150032 (732565)

Файл №732565 150032 (Nonlinear multi-wave coupling and resonance in elastic structures)150032 (732565)2016-08-01СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Nonlinear multi-wave coupling and resonance in elastic structures


Kovriguine DA

Solutions to the evolution equations describing the phase and amplitude modulation of nonlinear waves are physically interpreted basing on the law of energy conservation. An algorithm reducing the governing nonlinear partial differential equations to their normal form is considered. The occurrence of resonance at the expense of nonlinear multi-wave coupling is discussed.

Introduction

The principles of nonlinear multi-mode coupling were first recognized almost two century ago for various mechanical systems due to experimental and theoretical works of Faraday (1831), Melde (1859) and Lord Rayleigh (1883, 1887). Before First World War similar ideas developed in radio-telephone devices. After Second World War many novel technical applications appeared, including high-frequency electronic devices, nonlinear optics, acoustics, oceanology and plasma physics, etc. For instance, see [1] and also references therein. A nice historical sketch to this topic can be found in the review [2]. In this paper we try to trace relationships between the resonance and the dynamical stability of elastic structures.

Evolution equations

Consider a natural quasi-linear mechanical system with distributed parameters. Let motion be described by the following partial differential equations

(0) ,

where denotes the complex -dimensional vector of a solution; and are the linear differential operator matrices characterizing the inertia and the stuffiness, respectively; is the -dimensional vector of a weak nonlinearity, since a parameter is small1; stands for the spatial differential operator. Any time the sought variables of this system are referred to the spatial Lagrangian coordinates .

Assume that the motion is defined by the Lagrangian . Suppose that at the degenerated Lagrangian produces the linearized equations of motion. So, any linear field solution is represented as a superposition of normal harmonics:

.

Here denotes a complex vector of wave amplitudes2; are the fast rotating wave phases; stands for the complex conjugate of the preceding terms. The natural frequencies and the corresponding wave vectors are coupled by the dispersion relation . At small values of , a solution to the nonlinear equations would be formally defined as above, unless spatial and temporal variations of wave amplitudes . Physically, the spectral description in terms of new coordinates , instead of the field variables , is emphasized by the appearance of new spatio-temporal scales associated both with fast motions and slowly evolving dynamical processes.

This paper deals with the evolution dynamical processes in nonlinear mechanical Lagrangian systems. To understand clearly the nature of the governing evolution equations, we introduce the Hamiltonian function , where . Analogously, the degenerated Hamiltonian yields the linearized equations. The amplitudes of the linear field solution (interpreted as integration constants at ) should thus satisfy the following relation , where stands for the Lie-Poisson brackets with appropriate definition of the functional derivatives. In turn, at , the complex amplitudes are slowly varying functions such that . This means that

(1) and ,

where the difference can be interpreted as the free energy of the system. So that, if the scalar , then the nonlinear dynamical structure can be spontaneous one, otherwise the system requires some portion of energy to create a structure at , while represents some indifferent case.

Note that the set (1) can be formally rewritten as

(2) ,

where is a vector function. Using the polar coordinates , eqs. (2) read the following standard form

(3) ; ,

where . In most practical problems the vector function appears as a power series in . This allows one to apply procedures of the normal transformations and the asymptotic methods of investigations.

Parametric approach

As an illustrative example we consider the so-called Bernoulli-Euler model governing the motion of a thin bar, according the following equations [3]:

(4)

with the boundary conditions

By scaling the sought variables: and , eqs. (4) are reduced to a standard form (0).

Notice that the validity range of the model is associated with the wave velocities that should not exceed at least the characteristic speed . In the case of infinitesimal oscillations this set represents two uncoupled linear differential equations. Let , then the linearized equation for longitudinal displacements possesses a simple wave solution

,

where the frequencies are coupled with the wave numbers through the dispersion relation . Notice that . In turn, the linearized equation for bending oscillations reads3

(5) .

As one can see the right-hand term in eq. (5) contains a spatio-temporal parameter in the form of a standing wave. Allowances for the this wave-like parametric excitation become principal, if the typical velocity of longitudinal waves is comparable with the group velocities of bending waves, otherwise one can restrict consideration, formally assuming that or , to the following simplest model:

(6) ,

which takes into account the temporal parametric excitation only.

We can look for solutions to eq. (5), using the Bubnov-Galerkin procedure:

,

where denote the wave numbers of bending waves; are the wave amplitudes defined by the ordinary differential equations

(7) .

Here

stands for a coefficient containing parameters of the wave-number detuning: , which, in turn, cannot be zeroes; are the cyclic frequencies of bending oscillations at ; denote the critical values of Euler forces.

Equations (7) describe the early evolution of waves at the expense of multi-mode parametric interaction. There is a key question on the correlation between phase orbits of the system (7) and the corresponding linearized subset

(8) ,

which results from eqs. (7) at . In other words, how effective is the dynamical response of the system (7) to the small parametric excitation?

First, we rewrite the set (7) in the equivalent matrix form: , where is the vector of solution, denotes the matrix of eigenvalues, is the matrix with quasi-periodic components at the basic frequencies . Following a standard method of the theory of ordinary differential equations, we look for a solution to eqs. (7) in the same form as to eqs. (8), where the integration constants should to be interpreted as new sought variables, for instance , where is the vector of the nontrivial oscillatory solution to the uniform equations (8), characterized by the set of basic exponents . By substituting the ansatz into eqs. (7), we obtain the first-order approximation equations in order :

.

where the right-hand terms are a superposition of quasi-periodic functions at the combinational frequencies . Thus the first-order approximation solution to eqs. (7) should be a finite quasi-periodic function , when the combinations ; otherwise, the problem of small divisors (resonances) appears.

So, one can continue the asymptotic procedure in the non-resonant case, i. e. , to define the higher-order correction to solution4. In other words, the dynamical perturbations of the system are of the same order as the parametric excitation. In the case of resonance the solution to eqs. (7) cannot be represented as convergent series in . This means that the dynamical response of the system can be highly effective even at the small parametric excitation.

In a particular case of the external force , eqs. (7) can be highly simplified:

(9)

provided a couple of bending waves, having the wave numbers and , produces both a small wave-number detuning (i. e. ) and a small frequency detuning (i. e. ). Here the symbols denote the higher-order terms of order , since the values of and are also supposed to be small. Thus, the expressions

;

can be interpreted as the phase matching conditions creating a triad of waves consisting of the primary high-frequency longitudinal wave, directly excited by the external force , and the two secondary low-frequency bending waves parametrically excited by the standing longitudinal wave.

Notice that in the limiting model (6) the corresponding set of amplitude equations is reduced just to the single pendulum-type equation frequently used in many applications:

Характеристики

Тип файла
Документ
Размер
4,11 Mb
Тип материала
Предмет
Учебное заведение
Неизвестно

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов реферата

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6568
Авторов
на СтудИзбе
298
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее