Численное моделирование процесса деформации элементов электродинамического ускорителя в двумерном случае
( Numerical Simulation of Deformation Process of Electromagnetic Launcher Elements in Two–dimensional Case
Preprint, Inst. Appl. Math., the Russian Academy of Science)

Галанин М.П., Яковлев Д.А.
(M.P.Galanin, D.A.Yakovlev)

ИПМ им. М.В.Келдыша РАН

Москва, 2004
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 03-01-00461)

Аннотация

Построен конечноэлементный вычислительный алгоритм, предназначенный для моделирования процессов, протекающих в электродинамическом ускорителе типа рельсотрон, в частности, деформации элементов конструкции. Исследована асимптотика поведения полей напряжений в области угловой точки в вершине сложного упругого клина в зависимости от параметров материалов и геометрии. Приведены результаты численных расчетов для различных вариантов геометрии конструкции.

Abstract

This work considers numerical algorithm based on finite element method (FEM) for modeling processes in electromagnetic railgun launchers especially elastic deformations in the construction. Dependence of stress fields in the vicinity of the complex elastic wedge on arbitrary material and geometric parameters is analyzed. The numerical results for different geometries are presented.

 

Оглавление

 

1. Введение. 3

2. Математическая модель. 4

3. Алгоритм решения. 10

4. Результаты расчётов. 17

5. Особенность напряжений в вершине сложного клина. 28

6. Литература. 31

 


1. Введение

Электродинамическое ускорение макротел [1, 2] является примером физического процесса, протекание которого сопровождается целым комплексом различных явлений. Это, прежде всего, электромагнитные поля и их распространение в проводящих и непроводящих подобластях ускорителя. Протекание токов ведет к тепловыделению, плавлению и последующему испарению материала рельса или якоря. Появление пара из проводящего материала создает возможность для пробоя и зажигания электрической дуги, то есть создания плазмы. Движение тела по каналу ускорителя сопровождается трением и тепловыделением с последующим созданием жидкой пленки на контактной поверхности. Кроме указанных явлений, большое значение имеет процесс деформации и разрушения элементов под действием силовых и тепловых нагрузок.

Существуют значительные трудности в проведении непосредственных измерений пространственных распределений плотности токов и электромагнитных полей в зоне высокоскоростных контактов. Это существенно повышает роль вычислительного эксперимента, без которого невозможно исследовать указанный круг явлений.

Целью данной работы является разработка математической модели процессов, протекающих в электродинамическом ускорителе макротел типа рельсотрон в пространственно двумерном приближении (рис. 1.1), в частности, процесса деформации элементов конструкции. Необходимо также исследовать влияние геометрии и параметров материалов рельса и якоря на особенность упругих напряжений в угловой точке и величину критической скорости [3].

Рис. 1.1. 1-направляющий и токоподводящий рельс,
2-ускоряемое тело (якорь или арматура), 3- силовой бандаж канала.

Для численного моделирования использован метод конечных элементов (МКЭ) на треугольной сетке. При этом выбраны простейшие линейные конечные элементы (КЭ) [4, 5]. Это позволяет решать задачу для областей произвольной формы, исследовать влияние на процесс ускорения геометрии якоря и параметров материалов подобластей. При построении модели особое внимание уделено соблюдению разностных аналогов энергетических соотношений и моделированию контактного взаимодействия с трением и без трения.

В работе приведены результаты численного расчета для различных вариантов геометрии якоря.

С помощью разработанной программы и известного [6-9] аналитического анализа асимптотики полей напряжений в области угловой точки исследован порядок особенности, возникающей в вершине сложного клина, образованного рельсом и якорем. Показана зависимость порядка особенности от геометрии и параметров материалов сложного клина, проанализировано влияние геометрии якоря на процесс ускорения.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 03-01-00461).

2. Математическая модель

Построение модели, расчётная область

Так как работа ориентирована главным образом на решение задачи упругости, приведем только соответствующую постановку задачи для определения упругих деформаций точек системы.

