Shear waves in a nonlinear elastic cylindrical shell

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Asymptotic integration methods have been used to model the propagation of a shear wave beam along a nonlinear-elastic cylindrical shell of the Sanders – Koiter model. The shell is assumed to be made of a material characterized by a cubic dependence between stress and strain intensities, and the dimensionless parameters of thinness and physical nonlinearity are considered to have the same order of smallness. The multiscale expansion method is used, which makes it possible to determine the wave propagation speed from the equations of the linear approximation, and in the first essentially nonlinear approximation, to obtain a nonlinear quasi-hyperbolic equation for the main term of the expansion of the shear displacement component. The derived equation is a cubically nonlinear modification of the Lin – Reisner – Tsien equation modeling unsteady near-sonic gas flow and can be transformed into the modified Khokhlov – Zabolotskaya equation used to describe narrow beams in acoustics. The solution of the derived equation is found in the form of a single harmonic with slowly changing complex amplitude, since in deformable media with cubic nonlinearity the effect of self-induced wave essentially prevails over the effect of generation of higher harmonics. As a result, a perturbed nonlinear Schrödinger equation of defocusing type is obtained for the complex amplitude, for which there is no possibility of modulation instability development. In terms of the elliptic Jacobi function, an exact physically consistent solution, periodic along the dimensionless circumferential coordinate, is constructed.

About the authors

Alexandr Isaevich Zemlyanukhin

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: azemlyanukhin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4379-8310
SPIN-code: 1779-8183
Russia, 410054, Saratov, Politekhnicheskaya st., 77

Andrey Vladimirovich Bochkarev

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: ab2009sar@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-9088-9234
SPIN-code: 8127-0143
Russia, 410054, Saratov, Politekhnicheskaya st., 77

Nikolay A. Artamonov

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Author for correspondence.
Email: twostvoll@gmail.com
Russia, 410054, Saratov, Politekhnicheskaya st., 77

