Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS81_t19z1_4_PDF_artyku³y\mts81_t19z3.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I STOSOWANA 3, 19 (1981) WR AŻ LI WOŚĆ R OZ WI Ą Z AŃ RÓWN AN IA LI N I OWYC H D RG AŃ MEMBRAN Y N A Z M I AN Y WSP ÓŁ C Z YN N I KÓW RÓWN AN IA ROMAN G U T O W S K I (WARSZAWA) I. Wstę p P roblem wraż liwoś ci m odeli matematycznych, powstał w ostatn im dwudziestoleciu a wię c stosun kowo n iedawn o. Stał on się wkrótce jedn ym z najbardziej aktualnych proble- mów badawczych zarówn o teorii ja k i praktyki m odeli matematycznych opisują cych zja- wiska rzeczywiste. W problem ie tym wystę pują dwa gł ówne zagadnienia, a mianowicie jakoś ciowe i iloś ciowe. W celu wyrobien ia sobie bliż szego poglą du n a oba te zagadnienia, warto przedstawić skrótowo istotę problem atyki wraż liwoś ci. Ograniczymy się tu do modeli w postaci równ ań róż n iczkowych. D la m odeli tych formuł uje się szereg zagadnień takich jak istnienie i jedn ozn aczn ość rozwią zan ia, cią gła zależ ność wzglę dem wartoś ci począ tko- wych i param etrów, stateczn ość ( n p . w sensie Lapun owa) ze wzglę du n a zaburzenia wartoś ci począ tkowych, lub prawych stron równ an ia i in n e. Wraż liwość jest problemem polegają - cym n a zbadan iu zm ian y rozwią zan ia równ an ia róż niczkowego, powstają cej wskutek zm ian y któregoś ze współ czyn n ików wystę pują cych w równ an iu. Okazuje się , że zmiana stał ego współ czynnika o pewną niewielką wartoś ć, n ie powoduje bynajmniej stał ej odchył ki od starego rozwią zan ia, lecz odchył kę zmienną w czasie, odn oś n ie której moż na badać bą dź jakoś ciowo pewną jej m iarę informują cą n as o ograniczonoś ci tej odchył ki, lub jej zachowan iu się z biegiem czasu, bą dź też m oż na tę odchył kę wyznaczyć iloś ciowo. Opisana powyż ej koncepcja poję cia wraż liwoś ci nie jest jedyn a i istnieją również inne koncepcje wraż liwoś ci, ja k n a przykł ad wraż liwość strukturaln a, zajmują ca się badaniem odchył ki od starego rozwią zan ia, w przypadku zm ian y struktury, czyli postaci równania róż niczko- wego, lub zm ian y iloś ci stopn i swobody. P ozostają c przy zmianie współ czynników, moż na badać również zm ian y in n ych ch arakterystyk n iż sam o rozwią zanie, takich jak n a przykł ad widma czę stoś ci, lub postaci wł asnych, w liniowych ukł adach drgają cych. W każ dym z rozważ anych przypadków należy zdefiniować odpowiednią m iarę wraż liwoś ci. W ni- niejszej pracy ogran iczym y się d o badan ia klasycznej wraż liwoś ci, to znaczy zmiany roz- wią zania spowodowan ego m ał ą zm ian ą jedn ego ze współ czynników równania. Badanie to przeprowadza się za pom ocą odpowiedn io zdefiniowanej funkcji wraż liwoś ci, którą m oż na wprowadzić w rozm aity sposób. W przedstawion ej pracy podan e jest badanie jakoś ciowe wprowadzonej funkcji wraż liwoś ci. W tym zakresie zagadnienie moż na zaliczyć do grupy jakoś ciowej problem atyki teorii stateczn oś ci specyficznego rodzaju, a mianowicie statecz- noś ci n a m ał e zaburzen ia stał ych współ czyn n ików równ an ia. Badanie takie powin n o poprze- dzać zagadnienie iloś ciowe wyznaczenia funkcji wraż liwoś ci, które nadaje problem owi 376 R . GuTOWSKi wraż