Рельс и якорь являются достаточно протяженными в направлении оси , поэтому будем использовать модель плоского деформированного состояния [10, 11, 12].

Вследствие симметрии области  (рис. 1.1) будем рассматривать её половину  (рис. 2.2), где  – область, занимаемая якорем,  – рельсом,  и  – их границы.


 

На рис. 2.2. показаны контактная область рельса и якоря , линия симметрии , граница заделки рельса (здесь заданы нулевые смещения) , свободная поверхность рельса и якоря .

Система уравнений движения [10, 11, 12] является нелинейной и в эйлеровых переменных имеет следующий вид:

                                                    

где  – компоненты тензора упругих напряжений,  – компоненты плотности объёмной силы, – вектор перемещений,  – вектор скорости. Знак  здесь и далее обозначает полную производную по времени – производную величины φ при фиксированных лагранжевых координатах [3, 11, 12].

Напряжения  на грани, имеющей сонаправленную с координатной осью  внешнюю нормаль, действуют в положительном направлении координатной оси . Таким образом, положительные напряжения ,  являются растягивающими, а отрицательные – сжимающими [12].

Начальные условия при = 0 следующие:

                                    .                              

В силу симметричности решения относительно прямой  на ней должны выполняться условия:

                                       .                                 

Граничные условия задаются с помощью и соотношений [10, 12]:

                                                                            
                                          ,                             
где  – направляющие косинусы внешней нормали  к поверхности ,  – индексы координат  и  соответственно, а по повторяющимся индексам здесь и далее производится суммирование.

Компоненты тензора упругих напряжений  определяются с помощью материальных соотношений, называемых законом Гука [12]:

              ,        

где ,  – компоненты тензора деформаций,  – компоненты тензора температурных деформаций, ,  и  – коэффициенты Ламе [12], ,  – начальная температура, при которой напряжения отсутствуют,  – коэффициент температурного расширения.

Учитывая, что , получим:

                                                                

Все уравнения в модели связаны, все искомые величины влияют друг на друга. В частности, в уравнение энергии входит конвективное слагаемое, связанное с энергией внутренних деформаций [13]. Таким образом, задача является нелинейной и требует при численном решении использования итерационного процесса.

Линеаризация системы

Система уравнений движения является нелинейной из-за наличия в ней конвективных слагаемых, связанных с вычислением временной производной скорости и самой скорости.

Перемещения  и скорости  в процессе электромагнитного ускорения малы во всей области в любой момент времени. Представим  в следующем виде:

                                                                           
где  – мало во всей области  по сравнению с . Здесь  – скорость движения якоря как целого. Скорость движения точек среды относительно подвижного объёма обозначим .

Уравнения сохранят свой вид в рельсе с учётом замены . В якоре после подстановки в уравнения отбросим нелинейные слагаемые , которые малы по сравнению со слагаемыми  соответственно. В дальнейшем опустим знак «*» в обозначениях . В результате преобразований уравнения имеют вид:

в якоре:

в рельсе:

 

 

В уравнениях учтена сила инерции. Конфигурация пространственной области и краевые условия сохраняются.

Далее мы часто будем рассматривать уравнения , , с помощью т.н. смешанного эйлерово - лагранжева подхода [3] в локальных перемещениях точек подвижного объема, движущегося со скоростью якоря . При этом производная по времени величины  равна

    .  

Переход к квазистационарному приближению

В качестве начального приближения в данной работе будем далее использовать квазистационарное приближение уравнений термоупругости, то есть откажемся от использования в модели всей левой части уравнений движения в рельсе (производные по времени и конвективные слагаемые), а, следовательно, и в якоре. Аналогично и в уравнениях , .

Это возможно по следующим причинам. Время движения якоря в установке составляет примерно , скорость продольной (звуковой) упругой волны, например, для алюминия . Тогда время её пробега характерного для рассматриваемой области расстояния () составляет . Таким образом, волна успевает за время движения якоря отразиться порядка 300 раз. При этом влияющие на поле перемещений параметры системы (температура, сила Лоренца и др.) незначительно изменяются даже за несколько . Поэтому на каждом временном слое процессы, связанные с деформацией, можно считать установившимися.

