,i − fk)u̇k − Dk,kϕ̇) dV = 0. (7) Пiсля стандартних перетворень [4] надамо виразу (7) вигляду ∫ V ( ∂ ∂t ( 1 2 ρu̇ku̇k ) + σikK̇ik − DkĖk − fku̇k ) dV − ∮ S (σikniu̇k + Diniϕ̇) dS = 0, (8) де σikK̇ik−DiĖi = Ḣел — змiна електричної ентальпiї [4] (крапка над буквою означає похiдну за часом); ni — напрямнi косинуси зовнiшньої одиничної нормалi n до поверхнi S тiла V . На поверхнi S повиннi виконуватися кiнематичнi (головнi) граничнi умови uk(xS , t) = ukS(xS , t), ϕ(xS , t) = uS(xS , t) (9) або динамiчнi (природнi) граничнi умови niσik(xS , t) = pk(xS , t), niDi(xS , t) = −qпов(xS , t). (10) Зважаючи на iнтегральну рiвнiсть (8) i природнi граничнi умови, сформулюємо варiацiй- ний принцип Гамiльтона–Остроградського: якщо справедливi залежностi (3), тобто iснує потенцiальна функцiя деформацiї, i зовнiшнi сили i електричний заряд на поверхнi тiла не залежить вiд перемiщень ui(x1, x2, x3, t) i електричного потенцiалу ϕ(x1, x2, x3, t), то при iдеальних двостороннiх стацiонарних в’язях функцiонал HO = t2 ∫ t1 ( ∫ V ( 1 2 ρu̇ku̇k − Hел + fiui ) dV + ∮ (piui − qповϕ)dS ) dt (11) набуває стацiонарного значення на iзохронних варiацiях δuk, δϕ. Тут pi — компоненти за- даних зовнiшнiх поверхневих сил на одиницю площi (Н/м2); qпов — густина поверхневого заряду, Кл/м2; fi — густина заданих об’ємних сил на одиницю об’єму, Н/м3. Електричну ентальпiю визначимо таким чином: Hел = 1 2 c11 ( ∂u1 ∂x1 )2 + c12 ∂u1 ∂x1 ∂u2 ∂x2 + c13 ∂u1 ∂x1 ∂u3 ∂x3 + 1 2 c11 ( ∂u2 ∂x2 )2 + c23 ∂u2 ∂x2 ∂u3 ∂x3 + + 1 2 c33 ( ∂u3 ∂x3 )2 + 1 2 c44 ( ∂u2 ∂x3 + ∂u3 ∂x2 )2 + 1 2 c44 ( ∂u3 ∂x1 + ∂u1 ∂x3 )2 + 1 2 c66 ( ∂u1 ∂x2 + ∂u3 ∂x1 )2 − − 1 2 ε11 ( ∂ϕ ∂x1 )2 − 1 2 ε11 ( ∂ϕ ∂x2 )2 − 1 2 ε33 ( ∂ϕ ∂x3 )2 + e13 ∂u1 ∂x1 ∂ϕ ∂x3 + e13 ∂u2 ∂x2 ∂ϕ ∂x3 + + e33 ∂u3 ∂x3 ∂ϕ ∂x3 + e42 ( ∂u2 ∂x3 + ∂u3 ∂x2 ) ∂ϕ ∂x2 + e42 ( ∂u3 ∂x1 + ∂u1 ∂x3 ) ∂ϕ ∂x1 . (12) У функцiоналi (11) допустимими є функцiї ui(x, t), ϕ(x, t), якi задовольняють кiнематичнi (головнi) граничнi умови (9) на поверхнi S тiла V i умови ui(x, t1) = ui,1(x), ui(x, t2) = ui,2(x). (13) 78 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №7 Виконавши iзохронну варiацiю функцiоналу (11), користуючись перестановкою операцiй δ(·) i ∂(·)/∂xi, ∂(·)/∂t та формулою Остроградського–Гаусса, одержимо t2 ∫ t1 ∫ V (( −ρ ∂2uk ∂t2 + σik,i + fk ) δuk + Dk,kδϕ ) dV dt + + t2 ∫ t1 ∮ S ((−σiknk + pi)δui − (Dini + qпов)δϕ)dSdt + ∫ V ρ ∂uk ∂t δuk ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ t=t2 t=t1 dV = 0. (14) Оскiльки варiацiї δuk, δϕ незалежнi, то з iнтегральної рiвностi (14) одержуємо механiчнi рiвняння коливань (1), перше рiвняння (рiвняння Гаусса) (2) i природнi умови на границi областi S σiknk = pi, (15) Dini = −qпов. (16) З останнього iнтегралу в (14) випливає: 1) початковi умови в початково-крайових задачах електропружностi необхiдно форму- лювати тiльки для механiчних перемiщень ui(x, t = 0) = 0 u i (x), ∂tui(x, t = 0) = 1 u i (x); (17) 2) початковi