liwoś ci ostateczny wyraz praktyczny. Jednakże nawet jakoś ciowe zbadan ie zachowania się funkcji wraż liwoś ci i stwierdzenie, że jest ona n a przykł ad ogran iczon a, lub zm ierza do zera i od jakich param etrów fizycznych zagadnienia to zależ y, daje pewne interesują ce informacje praktyczne o wraż liwoś ci modelu m atem atyczn ego, w postaci równ an ia róż- niczkowego, n a mał e zaburzenia współ czynnika. Z praktycznego pun ktu widzenia, badanie wraż liwoś ci w sensie om ówion ym powyż ej pozwala n a przewidzenie, jak znacznie bę dą się róż niły rozwią zania n p . drgań elementów wykonywanych seryjnie, dopuszczają c pewien rozrzut param etrów fizycznych (mas, sztywnoś ci) podczas produkcji. N a podstawie analizy wraż liwoś ci m oż na równ ież rozwią - zywać zagadnienie odwrotn e, to znaczy podać dopuszczalny rozrzu t param etrów fizycznych aby odchył ka rozwią zań od egzemplarza wzorcowego n ie przekroczył a z góry ż ą danej wartoś ci. N ależy podkreś lić, że problem atyka ta został a w mniejszym lub wię kszym stopn iu zbadana dla równań róż niczkowych zwyczajnych [2], [3]. D la równ ań róż n iczkowych o pochodnych czą stkowych problem atyka ta znajduje się w stadium form uł owan ia i uzys- kiwania pierwszych rezultatów. N iektóre z nich, dla zagadn ień zawierają cych jedną zmienną przestrzenną są przedstawione w pracach [4], [5], [6]. N iniejsza praca przed- stawia problem wraż liwoś ci n a zmiany współ czynników równ an ia dla równ an ia o pochod- nych czą stkowych z dwiema zmiennymi przestrzen n ym i. W tym przypadku, ja k również w przypadku wielu zmiennych przestrzennych powstają jakoś ciowo n owe problem y, w porównaniu z przypadkam i, w których wystę puje jedn a zm ienn a przestrzen n a. D la przejrzystoś ci rozważ ań zagadnienie został o przedstawion e nie n a przykł adzie ogólnego równania o pochodn ych czą stkowych o wielu zmiennych przestrzen n ych, lecz n a przykł a- dzie drgań membrany, mają cej zn an e znaczenie i zastosowan ie w teorii i praktyce drgań ukł adów cią gł ych. 2. Sformuł owanie zagadnienia Rozważ my równanie róż niczkowe drgań m em bran y prostoką tn ej w postaci • 82u du+(1) gdzie m — masa przypadają ca n a jedn ostkę powierzchni m em bran y, ix — współ czynnik tł um ienia liniowego zewnę trznego drgań poprzeczn ych, r — współ czynnik sprę ż ystoś ci podł oża sprę ż ystego, T o — napię cie membrany, F(x, t) — sił a wymuszają ca, u(x, y, t) —'przemieszczenie poprzeczne m em bran y. • N iech boki rozważ anej membrany prostoką tn ej bę dą odpowiedn io równ e a i b, przy czym b < a. Wprowadzamy oznaczenia — = Ip, — = c, — = y, — F = ; , m ' m m ' m J WRAŻ LIWOŚĆ ROZWIĄ ZAŃ 377 gdzie /?, c, y ozn aczają stał e d o d a t n ie . R ó wn an ie (1) przybiera postać 8 2 u „ 8u _ Idhi . 82u ^ ' dt 2 dt \ N iech warunki począ tkowe mają postać . _N . . 3M ( X, V, 0) (3) u(x,y,0) = yiC ^.J'). ^ a»Va(Xi)')i zaś warunki brzegowe niech mają postać w(0,j> ,0 = 0» «( a, y, 0 = 0, u(x,Q, 0 = 0, «(x,fo, 0 = 0. Warunki te odpowiadają przypadkowi membrany zamocowanej wzdł uż wszystkich boków. Zakł adamy, że rozwią zanie równania (2) z warunkami (3) i (4) jest znane. Zagadnie- niem, które chcemy zbadać, jest wraż liwość rozwią zań równania (2) na zmiany współ - czynnika £, który jest równy y lub B lub c. W tym celu wprowadzamy funkcję wraż liwoś ci w postaci (5) (o(x, y, t, f) = lim N a mocy (5) mamy nastę pują cą równość przybliż oną (6) u(x,y, t,£+Ai)- u(x,y,t,i)zco(x,} Jeś li wyzn aczym y, lu b oszacujem y fun kcję w(x, y, t, £ ), wtedy n a podstawie wzoru (6) m oż emy wyzn aczyć w przybliż en iu, lu b oszacować zm ian ę funkcji u(x,y, t, f) odpowia- dają cą z m ia n ie / ( ^ p a r a m e t r u §, R ó wn ież n a o d wró t , jeś li róż n ica A u = u(x,y, t, !j+A§)- —u(x,y, t, £) jest z góry d a n a , wtedy n a m ocy (6) m oż emy wyznaczyć w przybliż en iu dopuszczaln ą wart o ść Ag. Wyprowadzim y ró wn an ie ró ż n iczko we dla funkcji co(x, y, t, f) . R óż n iczkując równ an ie róż n iczkowe (2) wzglę dem | = y, /?, c otrzym ujem y równ an ie róż n iczkowe wraż liwoś ci w po st aci (~\ B co dco I d 2 a) 8 2 co gdzie 8 2 u 8 2 u _ d la dx 2 dy 2 —u dla | = c . 378 R- OU TOWSKI Warunki począ tkowe i brzegowe mają postać (9) (10) = 0 , 8co((x,y,0,Q ^ _5_ \ du(x,y, 0 , 1) 1 _ _ 3_ 3/ di \ 8t 8£ 8 d , o > ( 0 , y , * , S ) - - | T « ( 0 , ; M , ©- 0. toCa.y, »,f) - - g£u(p,y,t,ftm o, o)(x, 0, f, I ) = - vg- ufct, 0, t, I ) = 0, co(x, b, t, | ) = - wrtt(x, 6, t , O = 0. Zagadnienie polega na zbadaniu zachowania się rozwią zań równania (7), to znaczy n a znalezieniu warunków dostatecznych ich ograniczonoś ci, lub zmierzania do zera przy t - » oo. 3. Badanie zachowania się rozwią zań równania róż niczkowego wraż liwoś ci Jeś li współ czynnik f nie ulega zmianie, wtedy jest t u s O . Jeś li współ czynnik £ zmienia się o ń £, wtedy rozwią zanie równania (7) odchyla się od rozwią zania zerowego. Odchyle- nie powyż sze bę dziemy mierzyli za pomocą odległ oś ci w postaci gdzie zakł adamy, że (12) c- yS2 > 0. Wprowadzona odległ ość speł nia warunki Q(CO) 3S 0, g(0) = 0. Odległ ość ta nie musi speł niać aksjomatów przestrzeni metrycznej. D la pewnego co(x,y, t, f) odległ ość bę dziemy oznaczali przez c(t) i zakł adamy, że jest ona jednoznaczną i cią głą funkcją czasu t. Róż niczkując odległ ość (11) wzglę dem czasu i podstawiając zamiast - r - j- odpowiednie skł adniki z równania (7) otrzymujemy po przekształ ceniach o o 3co 32ft> 3a) 32co 3co 32co dco 82a> J o o WRAŻ LIWOŚĆ ROZWIĄ ZAŃ 379 Obliczmy cał kują c przez czę ś ci nastę pują ce cał ki, uwzglę dniając przy tym warun ki brzegowe a b a b o a b O O a b O O a b J J dt o o a b dco d 2 w O O C C dco 8 z co "J J o o J oo Wzór (13) przybiera wię c postać a b Kir f f dm d 2 m , 7 r r 8w J J ~W- WdXdy " " J i ^ d 2 co o o + 2 N a mocy (11) m am y wię c (14) Stą d otrzymujemy g = - 2 ^+2 J o ó ~ a b \ cp\ dxdy< - 2 o o f a b a b j f (15) Q ^ - 2{]Q + e + f J cp 2 dxdy m (1- 2P)Q+Jf
2(x,y, t, £) moż emy przedstawić w postaci
y y
f 8 C •
(° \
xJ y> t, c) = I ~m(x,s,t,^ )dS=: I 2co(x,s,t,
o o
Stąd mamy
o i a 6 v
J J c o 2 ( x , j M , , T ) ^ = [ J J2fl)(x, 5, f, g) d(o{- x>s> l> *\ ds\ dxdy,
(20) ° ° ' ° °
J J ' J U U
0 0 0 V0 0
Zmieniamy kolejność cał kowania wzglę dem y i s stosując wzór D irich leta w postaci
by b b
( 2 1 ) Jdy Jf(s, y)ds = / ds ff(s, y)dy,
0 0 Os
przy czym w rozważ anym przypadku, fu n kc ja / we wzorze (20) nie zależy od zm iennej y.
N a podstawie (21) otrzymujemy wzór (20) w postaci
a b a b
f I co*(x, y, t, i)dxdy = f { f [ f 2a>(x, *, t, Ę ) doi{x>S> U ° dy] ds)dx.
0 0 0 l 0 L . Ć S J '
WRAŻ LIWOŚĆ ROZWIĄ ZAŃ 381
Jednakże funkcja podcał kowa po prawej stronie nie zależy od y więc mamy
a b a b
j f co
2
(x,y, t, i)dxdy = f J 2a>(x, s, t, g) 8a>^ X'
g
S
J
t
'^ - (b- s)dxds.
0 0 0 0
Ponieważ zmienna s zmienia się w granicach 0 ^ s < b więc ma miejsce nierówność
b- s «S b. Oznaczając s przez y otrzymujemy więc
a b a b
C C f \ j j i ! C r f-\ Sco(x y, t £)
I co (x, y, t, c)dxdy ^ 2o I \ co(x, y, t, Ę )\ r dxdy.
o o o o
Stosując nierówność Buniakowskiego- Schwarza mamy
\ fa>\ x,y, t, i)dxdy <2b[j j co
2
(x,y, t, OdxdyflJJr^ '^ '^ ] dxdy?.
oo oo "- o o ' -1
Podnosząc tę nierówność obustronnie do kwadratu otrzymujemy ostatecznie
a b a b
(22) f !»**&< ** H(%)*iy.
0 0 0 0
N a mocy (11) i (18) mamy
Oft)\
rfxrfj; < - J «P(s,f)exp[(l- 2^)(f-S)]ds.
I 0 ' ' ' Y 0
Wobec tego na mocy (22) otrzymujemy
a b t
(23) J J a>2dxdy <—- f # 0 , £)exp[(l - 2p)(t- S)]ds,
0 0 ^ 0
J J
0 0
N ierównoś ci (19) i (23) moż emy napisać w postaci
a b t
(24) J J w2dxdy < N J 0(S, f)exp[(l - 2/ S)(f- s)]ds,
o o o
gdzie
N = min I
c- / 32 y
Zał óż my, że jest speł niona nierówność
(26) 1- 2/8 < 0 .
Jeś li funkcja 0(^, ^) jest ograniczona dla t e [0, oo), wtedy cał ka podwójna z kwadratu
funkcji wraż liwoś ci jest również ograniczona, gdy zaś @(t, £) - * 0 dla jt -> oo, wtedy cał ka
podwójna z kwadratu funkcji wraż liwoś ci ma również tę wł asnoś ć.
Zał óż my, że ma miejsce nierówność (26) i rozważ my przypadek, gdy rozwią zanie
u
(x, y, t, i) równania (2) oraz pochodne wystę pują ce w tym równaniu są ograniczone.
Wtedy funkcja 0 jest również ograniczona, to znaczy
(27) 0{t,S) < A = const < oo, fe [ 0, o o ) .
3g2 R- G U TOWSKI
N ierówność (24) przybiera wtedy postać
a b
(28) ( J o>2dxdy
bo
a b
( J
b o
G dy funkcja u(x,y, t, | ) jest nieznana, wtedy w przypadku £ = c to znaczy cp = - u
moż emy otrzymać oszacowanie cał ki podwójnej z kwadratu funkcji wraż liwoś ci w sposób
nastę pują cy.
D la funkcji u moż emy otrzymać analogicznie ja k powyż ej oszacowanie
a b
/
< Aexp[(l- 2P)t] + J e(s)exp[(l- 2/ ?)(t- s)]ds,
o
gdzie
a b
Q(t) = J J f
2
dxdy, A ~ J
t=0
-
0 0
Stąd otrzymujemy w sposób analogiczny jak w przypadku nierównoś ci (24) nierówność
w postaci
a b t
0 - J ju2dxdy < iv(i4.exp[(l—2JS)I]+ J<2(s)exp[(l— 2j3)(t- s)]ds).
o o o
Wobec tego na mocy (24) mamy
a b t
(30) / J m2dxdy < N 2 J Uexp [(1 - 2/ 3)s] +
0 0 0
J
0 0
N a podstawie nierównoś ci (30) moż na zbadać zachowanie się cał ki podwójnej z kwad-
ratu funkcji wraż liwoś ci z biegiem czasu, w zależ noś ci od wł asnoś ci funkcji Q.
N ależy podkreś lić, że w przypadku membrany, w której równaniu drgań poprzecznych
wystę pują dwie zmienne przestrzenne x i y, nie udaje się uzyskać informacji bezpoś rednich
o funkcji wraż liwoś ci a>, lecz tylko o cał ce podwójnej z kwadratu funkcji wraż liwoś ci.
Wynika stąd na przykł ad, że jeś li oznaczymy przez u
x
rozwią zanie równania (2) dla
§ T6 0, zaś przez u
2
rozwią zanie równania (2) dla /? = 0, to przy (i -> 0 nie należy spodzie-
wać się, że u
2
- *• u^ . N atomiast powinno być
a b a b
J J u\ dxdy - > ) J u2dxdy przy /S - > 0
0 0 0 0
Podsumowując uzyskane rezultaty moż na stwierdzić co nastę puje. Badając wraż liwość
drgań membrany w oparciu o liniowy model matematyczny drgań, za pomocą wprowadzo-
nej funkcji wraż liwoś ci, nie daje się uzyskać wartoś ci ograniczają cej samą funkcję wraż li-
WRAŻ LIWOŚĆ ROZWIĄ ZAŃ 383
woś ci, co jak stwierdziliś my na począ tku jest n a ogół nadzwyczaj poż ą daną informacją
jakoś ciową mają cą sam odzieln e znaczenie praktyczn e. Odnoś nie funkcji wraż liwoś ci
moż emy uzyskać tylko informację , że cał ka podwójna z jej kwadratu jest ograniczona,
iub zm ierza do zera, co wynika ze wzoru (24). W nierównoś ci tej prawą stronę otrzymujemy
ustalają c wartość stał ej N , którą moż na wyznaczyć znają c wymiary i param etry fizyczne
m em bran y (wzór (25)) oraz mają c informację o zachowaniu się rozwią zania równ an ia (1)
membrany z n iezaburzon ym i współ czyn n ikam i, to znaczy znają c funkcję 0 daną wzo-
rem (16). Skoń czoną postać oszacowan ia (24), w przypadku gdy funkcja 0 jest ograni-
czon a stał ą X (wzór 27) przedstawia wzór (28). Oznacza to, że stosują c model liniowy
membrany w postaci równ an ia (1), moż emy w przypadku mał ej zmiany współ czynników
równ an ia spodziewać się tylko mał ej zm iany cał ki z kwadratu funkcji wraż liwoś ci, a nie
samej funkcji wraż liwoś ci. Jest to podstawowa cecha charakterystyczna i trudn ość wystę -
pują ca przy badan iu m odeli m atem atyczn ych ukł adów dynamicznych cią gł ych, zawiera-
ją cych wię cej niż jedn ą zmienną przestrzen n ą , którą trzeba brać pod uwagę przy fizycznej
interpretacji wyników dotyczą cych badan ia wraż liwoś ci, lub przy badaniach numerycz-
nych.