Данное приближение достаточно часто используется при решении задач рассматриваемого класса – см. [14, 15].

Условия на контакте

В [11] получены соотношения в точках поверхности разрыва, которые являются следствием балансовых соотношений, записанных для этой области в интегральной формулировке. В нашем случае имеет место тангенциальный разрыв, так как материалы якоря и рельса друг в друга не проникают.

В результате в точках контакта имеем условия:

                                                                                                

                                                                                          

При скольжении с трением из третьего закона Ньютона для касательных напряжений в зоне контакта получим

                                    ,                            
где  – модуль силы трения.

Проинтегрировав второе уравнение по якорю и применив теорему Остроградского-Гаусса [12], получим формулу для вычисления ускорения  и скорости якоря:

                                             .                              

3. Алгоритм решения

Дискретизация пространственной области

Для дискретизации пространственной области будем использовать треугольную сетку (рис 3.1). Она построена так, чтобы любой треугольник (рис. 3.2) содержал только один материал. В результате разбиения получим  узлов и треугольников [16].

Конечномерная аппроксимация задачи

Введем систему функций:

– кусочно-линейные функции, равные 1 в -й вершине треугольника (рис. 3.2) и 0 во всех остальных и называемые функциями формы [4, 5].

В литературе [4] для функции  обычно используют представление:

                                      ,                                
где  – площадь треугольника (рис. 3.2).

Введем аппроксимацию функции , определенной в области :

                                  
где  – значения  в i-м узле сетки.

На отдельном элементе можно определить «локальную» аппроксимацию скалярной функции :

                                                                        
где  – номера узлов элемента.

В соответствии с введенными обозначениями вектор перемещений  представим на элементе в виде:

                    
где , нечетные номера соответствуют значениям компонент  в узлах с соответствующими индексами, четные – .

Подставляя представление в соотношения для , получим формулу для  на элементе [4] через матрицу градиентов :

                    
где .

Подставив выражение в , получим формулу для вычисления узловых компонент тензора напряжений:

                      ,                
где

                                                                  
– матрица упругих характеристик материала ячейки.

Аппроксимация правой части уравнений движения

Запишем решаемую задачу , в виде

                                                     ,                                               

где

                                                                            

Применим метод Галеркина-Бубнова к уравнению , умножив скалярно обе его части на функцию формы. В результате получим

                                                                

где ,

                                                                          

Используем далее для треугольника (рис. 3.2) формулу интегрирования по частям и теорему Остроградского-Гаусса. Например,

                  .           

Члены вида  в этих выкладках сокращаются или равны нулю: 1. при суммировании по всей области, так как для смежных треугольников обход контура осуществляется в противоположных направлениях при равенстве подынтегральных функций; 2. вследствие заделки , так как соответствующие строки в матрице заменяются главными граничными условиями; 3. из-за свободной от напряжений границы и равенства нулю на границе функции формы или соответствующей компоненты нормали.

Вследствие граничных условий на линии симметрии  выполнено:

                                    .                            

Выражение для  аналогично . Член  на части контура, совпадающей с линией симметрии, равен нулю, так как для неё .

Применяя полученные выше соотношения и введенные обозначения, получим выражение для вклада величины  [4] на элементе в матрицу системы:

                           

Для случая плоских деформаций [10] получаем

                    .            

Интеграл от объёмных сил в вычисляется следующим образом [4]:

                                                                   
где  – средние значения компонент объёмных сил на элементе .

Моделирование контакта

Подробный обзор способов решения контактных задач теории упругости, поиска формы контакта приведен в работе [17].

Особенностью решаемой задачи является наличие контактного разрыва искомого решения на линии разрыва скорости движения – контакте якоря и рельса [3, 11]. Для его описания необходимо запасти два различных значения скорости для узлов на контакте. Поэтому при разбиении области линия контакта содержит пары узлов сетки, координаты которых совпадают, но один из них относится к элементу рельса (), другой – к элементу якоря ().

