广义磁热弹介质的动态响应分析

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经典传热学理论中描述温度场的控制方程,是一个扩散型方程,由于该方程固有的属性,导致了热在介质中是以无限大的速度进行传播的,但这与实验观测不相符合。在瞬态传热下,传热学中描述热流密度与温度梯度之间关系的Fourier定律不再适用。为了弥补经典传热学理论的不足,学者们建立起了广义的热弹性理论来描述热的波动效应。其中,Lord和Shulman(L—S)在热流与温度梯度的关系中考虑了热流率项,而Green和Lindsay(G—L)分别在本构方程和能量守恒方程中各引入一个松弛时间因子,热传导方程中考虑了温度的变化率,建立了广义热弹性理论,这两种理论都能表征热扰动以有限的速度在介质中传播,显示固体中的次声效应。 本文基于广义传热学理论,运用拉普拉斯积分变换及其数值反变换研究了半无限长旋转杆、无限长旋转圆柱体的磁—热—弹耦合的动态响应问题;运用直接有限元法研究了广义热弹性耦合的一维和二维问题及其磁热弹旋转问题。文中首先分析了半无限长旋转杆受瞬态热冲击作用的广义的磁热弹耦合问题;其次研究了无限长旋转圆柱体受瞬态热冲击作用的磁热弹耦合问题;最后运用了直接有限元法对广义磁热弹耦合及其旋转问题进行了求解。在讨论考虑旋转效应时,分别就半无限长杆和无限长圆柱体在处于外加磁场时的动态响应进行了研究;在运用直接有限元法求解问题时,分别就窄条板的一维问题、半无限大体的二维问题及其二维磁热弹旋转情况下的动态响应进行了研究。 在研究半无限长旋转杆置于外加磁场中,在其端部受到瞬态热冲击作用的边值问题时,建立了L—S型的广义磁热弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换和数值反变换技术对问题进行了求解,得到了瞬态热冲击作用下半无限长旋转的杆件中的无量纲温度、无量纲应力、无量纲位移、无量纲感应的电磁场的分布规律。可以看出,介质呈现出热的波动性和电磁热弹耦合效应,由于考虑旋转效应,位移、应力和感应电磁场有明显提高,而旋转对温度几乎没有影响。 在分析无限长旋转圆柱体置于外加磁场中,其圆柱体表面受到瞬态热冲击作用时的磁热弹耦合问题时,通过引入适当的参数将L—S和G—L两种广义热弹耦合理论表示为统一的形式,建立了统一的广义磁热弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换和数值反变换技术对问题进行了求解,得到了无量纲温度、无量纲应力、无量纲位移及无量纲感应磁场和感应的电场的分布规律,从分布图上可以看出热的波动性及磁热弹的耦合效应,并且发现旋转效应对无量纲温度几乎没有影响,而使得无量纲位移、无量纲应力和无量纲感应电磁场有明显的提高。 为了避免积分变换方法在求解Lord—Shulman(L—S)型广义热弹性耦合问题时由于数值反变换所引起的计算精度降低的问题,应用直接有限元方法,求解了基于L—S型广义热弹性理论的窄条板、半无限大体和置于磁场的旋转半无限大体受热冲击作用的动态响应问题,给出了L—S型广义热弹性理论下的磁热弹耦合的控制方程,建立了L—S型的广义热弹性问题的虚位移原理,推导得到了相应的有限元方程。得到了无量纲温度、无量纲位移、无量纲应力及无量纲感应磁场的分布规律,从温度分布图上可以清晰地观察到热波波前的特有属性,即热波波前处存在明显的温度的突变。而从其他各物理量分布图上我们可以看出热的波动性及磁热弹的耦合效应,并且发现旋转效应使得无量纲位移、无量纲应力和无量纲感应电磁场有一定的减小,对无量纲温度几乎没有影响。
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