Введение к работе
Актуальность темы. Такие свойства упругих волн, как способность распространяться с конечной скоростью, переносить энергию без переноса вещества, давно и эффективно используются в неразрушающем контроле материалов и конструкций. Многие методы определения напряженно-деформированного состояния, структуры и свойств материалов (например, метод акустоупругости) основаны на измерении скорости волнового пакета – групповой скорости. Для линейных волн групповую скорость справедливо отождествляют со скоростью переноса энергии. Соотношения, связывающие групповую скорость и скорость переноса энергии для нелинейных систем, на сегодняшний день, практически не исследованы, и это представляется актуальной задачей.
В ряде монографий и обзоров (см., например, Бабешко В.А., Глушков Е.В., Зинченко Ж.Ф. Динамика неоднородных линейно-упругих сред. М.: Наука, 1989. 344 с.) отмечается, что количество переносимой волнами энергии является, наряду с амплитудой и фазой, важной характеристикой волнового поля. При этом подчеркивается, что энергетический анализ не сводится к амплитудному, а требует разработки специального подхода.
При изучении распространения волн в таких широко распространенных машиностроительных конструкциях, как среды с препятствиями, решетки и твердые волноводы, следует уделять особое внимание, как дисперсионным характеристикам, так и анализу потоков колебательной энергии. В задачах отражения наиболее важным является вопрос о потоках энергии в падающих и отраженных волнах. Отражение волн от препятствий или неоднородностей лежит в основе теории виброизоляции конструкций.
Дж. Гордоном предложен, а В.П. Малковым развит подход, рассматривающий механические системы и их элементы соответственно как глобальные и локальные резервуары энергии. Этими авторами вводятся понятия глобальных и локальных относительных энергетических критериев; выполняется энергетический анализ типовых экспериментальных диаграмм деформирования стандартных образцов материалов. Во многих публикациях отмечается перспективность такого энергетического подхода для расчета динамической прочности элементов конструкций.
Основные результаты диссертации были получены в рамках «Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008–2012 г.г.» в ходе выполнения работ по темам:
по темам:
– «Разработка методов повышения ресурса и надежности сложных технических систем путем применения наноструктурных материалов и градиентных защитных покрытий, диагностики на ранних стадиях повреждения и мониторинга состояния материалов и конструкций в процессе эксплуатации» (№ Гос.рег. 01200957043; научный руководитель: академик РАН Митенков Ф.М.);
– «Разработка моделей и методов расчета нелинейных волновых процессов, хаотической синхронизации и формирования кластерных структур в машинах, создание высокоэффективных адаптивных систем виброзащиты» (№ Гос.рег. 01200957044; научный руководитель: профессор Ерофеев В.И.)
и при поддержке:
– Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России » (2009 – 2013 г.г.);
– Гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Нелинейные упругие волны в структурированных и поврежденных материалах и элементах конструкций. Теория. Эксперимент. Приложения в технической диагностике» (РФФИ № 09-08-00827; руководитель: профессор Ерофеев В.И.).
Цель работы состоит в определении для нелинейно-упругих волн дисперсионных и энергетических характеристик, необходимых при разработке методик неразрушающего контроля материалов и элементов конструкций.
Научная новизна работы заключается в определении:
- величины отношения скорости переноса энергии одномерных нелинейных упругих волн к групповой скорости;
- зависимостей, связывающих среднюю плотность потока энергии и среднюю плотность изгибных волн, распространяющихся в балке, с модулем Юнга, с площадью и формой поперечного сечения балки.
Практическая значимость. Упругие волны представляют собой высокоэффективный инструмент исследования напряженно-деформированного состояния, структуры и свойств материалов. Дисперсионные и энергетические характеристики изгибных волн могут найти применение при расчете на прочность, устойчивость и определение виброактивности стержневых систем различного назначения, подверженных динамическому воздействию, в частности, несущих движущуюся нагрузку. Соотношения, связывающие групповую скорость и скорость переноса энергии для нелинейных систем, могут найти применение в технической диагностике. Знание истинной скорости переноса энергии упругими волнами весьма важно, поскольку многие методы диагностики материалов и конструкций (например, метод акустоупругости) основаны на измерении скорости волнового пакета.
Результаты диссертационной работы использовались в ООО «Научно-исследовательская лаборатория испытания материалов» при разработке методики ультразвукового контроля высоконагруженных элементов машиностроительных конструкций (Имеется акт внедрения).
Методы исследования. При проведении исследований использованы аналитические методы механики деформируемого твердого тела, теории колебаний и волн.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается их согласованностью с общими положениями механики деформируемого твердого тела, теории колебаний и волн, а также согласованностью результатов расчетов с известными экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
- Результаты исследования дисперсионных и энергетических характеристик поперечных волн, распространяющихся в струне, лежащей на нелинейно-упругом основании и нелинейно-упругой балке.
- Результаты исследования дисперсионных и энергетических характеристик нелинейных сдвиговых волн, распространяющихся в градиентно-упругих материалах.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались: на Второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций (Нижний Новгород, 28-31 октября 2007 года); на XIII Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) (Нижний Новгород - Татинец, 17-21 февраля 2008 года). В полном объеме диссертация обсуждалась на семинарах отдела волновой динамики и виброзащиты машин НФ ИМАШ РАН (2010, 2011 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, 3 из которых [1- 3] – статьи в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 110 страниц, включая 15 рисунков, 2 таблицы, 15 страниц библиографии, содержащей 134 наименования.