На граничные узлы накладываются кинематические условия непроникновения и статические условия , . Компоненты  неизвестны на границе и требуют доопределения, для  – это выражения , задающие скольжение с трением, для  – условия на контакте .

Криволинейные интегралы, возникающие при конечномерной аппроксимации уравнений вида на треугольниках со сторонами, попадающими на контакт, можно сократить, сложив попарно выражения из :

                  
где  – общая граница контактирующих элементов  и , а  и  – их площади. Так как , , то, следовательно, интегралы вида  сокращаются.

Таким образом, для контактных узлов рельса вместо аппроксимации используется соотношение , а в соответствующих узлах якоря используются контактные условия на перемещения :

                                                                                            
где  – узловые перемещения  в контактирующих узлах  и  рельса и якоря соответственно.

При аппроксимации определяющих соотношений  в контактных узлах матрица системы формируется как обычно, а в правую часть дополнительно войдут слагаемые, связанные с интегрированием по поверхности контакта силы трения. В результате вектор правой части отличается на величину  для строки с номером , где  – номер узла на контактной поверхности со стороны рельса, и на величину  для строки с номером , где  – номер узла на контактной поверхности со стороны якоря,  – вычисленный на данном элементе модуль силы трения.

Итерационный процесс

При численном решении полной системы алгебраических уравнений наличие трения, необходимость расчета скорости и ускорения якоря, участие упругих деформаций в энергетическом балансе системы требуют внедрения внешнего итерационного процесса, связанного с расчетом упругости.

Как это традиционно происходит [18], такой итерационный процесс устроен по блокам: электромагнитный, тепловой, кинематический (упругий). Процесс считался сошедшимся при выполнении условия:

                                                                                
где ,  – векторы, например, узловых перемещений, вычисленные на -ой  и -ой итерациях соответственно. В расчетах принято , , а  – равномерная норма вектора .

Вычисленный на новой итерации вектор узловых перемещений используется для расчета скорости якоря, узловых значений силы трения, её мощности и других величин, зависящих от перемещений. Далее вновь рассчитываются температура и напряженность магнитного поля до сходимости.

Вклад энергии деформации в уравнение энергии

Рассмотрим конечноэлементную аппроксимацию уравнения энергии. Оно содержит член, связанный с энергией деформации [13]. Такая модификация ведет в конечном итоге к добавлению в правую часть соответствующих линейных уравнений слагаемого, вычисляемого на каждом КЭ:

                    
где  – узловые значения температуры и компонент скорости  на элементе соответственно,  – номер рассматриваемого узла (соответствует элементу вектора правой части системы). Далее будем их брать с предыдущей внешней итерации или предыдущего временного слоя.

Умножим уравнения движения на скорость . В результате преобразований получим следующее выражение:

                                                                          

где  – скорость работы внешних сил [13].

После умножения скалярно на функцию формы  получим:

                                                            

Левая часть содержит слагаемое, связанное с температурной деформацией, которое после преобразований имеет тот же вид, что и выражение :

                                            
Это слагаемое обеспечивает связь уравнений движения и уравнения теплопроводности, а также консервативность [18, 19] всего конечноэлементного алгоритма.

4. Результаты расчётов

Разработанная программа тестировалась на известных точных решениях, полученных путем подбора правой части под заданное решение. Тесты показали относительную точность вектора смещения (в равномерной норме) порядка  на 2601-й точке сетки и  на 961-й.

В качестве примеров ниже приведем результаты расчётов, проведённых для медного рельса и алюминиевого якоря.

Характерный размер исследуемого участка рельса составляет около 4 см (0,4 в безразмерных единицах), якоря – 2 см.

Значения параметров материалов, используемых в расчёте, приведены в таблице 4.2. В ней, в частности, приведены значения плотности  и предела текучести материала .

 

Таблица 4.2. Параметры материалов

Параметр\Материал

Алюминий

Медь

Сталь

г/см3

2,54

8,93

7,80

ГПа

80,3

74,7

115,4

ГПа

25,4

45,8

77,0

ГПа

70

120

200

Безразмер.

0,31

0,38

0,30

20

17

14

4,2

4,1

5,4

МПа

80

215

500

 

В работе проведены расчеты для вариантов геометрии якоря, отличающихся величиной угла  в месте стыка рельса и якоря (, рис. 2.2). Примеры параметров геометрии, разбиения области и характеристики материалов подобластей [16] приведены в таблице 4.3.

 

Таблица 4.3. Параметры областей.

Вариант

, рад

Материал рельса

Материал якоря

V11

0,38

3716

6970

Медь

Алюминий

V29

0,62

3709

6958

Медь

Алюминий

V30

0,66

3676

6893

Медь

Алюминий

V31

0,25

3724

6982

Медь

Алюминий

 

Счёт прекращался при наступлении «кризиса» контакта [3], то есть резкого роста сопротивления контакта и потери эффективности ускорения (с точки зрения физики процесса). Одной из причин «кризиса» контакта является достижение температуры кипения [3, 20]. Скорость, при которой происходит вскипание, называют критической.

Углы областей, разные материалы рельса и якоря являются источником появления особенностей, которые проявляются в неограниченности значений исследуемых величин в окрестности угловых точек [3, 21]. Один из примеров подобной ситуации представлен на рис. 4.1, где в угловых точках температура возрастает на величину около 740 K, что приводит в дальнейшем к плавлению материала.

Стрелками на рис. 4.1 показаны зоны области рельса и якоря, а именно окрестности угловых точек якоря, в которых решение имеет особенность. Как следствие этого, в данных окрестностях имеет место резкое возрастание тепловых и силовых нагрузок. Здесь (рис. 4.1) и далее на графиках построены линии уровня соответствующих полей (температура T на рис. 4.1), промаркированные в соответствии с легендой в верхней части каждого рисунка. Целое значение обозначает индекс линии уровня (например, линия уровня №1 соответствует значению ), кроме того, на легенде выведены минимальное (min) и максимальное (max) значения.

Временной слой M=100, расчёт V11 (табл. 4.2, 4.3)

                                                                                                                 

Рис. 4.1. Температурное поле. Расчет V11, M=100

Расчеты показали, что максимумы плотности силы Лоренца  также расположены в окрестности угловых точек (показаны стрелками на рис. 4.1), в частности, в угловой точке стыка рельса и якоря, то есть там, где ток втекает практически в одну точку [3], вследствие чего его плотность резко возрастает.

Рис. 4.2 (а,б), на которых изображены поля компонент перемещений, свидетельствуют о выполнении главных граничных условий , . В точках заделки  (рис. 2.2) поле перемещений имеет нулевые значения компонент, что определяется ближайшей к нулю линией уровня №1 () на рис. 4.2(а), на рис. 4.2(б) – линией уровня №5 ().

Также выполнено второе граничное условие на линии симметрии , так как соответствующие линии уровня (рис. 4.2, б) ортогональны линии симметрии  (рис. 2.2).

Кроме того, поле перемещений (рис. 4.2) качественно соответствует представленному выше графику распределения температуры, то есть имеет максимумы вблизи угловых точек (рис. 4.1), а также вдоль линии контакта и левой кромки якоря.

Рис. 4.2(б) свидетельствует о том, что якорь постоянно находится в сжатом состоянии вдоль оси  (линии уровня №1-4 соответствуют отрицательным значениям , №5-16 – положительным). Это обусловлено тем, что вблизи левой грани якоря  преимущественно действует положительная сила Лоренца , а в остальной части якоря – отрицательная сила инерции, так как плотность силы Лоренца здесь близка к нулю ввиду отсутствия тока в данной области.