значення електричного потенцiалу ϕ(x, t = 0) апрiорi формулювати не потрiбно; 3) початковi значення електричного потенцiалу ϕ(x, t = 0) узгоджуються з початко- вими значеннями механiчних перемiщень ui(x, t = 0) шляхом iнтегрування рiвняння 0 = = L4(u1, u2, u3, ϕ) системи (4) при t = 0. В роботi [3] запропонована модифiкована система рiвнянь електропружностi ρ ∂2uk ∂t2 = ∂σ1k ∂x1 + ∂σ2k ∂x2 + ∂σ3k ∂x3 + fk, k = 1, 2, 3, (18) µε2 ср ∂2ϕ ∂t2 = − ∂D1 ∂x1 − ∂D2 ∂x2 − ∂D3 ∂x3 , (19) яку треба доповнити тими ж матерiальними спiввiдношеннями (3). Особливiстю систе- ми (18), (19) є те, що вона є системою гiперболiчного типу. В рiвняння (19) входить стала εср = (ε11 + ε33)/2. Модифiкований варiант може засто- совуватися для матерiалiв, для яких max(1 − ε11/εср, 1 − ε33/εср) є малою величиною. До таких матерiалiв належать ЦТС-19, ZnO, CdS та iн. [5]. На основi рiвнянь (18), (19) в об’ємi V з граничною поверхнею S утворимо iнтегральну рiвнiсть ∫ V [( ρ ∂2uk ∂t2 − ∂σ1k ∂x1 − ∂σ2k ∂x2 − ∂σ3k ∂x3 − fk ) ∂uk ∂t − − ( µε2 ср ∂2ϕ ∂t2 + ∂D1 ∂x1 + ∂D2 ∂x2 + ∂D3 ∂x3 ) ∂ϕ ∂t ] dV = 0. (20) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №7 79 Як i в попередньому випадку, зведемо вираз (20) до вигляду ∫ V ( ∂ ∂t ( 1 2 ρu̇ku̇k ) − ∂ ∂t ( 1 2 µε2 ср ϕ̇ϕ̇ ) + Ḣeл − fku̇k ) dV − ∮ S (σikniu̇k + Diniϕ̇) dS = 0. (21) Тут знову використано позначення Ḣел = σikε̇ik − DkĖk для приросту електричної енталь- пiї. За iнтегральною рiвнiстю (21) можна сформувати структуру функцiоналу варiацiйного принципу Гамiльтона–Остроградського: HO = t2 ∫ t1 ( ∫ V ( 1 2 ρ ∂uk ∂t ∂uk ∂t − 1 2 µε2 ср ∂ϕ ∂t ∂ϕ ∂t − Ḣeл + fkuk ) dV + + ∮ S (pkuk − qповϕ) dS ) dt. (22) Електрична ентальпiя визначається формулою (12). Виконавши iзохронну варiацiю функцiоналу (22), пiсля стандартних перетворень одер- жимо t2 ∫ t1 ∫ V (( −ρ ∂2uk ∂t2 + σik,i + fk ) δuk + ( ρ ∂2ϕ ∂t2 + Dk,k ) δϕ ) dV dt + + t2 ∫ t1 ∮ S ((−σiknk + pi)δui − (Dini + qпов)δϕ) dSdt + + ∫ V ( ρ ∂uk ∂t δuk − µε2 ср ∂ϕ ∂t δϕ )∣ ∣ ∣ ∣ t2 t1 dV = 0. (23) З iнтегральної рiвностi (23) одержуємо механiчнi рiвняння коливань (18), модифiковане рiвняння (19) i природнi граничнi умови (15), (16). З останнього iнтегралу в (23) випливає, що початковi умови необхiдно формулювати як для механiчних перемiщень (умови (17)), так i для електричного потенцiалу ϕ(x, t = 0) = 0 ϕ(x), ∂tϕ(x, t = 0) = 1 ϕ(x). (24) Насамкiнець зауважимо, що енергетична рiвнiсть для рiвнянь механiчних коливань (1) i повної системи рiвнянь Максвелла eijkHk,j = ∂Di ∂t , Di,i = qел, eijkEk,j = − ∂Bi ∂t , Bi,i = 0 (25) для дiелектрика формулюється [4] вiдмiнним вiд (7), (20) шляхом, виходячи з iнтегрального спiввiдношення ∫ V ((ρüi − σij,j − fi)u̇i + Ei(Ḋi − eijkHk,j) + Hi(Ḃi + eijkEk,j)) dV = 0. (26) 80 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №7 Пiсля стандартних перетворень, користуючись тотожнiстю HieijkEk,j − EieijkHk,j, знахо- димо ∂ ∂t ∫ V ( 1 2 ρu̇iu̇i + Ẇвн ) dV = ∫ V fiu̇idV + ∮ S piu̇idS − ∮ S njhjdS, (27) де Ẇвн = σij ε̇ij + EiḊi + HiḂi — прирiст внутрiшньої енергiї; hj = eijkEiHk — вектор Умова–Пойтинга. В квазiелектростатичному наближеннi, користуючись рiвняннями (25), для вектора Умова–Пойтинга шляхом перетворення hj,j = (ejikEiHk),j = ejikEkHk,j = −EjḊj = (ϕḊj),j одержимо hj = ϕḊj . В цьому разi (27) набуде [1, 4] вигляду ∂ ∂t ∫ V ( 1 2 ρu̇iu̇i + Ẇвн ) dV = ∫ V fiu̇idV + ∮ S piu̇idS − ∮ S njϕḊjdS, (28) причому тепер прирiст внутрiшньої енергiї Ẇвн = σij ε̇ij + EiḊi. Очевидно, що за енергетичною рiвнiстю (28) важко безпосередньо визначити структуру функцiоналу Гамiльтона–Остроградського, як це зроблено в данiй роботi. 1. Механика связанных полей в элементах конструкций. Т. 5. Электроупругость / Гринченко В.Т., Улитко А.Ф., Шульга Н.А. – Киев: Наук. думка, 1989. – 280 с. 2. Положiй Г.М. Рiвняння математичної фiзики. – Киев: Рад. шк., 1959. – 478 с. 3. Шульга М.О. Про структуру рiвнянь електропружностi // Доп. НАН України. – 2008. – № 4. – С. 81–85. 4. Шульга Н.А., Болкисев А.М. Колебания пьезокермических тел. – Киев: Наук. думка, 1990. – 270 с. 5. Шульга М.О., Карлаш В.Л. Резонанснi електромеханiчнi коливання п’єзоелектричних пластин. – К.: Наук. думка, 2007. Надiйшло до редакцiї 17.12.2007Iнститут механiки iм. С.П. Тимошенка НАН України, Київ ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №7 81
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4976
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Ukrainian
last_indexed 2025-11-30T13:21:43Z
publishDate 2008
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Шульга, М.О.
2009-12-29T15:51:26Z
2009-12-29T15:51:26Z
2008
Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi / М.О. Шульга // Доп. НАН України. — 2008. — № 7. — С. 76-81. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4976
537.226.86
The Hamilton–Ostrogradskii variation principle is formulated, and, on its basis, the definition of initial-boundary dynamic problems of electroelasticity is grounded.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Механіка
Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
Article
published earlier
spellingShingle Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
Шульга, М.О.
Механіка
title Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
title_full Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
title_fullStr Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
title_full_unstemmed Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
title_short Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
title_sort про варiацiйний принцип гамiльтона–остроградського i початково-крайовi динамiчнi задачi електропружностi
topic Механіка
topic_facet Механіка
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4976
work_keys_str_mv AT šulʹgamo provariaciiniiprincipgamilʹtonaostrogradsʹkogoipočatkovokraiovidinamičnizadačielektropružnosti