Wzór (24) podaje oszacowan ie cał ki podwójnej z kwadratu funkcji wraż liwoś ci przy
zał oż eniu, że rozwią zanie równ an ia (1) to znaczy również i funkcja 0 dana wzorem (16)
są zn an e. W przypadku gdy zm ian ie ulega współ czynnik c ( p . równanie (2)), wtedy mo-
ż emy nie rozwią zywać tego równ an ia w celu wyznaczenia funkcji 0 lecz posł uż yć się
oszacowaniem funkcji 0, co wystarczy do skon struowan ia oszacowania cał ki podwójnej
z kwadratu funkcji wraż liwoś ci dan ej wzorem (30). Sens tego wzoru jest taki sam jak wzoru
(24), z tą jedn ak róż nicą, że p o prawej stron ie wzoru (30) nie wystę puje już jawnie funkcja 0
której nie trzeba wię c wyzn aczać. N ależy jedn ak podkreś lić, że wynik ten został uzyskany
kosztem dokł adn oś ci oszacowan ia, to znaczy oszacowanie (30) jest „ grubsze" niż oszaco-
wanie (24), w tym samym przypadku badan ia wraż liwoś ci rozwią zania n a zmianę współ -
czyn n ika c. Oszacowanie to zachowuje jedn akże te sam e cechy jakoś ciowe, to znaczy moż na
n a jego podstawie wn ioskować o ograniczonoś ci i zm ierzaniu do zera cał ki podwójnej
z kwadratu funkcji wraż liwoś ci.
Literatura cytowana w tekś cie
1. B. H . CMH PH OB, Kypc eucuieu MameMomuKu, t. IV Toe. H3fl Tex.- TeopeT. JIH T. M OCKBS, JleHHH-
rpa«, 1951
2. R. TOMOVIC, Sensitivity analysis of dynamic systems, N Y 1963 Mac G raw H ill.
3. P . ToMOBnq, M . ByKo6PATOBHi, O6utan meopun nyscmeumeMbHocmu, H3fl. CoseTCKoe PaflHo, 1972.
4. R. G U TOWSKI, Introduction sur la stabilite du mouvement des systems continus, Laboratoire de mć ca-
nique des solides, L'U niversite de Poitiers 1978.
5. R. G U TOWSKI, Statecznoś ć i wraż liwoś ć w ukł adach mechanicznych, rozdział w: Wprowadzenie do sta-
tecznoś ci ruchu ukł adów cią gł ych, Ossolineum 1978.
• 6. R . G U T O WS K I , ^ yecmeumeAbJwcmb petuenuu ypaeuenuu deuoiceHun neKomopux Kojieoame/ ibnux cucmeM
c pacnpede/ ieuHUMu napaAiempajuu, Proceedings of the VIII- th International Conference on N onlinear
Oscillations, Prague, 1978.
3 Mech. Teoret. i Stos. 3/81
384 R. G U TOWSKI
P e 3 io M e
M YBCTBH TEJILH OCTL P E I I I E H H n yP ABH E H H fl JI H H E ftH LI X K O J I E B A H H B
MEMBPAH BI OTH OC H TEJI LH O H 3M E H E H H K E r O K O E cp O H U H E H T O B
B paSoTe H ccneflyeTCH qyBCTBH TejitH ocTB penieH H fi yp a B i i e m w jiH H eMH bix K0Jie6aH H ii npjiM oy-
rOJIBHOH MeM6paHW OTHOCHiejIbHO H3MeHeHHH KOecbtpHirHSHTOB 3T0rO ypaBH eilH H . ^yBCTBHTejIBHOCTL
H ccjienycTCH c n oM oiubio anpeflejie'H H oii B paSoT e Ą >ym