Представленные на рис. 4.2 результаты качественно соответствуют условиям контактной задачи: в зоне контакта перемещение  является непрерывным в контактных точках (рис. 4.2, а), так как это задано явно при аппроксимации уравнений движения. При этом возможен слабый разрыв  (линии уровня №1-3). Перемещение  терпит сильный разрыв в точках контакта (рис. 4.2, б), так как действующие внешние силы испытывают скачок при переходе через линию контакта на величину силы инерции. О правильности вычисления силы инерции свидетельствует то, что локальные перемещения точек якоря  в среднем равны нулю (рис. 4.2, б).

 

Временной слой M=100, расчёт V11 (табл. 4.2, 4.3)

                                                                  

                                                       (безразмер.)                                             (а)

Рис. 4.2. Компонента  поля перемещений. Расчет V11, M=100.

Временной слой M=100, расчёт V11 (табл. 4.2, 4.3)

                                                                  

                                                       (безразмер.)                                             (б)

Рис. 4.2. Компонента  поля перемещений. Расчет V11, M=100, 290.

Аналогично рис. 4.3-4.4 свидетельствуют о выполнении естественных граничных условий , то есть значения соответствующих полей напряжений близки к нулю на свободной границе области. Нулевые значения находятся на рис. 4.3(а) между линиями уровня №12 и №13, на рис. 4.3(б) – вблизи линии уровня №14, на рис. 4.3(в)  – между №6 и №7.

Рис. 4.3 (б) - 4.7 (б) также свидетельствуют о сжатом состоянии якоря вдоль оси , так как  во всей области якоря [12].

                          Временной слой M=100, расчёт V11 (табл. 4.2, 4.3)

                                                    , МПа                                                  (а)

                                                    , МПа                                                 (б)

                                                    , МПа                                                  (в)

Рис. 4.3. Поля напряжений (а), (б), (в). Расчет V11, M=100.

Также на рисунках можно видеть выполнение условий контактной задачи. В частности, на рис. 4.4-4.7 видно, что поле  непрерывно на контакте, но не везде является гладким, то есть имеется слабый разрыв;  имеет близкое к нулю значение (например, между линиями уровня №6 и №7 на рис. 4.3(в) и между линиями уровня №4 и №5 на рис. 4.4(в)), что качественно соответствует использованному в расчете нулевому коэффициенту трения . При этом  терпит сильный разрыв при переходе через линию контакта, как и должно быть при касательном разрыве (разрыв линий уровня на рис. 4.3(б)-4.7(б)).

              Временной слой M=290 (Конец счета), расчёт V11 (табл. 4.2, 4.3)

                                                    , МПа                                                  (а)

                                                    , МПа                                                 (б)

                                                    , МПа                                                  (в)

Рис. 4.4. Поля напряжений (а), (б), (в). Расчет V11, M=290.

Для вариантов V29, V30, V31 характерные поля напряжений (временной слой M=100) показаны на рис. 4.5-4.7.

Анализ вычисленных полей напряжений позволяет сделать следующие выводы. В соответствии с проведенными расчетами якорь, имеющий представленные геометрические конфигурации, еще до достижения критической скорости (примерно временной слой ) практически полностью разрушается, так как условие  (см. табл. 4.2 и рис. 4.5-4.7) выполняется в значительной части якоря и рельса, а не только локально в угловых точках, где сконцентрированы основные виды воздействий (температура и сила Лоренца).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение изотропных однородных материалов при конструировании ускорителей нередко ведет к разрушению рельса и якоря, что вызвано характером течения тока. Можно предположить, что применение анизотропных и слоистых материалов с улучшенными электрофизическими свойствами [20] позволит повысить прочностные характеристики устройства и значительно повысить величину критической скорости. Кроме того, представленные в работе геометрические конфигурации не являются оптимальными.

Отметим, что в данной работе не использовалась адаптивная сетка (см. рис. 3.1), сгущающаяся в зонах особенностей и резкого изменения исследуемых величин: вблизи областей с высокой концентрацией тепловых и силовых нагрузок, а также в точках свободной границы, близких к точкам заделки, то есть в точках, где упругие напряжения резко возрастают по модулю. Это вызвало связанную с усреднением вычисленных значений потерю точности при вычислении полей напряжений в окрестностях особых точек. При этом вычисленные значения компонент тензора напряжений являются усредненными внутри соответствующих элементов сетки (см. выражение для вычисления компонент тензора напряжений).