References

  1. Rudenko O., Sarvazyan A. Wave biomechanics of skeletal muscle. Journal of the Acoustical Society of America, 2006, vol. 120, art. 3270. https://doi.org/10.1121/1.4777047
  2. Rudenko O. V. Nonlinear waves: Some biomedical applications. Physics-Uspekhi, 2007, vol. 50, iss. 4, art. 359. https://doi.org/10.1070/PU2007v050n04ABEH006236
  3. Sarvazyan A. P., Rudenko O. V., Swanson S. D., Fowlkes J. B., Emelianov S. Y. Shear wave elasticity imaging: A new ultrasonic technology of medical diagnostics. Ultrasound in Medicine and Biology, 1998, vol. 24, iss. 9, pp. 1419–1435. https://doi.org/10.1016/S0301-5629(98)00110-0
  4. Renier M., Gennisson J.-L., Tanter M., Catheline S., Barriere C., Royer D., Fink M. 7B-2 nonlinear shear elastic moduli in quasi-incompressible soft solids. 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. New York, NY, 2007, pp. 554–557. https://doi.org/10.1109/ultsym.2007.144
  5. Gennisson J.-L. New parameters in shear wave elastography in vivo. In: Mecanique pour le vivant. Identification et modelisation du comportement des tissus biologiques humains et animaux. Avancees et perspectives. Colloque National, du 18 au 22 janvier 2016. Available at: https://mecamat.ensma.fr/Aussois/2016/DOCUMENT/TexteGenisson.pdf (accessed May 10, 2024).
  6. Andreev V. G., Dmitriev V. N., Pishchal’nikov Yu. A., Rudenko O. V., Sapozhnikov O. A., Sarvazyan A. P. Observation of shear waves excited by focused ultrasound in a rubber-like medium. Acoustical Physics, 1997, vol. 43, iss. 2, pp. 123–128. EDN: LEFXVP
  7. Cormack J. M., Hamilton M. F. Plane nonlinear shear waves in relaxing media. The Journal of the Acoustical Society of America, 2018, vol. 143, iss. 2, pp. 1035–1048. https://doi.org/10.1121/1.5023394
  8. Lindley B. S. Linear and nonlinear shear wave propagation in viscoelastic media. University of North Carolina, Chapel Hill, 2008. 78 p. Available at: https://cdr.lib.unc.edu/downloads/z029p543p (accessed May 10, 2024).
  9. Rajagopal K. R., Saccomandi G. Shear waves in a class of nonlinear viscoelastic solids. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 2003, vol. 56, iss. 2, pp. 311–326. https://doi.org/10.1093/qjmam/56.2.311
  10. Wochner M. S., Hamilton M. F., Ilinskii Y. A., Zabolotskaya E. A. Cubic nonlinearity in shear wave beams with different polarizations. Journal of the Acoustical Society of America, 2008, vol. 123, iss. 5, pp. 2488–2495. https://doi.org/10.1121/1.2890739
  11. Destrade M., Saccomandi G. Solitary and compact-like shear waves in the bulk of solids. Physical Review E, 2006, vol. 73, iss. 6, art. 065604. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.73.065604
  12. Doronin A. M., Erofeev V. I. A generation of second harmonic of shear wave in elastoplastic media. Letters on Materials, 2016, vol. 6, iss. 2, pp. 102–104 (in Russian). https://doi.org/10.22226/2410-3535-2016-2-102-104
  13. Erofeev V. I. Propagation of nonlinear shear waves in a solid with microstructure. International Applied Mechanics, 1993, vol. 29, pp. 262–266. https://doi.org/10.1007/BF00847023
  14. Raskin I. G., Erofeyev V. I. Propagation of sound shear waves in the nonlinear elastic solids. Soviet Applied Mechanics, 1991, vol. 27, iss. 1, pp. 127–129 (in Russian).
  15. Potapov A. I., Soldatov I. N. Quasioptical approximation for a bundle of shear waves in a nonlinear hereditary medium. Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, 1986, vol. 27, iss. 1, pp. 144–147 (in Russian).
  16. Kivshar Yu. S., Syrkin E. S. Shear solitons in an elastic plate. Akusticheskiy Zhurnal, 1991, vol. 37, iss. 1, pp. 104–109 (in Russian).
  17. Erofeev V. I., Sheshenina O. A. Nonlinear longitudinal and shear stationary deformation waves in a gradient-elastic medium. Matematicheskoe modelirovanie system i protsessov [Mathematical Modeling of Systems and Processes], 2007, iss. 15, pp. 15–27 (in Russian).
  18. Erofeev V. I., Kolesov D. A., Sandalov V. M. Demodulation of a shear wave in a nonlinear plate resting on an elastic foundation with the parameters changing following the running wave law. Problemy prochnosti i plastichnosti [Problems of Strength and Plasticity], 2013, vol. 75, iss. 4, pp. 268–272 (in Russian). https://doi.org/10.32326/1814-9146-2013-75-4-268-272
  19. Bogdanov A. N., Skvortsov A. T. Nonlinear shear waves in a granular medium. Akusticheskiy Zhurnal, 1992, vol. 38, iss. 3, pp. 408–412 (in Russian).
  20. Bykov V. G. Solitary shear waves in a granular medium. Acoustical Physics, 1999, vol. 45, iss. 2, pp. 138–142.
  21. Erofeyev V. I., Sharabanova A. V. Riemann shift waves in material with properties depending on the stress state type. Problemy Mashinostroeniya i Nadezhnosti Mashin, 2004, vol. 1, pp. 20–23 (in Russian). EDN: OWBWPP
  22. Erofeyev V. I., Kajaev V. V., Semerikova N. P. Volny v sterzhnyakh. Dispersiya. Dissipatsiya. Nelineynost’ [Waves in rods. Dispersion. Dissipation. Nonlinearity]. Moscow, Fizmatlit, 2002. 208 p. (in Russian).
  23. Kaplunov J. D., Kossovich L. Yu., Nolde E. V. Dynamics of thin walled elastic bodies. San Diego, Academic Press, 1998. 226 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-20923-8, EDN: WNSAFB
  24. Zemlyanukhin A. I., Andrianov I. V., Bochkarev A. V., Mogilevich L. I. The generalized Schamel equation in nonlinear wave dynamics of cylindrical shells. Nonlinear Dynamics, 2019, vol. 98, pp. 185–194. https://doi.org/10.1007/s11071-019-05181-5
  25. Zemlyanukhin A. I., Bochkarev A. V., Andrianov I. V., Erofeev V. I. The Schamel – Ostrovsky equation in nonlinear wave dynamics of cylindrical shells. Journal of Sound and Vibration, 2021, vol. 491, art. 115752. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115752
  26. Zemlyanukhin A. I., Bochkarev A. V., Artamonov N. A. Physically admissible and inadmissible exact localized solutions in problems of nonlinear wave dynamics of cylindrical shells. Russian Journal of Nonlinear Dynamics, 2024, vol. 20, iss. 2, pp. 219–229. https://doi.org/10.20537/nd240602
  27. Zemlyanukhin A. I., Bochkarev A. V., Ratushny A. V., Chernenko A. V. Generalized model of nonlinear elastic foundation and longitudinal waves in cylindrical shells. Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics, 2022, vol. 22, iss. 2, pp. 196–204. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2022-22-2-196-204
  28. Zemlyanukhin A. I., Bochkarev A. V. Axisymmetric nonlinear modulated waves in a cylindrical shell. Acoustical Physics, 2018, vol. 64, pp. 408–414. https://doi.org/10.1134/S1063771018040139
  29. Yamaki N., Simitses G. J. Elastic stability of circular cylindrical shells. Journal of Applied Mechanics, 1985, vol. 52, iss. 2, pp. 501–502. https://doi.org/10.1115/1.3169089
  30. Amabili M. A comparison of shell theories for large-amplitude vibrations of circular cylindrical shells: Lagrangian approach. Journal of Sound and Vibration, 2003, vol. 264, iss. 5, pp. 1091–1125. https://doi.org/10.1016/S0022-460X(02)01385-8
  31. Lukash P. A. Osnovy nelineinoy stroitel’noy mekhaniki [Fundamentals of nonlinear structural mechanics]. Moscow, Stroyizdat, 1978. 208 p. (in Russian).
  32. Volmir A. The nonlinear dynamics of plates and shells. Foreign Tech. Div., Wright-Patterson AFB, Ohio, 1974. 450 p.
  33. Rudenko O. V. The 40th anniversary of the Khokhlov – Zabolotskaya equation. Acoustical Physics, 2010, vol. 56, pp. 457–466. https://doi.org/10.1134/S1063771010040093
  34. Zarembo L. K., Krasil’nikov V. A. Vvedenie v nelineynuyu akustiku: Zvukovye i ul’trazvukovye volny bol’shoy intensivnosti [Introduction to nonlinear acoustics: High intensity sound and ultrasonic waves]. Moscow, Nauka, 1966. 520 p. (in Russian).
  35. Zarembo L. K., Krasil’nikov V. A. Nonlinear phenomena in the propagation of elastic waves in solids. Soviet Physics Uspekhi, 1971, vol. 13, iss. 6, pp. 778–797. https://doi.org/10.1070/PU1971v013n06ABEH004281
  36. Ryskin N. M., Trubetskov D. I. Nelineynye volny [Nonlinear waves]. Moscow, Lenand, 2017. 312 p. (in Russian).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».