Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию волновых процес
сов в упругих системах, как элементах машин и конструкций, возни
кающих при контактных взаимодействиях на их подвижных сопряжениях
о твердыми телами, а также изучения связанного о ними явления вол
нового сопротивления движения тел применительно к задачам динами
ки упругих систем с движущимися нагрузками и задачам теории трения
качения и скольжения. ;
Актуальность исследования, волновых и вибрационных процессов, возникающих при контактных взаимодействиях упругих элементов машин, механизмов и конструкцій диктуется потребность» машиностроения в высоконадежных и функционально работоспособных узлах и парах трения. Развитие этих процессов на подвійних сопряванйях элементов приводит к увеличения энергозатрат, повышенному износу изделий, росту ншгря&еянй и температуры, разрушению и изменению свойств материалов.
До настоящего времени динамические контактные задачи развивались, как правило, в предположении заданности прилагаемых к упругим телам нагрузок в области контакта, постоянства еэ размеров и структуры и по существу сводились к задачам воздействия нестационарных нагрузок на упругие системы. В такой постановке исключается возможность исследования взаимного действия тел друг на друга посредством волновых полей деформаций, возникающих при контактировании, ваших, презде всего для развития таких разделов, как теория трения и теория удара.
Развиваемые в последние годы по инициативе А.И.Веснкцкого вопросы волновой динамики упругих систем обнаруживают нетрадицнон-нооть в подходах к постановке задач динамического контактного взаимодействия [?}, требующих описания согласованных двияений взаимо-дейотвуодих тел (6, 17, 18, ] и приводящих к неклассическкм задачам математической физики о краевыми условиями на подвиеных границах. Проведенные в том числе и в рамках диссертации иооледова- . ния показывают, что волновым процессам здесь присущи эффекты преобразования частоты и энергии волн'[4, 8, 9] -,. формирования волн импульсной формы [I - 3] , излучения энергия волн.[5, 9, 10] и, как следствие, возникновение волнового сопротивления движению тел [14, 15, 19, 20 J , способного давать значительный вклад в силы трети качения [16, 21 , 22] и сколыакия
2.
[23, 28, 33 - 36].
Цель работы состоит в -'..-.'
, - постановке., .'на основа вариационного принципа Гамильтона-Остроградского,. динамических задач взаимодействия -абсолютно . твердых тел и упругих систем, содеркащей естественные, условия- согласования для уравнений их движения в граничных точках заранее неизвестной подвивдой области контакта;. ' " . ; -. - .разработкеоснов теории возбуждения волн в упругих систе- .мах подвижными, источниками, включающих -анализ, проявлений аффекта Доплера й его влияния на резонансные свойства систем и вид параметрических колебаний,--а такке исследование'нестационарных и нелинейных- волн, возбувдаёмых:двш?ущейоя- нагрузкой;-
- исследовании'явления волнового сопротивления-движению тел .
вдоль упругих иаправлявдих для их различных моделей,'.видов и ус-'
ловий взаимодействия; сосредоточенный .'(единичный й' тотственный)
.шш распределенный- контакт» неконтактный подвес;-околькение или качение;-заданный или неизвестный закон движения;.;.;.
- развитии и. поотроашш волновых, моделей' сухого-трения, поз
воляющих для области упругого взаимодействия тел через потоки
энергии волн построить аналитические зависимости сил 'и коэффи
циентов трения.от исходных параметров. './
.' Научная новизна,.результатов-даосеотапии видится в следующем::
- предложен новый 'подход к. поотановке динамических задач ~j.
контактного взаимодействия абсолвтно твердых тел и упругих оис-./
тем, состоящий в-использовании вариационного принципа.Гамильтон '
на-Остроградокого для поиска .сиотёмы взаимосвязанных уравнений,
. их движения и условий согласования в заранее :неизвёотных граничных точках облаоти контакта,; Эти условия-, являющиеся, условиями.' траноаерсально^їти в соотватствуще'й'вариационной задача, прзво- лдаг через функцию Лагранжа упругой системы найти, универсальные выражения для поиска реакций геометрических или кинематических связей, действующих в контактной области, а.такяе дополнительные соотношения для описания ее эволюции;
-'на-основе исследов.ания'.кинематики упругих', волн, возбуждаемых подвижными источниками, 'для конкретных, примеров цроводен анализ динамического поведения упругих систем о.-двиярдашіся нагрузками и телами, позволяющий углубить понятие о критических скоростях двизэния и обнаружить новые качественные' .особэшорти прбяалё-
' ния- резонанса', парамэтричоской ^устойчивости,', вл^шя- диссипа-.
тивных и нелинейных свойств;
поставлен вопрос о волновом сопротивления движению тел вдоль деформируемых систем, обусловленном потерями энергии на возбуждение при их взаимодействии я излучение упругих волн. Волновое сопротивление исследовано применительно к задачам движения нагрузок и тел вдоль одномерных упругих направляющих при различных случаях взаимодействия, включая особенности динамики тел при скольжении и качении. Показано, что в реальных ситуациях (например, в динамике железіюдороаного транспорта) вклад волнового сопротивления достигает 20 % от полного;
развят подход к аналитическому описанню сухого трения, как процессу диосшіащпї энергии тел при vsx тангенциальном перемеще-ний в результате потерь на излучение, возбуждаемых при взаимодействии поверхностей упругих волн. Рассмогр9ШШ9_моделя позво-_ ляют (для случаев, ограниченных условиями упругого контакта) построить зависимости сил и коэффициентов трения от скорости скольжения, нагрузки, стационарной температуры сред, вязко-упругих констант материалов и параметров профиля поверхности и достаточно хорошо описывают ряд известных экспериментальных данных.