 

 

Временной слой M=100, расчёт V29 (табл. 4.2, 4.3)

                                                                  

                                                          , МПа                                                  (а)

                                                                  

                                                          , МПа                                                 (б)

                                                                  

                                                          , МПа                                                  (в)

Рис. 4.5. Поля напряжений (а), (б), (в). Расчет V29, M=100.

 

Временной слой M=100, расчёт V30 (табл. 4.2, 4.3)

                                                                  

                                                          , МПа                                                  (а)

                                                                  

                                                          , МПа                                                 (б)

                                                                  

                                                          , МПа                                                  (в)

Рис. 4.6. Поля напряжений (а), (б), (в). Расчет V30, M=100.

Временной слой M=100, расчёт V31 (табл. 4.2, 4.3)


                                                                  

                                                          , МПа                                                  (а)

                                                                  

                                                          , МПа                                                 (б)

                                                                  

                                                          , МПа                                                  (в)

Рис. 4.7. Поля напряжений (а), (б), (в). Расчет V31, M=100.

 

5. Особенность напряжений в вершине сложного клина

Важным участком рассматриваемой в задаче области является вершина образованного якорем и рельсом сложного клина, состоящего в данном случае из двух изотропных упругих клиньев (см. рис. 5.1). В вершине возникает особенность напряжений, порядок которой определяется параметрами материалов и геометрией клиньев. Асимптотическое поведение полей напряжений и деформаций в окрестности многогранной вершины композитного тела исследовалось в работах [6 – 9, 21] и др.

Рассмотрим вопрос более подробно.

В полярных координатах  (начало в вершине клина) уравнения равновесия принимают вид [12]

                                                                

В работе [7] используется формулировка Мусхелишвили для задачи расчёта плоского напряженно-деформированного состояния, в которой функция напряжений Эри выражается через комплексные функции  [12]. Тогда компоненты напряжений и перемещений в полярных координатах для случая плоского деформированного состояния выражаются следующим образом [7]:

                                                                          

                                                      

                                        
где  – модуль сдвига,  – коэффициент Пуассона.

Подставим граничные и контактные условия, включая соотношения для трения , в полученные соотношения. При этом считаем [7], что функции  в близкой к особой вершине окрестности имеют вид:

                                                      
где  – номер материала, .

Подставляя в -, замечаем, что исследуемая особенность имеет порядок , то есть чем ближе  к единице, тем медленнее рост напряжений при .

В результате некоторых преобразований получим систему однородных линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных . Исключив из этой системы неизвестные , приравняем нулю детерминант матрицы коэффициентов.

В результате получим уравнение для определения  для случая  [7]:

                                      

На рис. 5.2 показана зависимость  от величины угла клина  для случая медного рельса и алюминиевого якоря, полученная в результате численных расчетов, описанных в §4. Особенность решения подразумевает бесконечные значения напряжений в вершине клина, но численный расчет напряженного состояние даёт возможность только приблизительно оценить поведение решения по величине напряжений вблизи особой вершины.

С помощью пакета программ Maple найдены действительные корни уравнения . Графики зависимостей величины  от угла клина  и отношения  изображены на рис. 5.4 и 5.5 соответственно. Стрелками на рисунках показано направление увеличения параметров, указанных в легенде,  и  соответственно. В расчетах использовались значения  (медь), (алюминий). Графики показывают, что порядок особенности, то есть величина , возрастает с ростом величин  и  соответственно, а при малых углах равен нулю (граничные значения отчетливо видны на рис. 5.4, 5.5). Поведение графика (см. рис. 5.4) согласуется с ростом значений  вблизи вершины якоря (см. рис. 5.2) при .

