Введение к работе
Актуальность темы. Расчет колебаний сложных судовых конструкций в случае достаточно корректной постановки задачи сталкивается с тремя серьёзными проблемами. Первая из них – это необходимость учета реальных конструктивных особенностей сложной конструкции. Вторая – учет взаимодействия колеблющейся конструкции с прилегающей жидкостью. Третья – учет внутреннего сопротивления материала конструкции и внешнего сопротивления окружающей среды.
Первая проблема обычно решается на основе современных численных процедур. В данной работе это делается на основе метода модуль-элементов (ММЭ). Вторая проблема может быть решена путем рассмотрения задачи о колебаниях связной системы «конструкция – жидкость» в гидроупругой постановке. Третья проблема может быть решена путем прямого введения в систему уравнений равновесия членов, ответственных за учет сопротивления внутренней и внешней среды, что приводит к необходимости решать задачу в области комплексных значений.
В данной диссертации рассматривается обобщенная математическая модель, объединяющая все три проблемы сразу.
Целью данной работы является разработка математических моделей, расчетных и экспериментальных методик, которые позволяют исследовать колебания механических систем в гидроупругой постановке с у четом сопротивления внутренней и внешней среды различной вязкости.
Достижение поставленной цели предусматривает решения следующих задач:
– построение конкретных математических моделей, описывающих поведение колеблющихся механических систем с учетом гидроупругого взаимодействия с жидкостью и сопротивления внешней и внутренней среды на основе численного метода модуль-элементов;
– теоретическое и экспериментальное исследование гидроупругого взаимодействия жидкости и колеблющейся механической конструкции с учетом сопротивления;
– создание экспериментальной установки для определения параметров сопротивления при свободных гидроупругих колебаниях механической системы;
– разработка компьютерной программы для измерения и обработки координат, снятых с экспериментальной установки;
– определение коэффициентов сопротивления внутренней и внешней среды;
– получение удельных коэффициентов, позволяющих в дальнейшем, не прибегая к эксперименту, использовать их в расчетных моделях;
– разработка программного комплекса для решения задачи о колебаниях судовых конструкций с помощью метода модуль-элементов, который позволяет учитывать внутреннее и внешнее сопротивление;
– выявление корректности серии проведенных экспериментов и достоверности полученных результатов;
– сопоставление полученных результатов с результатами других авторов по другим методикам.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
– впервые разработана математическая модель и решена задача о колебаниях механической системы в гидроупругой постановке с применением метода модуль-элементов и учетом сопротивления внутренней и внешней среды;
– в работе определены коэффициенты внутреннего и внешнего сопротивления для стали, воды, дизельного топлива и машинного масла, без знания и правильного применения которых не возможно выполнение практических расчетов;
– разработана математическая модель и методика расчета колебаний механических систем с применением метода модуль-элементов;
– разработан программный комплекс для ЭВМ, предназначенный для расчета колебаний пластинчатых судовых конструкций методом модуль-элементов в гидроупругой постановке с учетом сопротивления внешней и внутренней среды;
– проведен анализ влияния внутреннего и внешнего сопротивления на динамику конструкции.
Методы исследования. Работа была выполнена на основе численного метода модуль-элементов, экспериментального (физического) и математического моделирования.
Положения, выносимые на защиту.
– Предложенная новая математическая модель, позволяющая описать колебания пластин в гидроупругой постановке с учетом сопротивления внутренней и внешней среды.
– Результаты экспериментов по определению внутреннего сопротивления стали и внешнего сопротивления для четырех внешних сред: воздух, вода, дизельное топливо и машинное масло.
– Вычислительный алгоритм и программный комплекс, применимый для решения поставленной задачи.
– Сравнительные результаты расчета по математической модели данной диссертации с экспериментом и другими методиками, использованными работе.
Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением полученных экспериментальных коэффициентов внутреннего сопротивления для стали со значениями этого коэффициента, полученными другими авторами. Полученные результаты расчетов по математической модели данной диссертации, основанной на методе модуль-элементов, согласуются с результатами выполненных экспериментов, а также имеющимися классическими аналитическими решениями и апробированными численными методами для задач о собственных колебаниях балок и пластинчатых конструкций для вариантов без учета влияния жидкости.
Практическая значимость работы. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанные математические модели и программные комплексы могут использоваться при проведении конкретных, практических расчетов научно-исследовательскими и проектными организациями, занимающимися проектированием сложных тонкостенных конструкций, взаимодействующих с жидкостью с учетом внешнего сопротивления неупругой среды.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
– 36-я научно-техническая конференция аспирантов и студентов, г.Комсомольск-на-Амуре, 2006;
– 39-я научно-техническая конференция аспирантов и студентов, г.Комсомольск-на-Амуре, 2009;
– XXIII Международная конференция «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов», г. Санкт-Петербург, 2009;
– XII Краевой конкурс молодых ученых, г. Хабаровск, 2010;
– III Сахалинская региональная морская научно-техническая конференция «Мореходство и морские науки», г. Южно-Сахалинск, 2011;
– научные семинары кафедры кораблестроения ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», г. Комсомольск-на-Амуре, 2011, 2012 и 2013.
Публикации по работе. По теме диссертационной работы опубликована 1 монография, 6 статей в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК, 5 статей в материалах и трудах конференций, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. В совместных работах [1-13], автор выполнял экспериментальные и теоретические исследования, проводил обработку результатов. Работы [9, 10] выполнены автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 135 страниц, включая 34 рисунка, 10 таблиц, 2 приложения на 8 страницах. Список литературы включает 46 наименований.