Основные результаты дисоерташга:
-
Из вариационного прішціша Гамильтона-Оотроградского найдены условия согласования для дяфферетотальных уравнений соответствующей динамической краевой задачи контактного взаимодействия абсолнтно твердых тел и упругих сиотем, необходимые при описании эволюции границ неизвестной контактной области.
-
Развиты основы теории возбуждения воли в упругих системах подвижными источникам:
выявлены особенности проявления сложного эффекта Доплера и его влияния на резонансные свойства систем;
исследовано влияние на характер аозбуздаемых воля дйсоила-тивных, нелинейных свойств систем, а также неравномерности движения источников;
впервые экспериментально обнаружен эффект генерации волн импульсной формы (параметрической неустойчивости П рода в рас-пределонных системах) и подтверждены условия его возникновения.
3. Исследован вопрос о волновой сопротивлении движению тел
вдоль деформируемых спето:.:, обусловленном потерями энергий на
возбуждение и излучение упрут: л зіті. На примерах равномерного
движения вдоль упругих направляющих нагрузок, их ансамблей (применительно к селезнодорогнощу транспорту), тел, подвешенных в магнитном поле (признательно к трансаорту .на магнитном, подвеса), колэс в .условиях скольеєння и качения (применительно к вездеходным машинам с эластичными гусеницами), построены различные зависимости втих сил от исходных параметров систем и оценен ш: вклад в полное сопротивление, достигающий в реальности до 20 %.
4. Развит подход it описали» сухого трения, как процесса диссипации энергии на возбувдение волн при микроконтактных взаимодействиях трибоповерхностей. Путем обобщения известной и разработки новой модели получены функциональные зависимости сил трения от скорости скольюяия, вязкоупругих констант материалов, температуры, параметров профиля поверхности и геометрических характеристик тел.
Практическая значимость
1, Выполненные наследования волновых процессов в упругих
элементах машин и конструкций, развиващихся при контактирова
нии их подвижных сопряжений, позволят1:
- проводить описаниа аффектов волнообразования в упругих
элементах с подвианыив контактами и выявление, наиболее опасных
, при эксплуатации резонансных режимов; \
на этапе конструирования наземных транспортных средств проводить оценку энергозатрат на преодоление сил волнового сопротивления движению и вносить допустимые изменения в конструкции с цель» их уменьшения;
осуществлять синтез пар трения, работающих в условиях упругого контакта с наперед заданными трибологическими свойствами, и использовать в расчетах динамики элементов машин 'аналитические зависимости сил и коэффициентов трения.
2. Выполненные исследования использовались в работах по.
договорам о научно-техническом сотрудничестве и хоздоговорам
с ВЗІИТ (г.Москва), ПО "Транспрогрэсс" (г.Москва), ШИТОЛ (г.Ниж-ний Новгород,с ПО "ГАЗ"(г.Н.Новгород) и ПО "ВАЗ" (г.Тольятти),
ч
о ИМАШ АН СССР (г.Москва), а такна внэдроны в учебный процесс Вя~ 'аегородокого госуниверситега (учебные пособия [7, II] ),
Апробация результатов.материалы диссертация докладывались на:
Всесоюзных симпозиумах по дифракции и распространению волн (1981, 1990 гг.);
Всесоюзных школах механиков "Анализ и синтез нелинейных колебательных систем" (Даугавшадз, 1980, 1983, 198? гг.);
, - Всесоюзной конференции по нелинейным колебаниям механических систем (г.ГорышЗ, 1990 тт.)
Всесоюзной конференции "Волновые и вибрационные процессы в машиностроении" (г.Горький, 198Э ї.);
Всесоюзном сешнаре "Динамика распределенных систвн" (г.Горький 1985 - 1992 гг.);
Всесоюзной конференции "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехничзскпх характеристик конструкционных И пя-струментальннх материалов" (Тернополь, 1990 г.);
Всесовзной конференции "Триботехника - машиностроения)" (г.Н.Ноагород, 1991г.);
- - Ш международном симпозиуме 1A/SYC0//T "Трнбологическиё проблемы элементов, действующих в контакте" (Польша, г.Краков, 1990 г.);
выездных заседаниях секции "Теория трения и изнашивания" Межведомственного Научного Совета по трибологии при АН СССР, ГКНТ СССР и Союзе ШО СССР (Львов, 1989 г., Горький, 1990 г.);
на семинарах ШШех АН СССР, ИМАШ АН СССР, Нф.ЙМАШ АН СССР, Лф ИМАШ АН СССР, Института механики при МГУ, МВТУ, НГУ и Других.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах
[I - ,Л7].
Работа выполнялась в соответствии с общеакадемлческой программой "Повышение надаапости систем "машина - человек - среда" по теме "Разработка новых принципов прогнозирования надежности систем на базе динамических моделей микроконтактшх взаимодействий, а такяе по программам 0ІШ и НУ АН СССР: "Механика" по теме "Динамика волновых движений механических систем с качением"; "Машиностроение и технология" по теиэ: "Разработка кинетической теории контактных взаимодействий и механохимических процессов D трпбологических системах".
О&ьщ диссертации
Диссертация содаркит введение, четыре главы, заклачение и список цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 313 стр., включая 227 стр, основного текста, 67 отр. .рисунков и 19 отр. библиографии, оодерщщей 204 наяменовашш.