На рис. 5.3 показана зависимость величины критической скорости  от угла . Видно, что, начиная с некоторого угла, значение критической скорости падает. Здесь следует отметить, что в модели не учитывается влияние деформации и разрушения материала на величину критической скорости.

 


Рис. 5.2. Зависимость   от величины угла.

Рис. 5.3. Зависимость критической скорости от угла.

Рис. 5.4. Зависимость  от угла клина .

Рис. 5.5. Зависимость  от параметров материалов.

 


6. Литература

 

1. "Материалы I Всесоюзного семинара по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле" (Новосибирск, 10-13 апреля 1990 г.), под ред. М.Ф. Жукова, Новосибирск, изд. Инст. Теплофизики СО АН СССР, 1990. 350 с.

2. "Материалы II Всесоюзного семинара по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле" (Новосибирск, 4-6 декабря 1991г.), под ред. В.Е. Накорякова, Новосибирск, изд. Инст. Теплофизики СО РАН, 1992. 367 с.

3. Галанин М.П., Попов Ю.П. Квазистационарные электромагнитные поля в неоднородных средах: Математическое моделирование. – М.: Наука, Физматлит, 1995. 320 с.

4. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов.– М.: Мир, 1979. 392 с.

5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. 543 с.

6. Bogy D.B. Two edge-bonded elastic wedges of different materials and wedge angles under surface tractions. J. Appl. Mech.,  1971. Vol. 38. pp. 377-386.

7. Theocaris P.S., Gdoutos E.E. Stress singularities at vertices of composite plates with smooth and rough interfaces // Archives of Mechanics, Archiwum Mechaniki Stosowanej, Warszawa, 1976. Vol. 28, 4. pp. 693-704.

8. Theocaris P.S. The Order of singularity at a multi-wedge corner of a composite plate // Int. J. Engng Sci., 1974. Vol. 12. P.p. 107-120.

9. Hein V.L., Erdogan F. Stress singularities in a two-material wedge // International Journal of  Fracture Mechanics, Wolters-Noordhoff Publishing-Groningen, Vol. 7, No. 3, 1971.

10. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. – М.: Наука, 1975. 576 с.

11. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.1. – М.: Наука, 1994. 528 с.

12. Лурье А.И. Теория упругости. – М.: Наука, 1970. 940 с.

13. Галанин М.П. Построение и исследование разностной схемы для одномерной динамической связанной задачи термоупругости. // Препр. Ин. прикл. матем. им. М.В. Келдыша РАН, 1990. №39. 37 с.

14. А.В. Плеханов, А.Н. Терещенко, Д.В. Хандрыга. Численное и экспериментальное исследование электромагнитного ускорения макротел с использованием металлического якоря. // Прикладная механика и техническая физика. 1996. Т. 37. № 1. С. 21 – 27.

15. D.V. Khandryga, A.V. Plekhanov, A.N. Tereschenko. Numerical Simulation and Experimental Results of the Metal Armature Acceleration. // IEEE Transactions on Magnetics. 1995. V. 31. N. 1. P. 193 – 197.

16. Галанин М.П., Миляев К.К. Организация расчёта двумерных квазистационарных электромагнитных полей со сложной геометрией и различными физическими свойствами. // Препр. Ин. прикл. матем. им. М.В. Келдыша РАН, 2001. № 55. 29 с.

17. Бураго Н.Г. Численное решение задач МСС с подвижными границами раздела. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. М.: Институт проблем механики РАН, 2003. 222 с.

18. А.А. Самарский, Ю.П. Попов. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980, 352 с.

19. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978. 592 с.

20. М.П. Галанин, А.Д. Лебедев, А.П. Лотоцкий, К.К. Миляев. Тепловые и электромагнитные процессы на контактах электродинамического ускорителя // Препр. ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2000. № 42. 32 с.

21. Галанин М.П., Миляев К.К. Об особенностях физических характеристик в окрестности электрического контакта. // Препр. Ин. прикл. матем. им. М.В. Келдыша РАН. 1997, № 57. 33 с.