Введение к работе
Актуальность темы. Разомкнутые цилиндрические оболочки широко используются в современных конструкциях в строительстве, авиации, энергетике, нефтяной и других отраслях промышленного производства. В процессе эксплуатации, оболочечные конструкции претерпевают существенные воздействия, которые имеют циклический характер, что может быть причиной запуска внутренних динамических механизмов, существенно влияющих на прочностные характеристики и параметры устойчивости оболочки. Часто на таких конструкциях размещаются присоединённые массы: внешние двигатели летательных аппаратов, антенные установки, подвесные топливные баки, кондиционеры, фонари, смотровые площадки. Присоединенные массы имеют различные геометрические и инерционные параметры, а вес редко превышает 5% от веса основной конструкции. Присоединенные массы изменяют напряженно-деформируемое состояние и параметры собственных колебаний оболочек. Это приводит к изменению параметров работы конструкций в целом, и может привести к резонансу и их разрушению.
Так, например, 2004 г. произошло обрушение крыши в аквапарке, г. Москва; в 2018 году деформации крыши строящегося катка г. Истра носили катастрофический характер; в 2017 году произошел обвал крыши школы в п. Мурино; в 2010 году на стадионе в Миннесоте США провалилась одна из секций крыши, завалив трибуну. В 2015 г. по причине возникших в резервуаре колебаний, строящегося объекта ООО «Энергоремонт» за счет ветровых порывов, деформации оболочки носили катастрофический характер. Трагедия в "Трансвааль-парке" произошла 15 февраля 2004 года и унесла жизни 25 человек. При проектировании подобных конструкций, чаще всего расчеты на возможные резонансные режимы их колебаний не производят.
Экспериментальные исследования изгибных колебаний тонкостенных разомкнутых цилиндрических оболочек, показывают не совпадание с известными теоретическими работами российских ученых: Кубенко, В. Д., Тимошенко, С. П., Варадан, Т. К., Галченко, А. Л., Доннелл, Л. Г., Дышко, А. П., Лейзерович, Г. С., Лиходед, А. И., Малинин, А. А., Муштари, Х. М., Тарануха, Н. А., а также зарубежных ученых: Amabili, M., Kattimani S.C., Lee, Т. H., Lew, R. S., Mallon, N. J., которые занимались колебаниями оболочек, в том числе оболочками, несущими присоединенную массу. Исследования колебаний тонкостенных разомкнутых цилиндрических оболочек, несущих систему присоединенных масс авторов: Антуфьев Б.А.; Янютин Е.Г., Егоров П.А. носят единичный характер. Экспериментальные исследования проводились при различных условиях исследований, на различной экспериментальной базе, результаты которых не всегда соотносятся друг с другом.
В соответствии с традиционным решением, при низшем тоне колебаний оболочки, несущей присоединенную массу, частота, оказавшаяся наименьшей из расщепленных собственных частот, напрямую связана только с величиной присоединенной массы. Однако рассмотрение проведенных ранее исследований говорит о том, что результат снижения частоты напрямую связаны так же и с параметрами оболочки, геометрическими и волновыми, что точно подтвердили экспериментальные исследования. Так же отсутствуют исследования о границах применимости теории колебаний цилиндрический теории колебаний оболочки и теории колебаний пластин для описания собственных колебаний разомкнутой тонкостенной цилиндрической оболочки, несущей малую присоединенную массу или систему присоединенных масс. При этом мало исследовано влияния системы присоединенных масс на собственные колебания разомкнутых тонкостенных цилиндрических оболочек, несущих систему присоединенных масс.
Вышеперечисленное вызывает необходимость исследовать колебания разомкнутых тонкостенных цилиндрических оболочек, несущих малую присоединенную массу и систему присоединенных масс и установить причины, отклонения между теоретическими и экспериментальными исследованиями, уточнить или создать новую математическую модель совре-
менной механики колебаний тонких разомкнутых оболочек, несущих систему малых присоединённых масс. Так же необходимо провести экспериментальные и численные исследования для установления всех параметров влияния присоединённой малой массы и системы присоединённых масс на колебания тонкой разомкнутой цилиндрической оболочки.
Целью работы является разработка и экспериментальное обоснование нового подхода к прогнозированию возникновения резонансных колебаний тонкостенных цилиндрических разомкнутых оболочек с малой присоединенной массой, или системой присоединённых масс.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования необходимо достигнуть следующие задачи:
– провести экспериментальную проверку математической модели колебаний разомкнутой цилиндрической тонкостенной оболочки, динамической модели (формы решения) задач колебаний оболочек, несущих малую присоединенную массу;
– создать испытательный стенд, создать методику проведения экспериментальных исследований, с помощью которой возможно получать зависимости между амплитудой колебаний оболочек и пластин, и параметрами волнообразования.
– провести модельный эксперимент, позволяющий установить эффект влияния присоединенной массы на собственные частоты колебаний тонкостенных разомкнутых цилиндрических оболочек;
– установить границы использования теорий колебаний оболочек и пластин, несущей присоединенную массу при кривизне разомкнутой оболочки от R =0 до R= 0,5
– разработать новую математическую модель (форму решения) динамики прямоугольной изогнутой разомкнутой оболочки с системой присоединенных масс.
– получить амплитудно-частотные характеристики колебаний разомкнутых оболочек, несущих присоединенную массу;
– разработать устройство для мониторинга конструкций из тонкостенных цилиндрических разомкнутых оболочек, учитывающие влияние кривизны разомкнутой оболочки и системы присоединенных масс на частотные характеристики колебаний конструкций.
На защиту выносится:
- Оригинальный испытательный стенд, позволяющий устанавливать устойчивые зави
симости между амплитудой колебаний оболочек, несущих присоединённую массу и величи
ной присоединенной массы, а также параметрами волнообразования и с другими параметра
ми тонкостенной разомкнутой цилиндрической оболочки.
– уточненная математическая модель, включающая в себя, в частности, новую динамическую конечномерную модель и новые динамические (модальные) уравнения;
– новые теоретические и численные результаты решения многочисленных задач влияния малой присоединенной массы и системы присоединенных масс на собственные динамические характеристики тонкостенной разомкнутой цилиндрической оболочки, а также качественные и количественные уточнения, внесенные в уже известные решения;
– экспериментальные результаты влияния присоединенной массы и системы присоединенных масс на динамическое поведение тонких оболочек.
- кривизна тонкостенной разомкнутой цилиндрической оболочки, при которой ис
пользование математических моделей колебаний цилиндрических оболочек и изогнутых
пластин позволяет получить точные численные характеристики колебаний.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Смоделирован новый подход к описанию колебательной математической модели (динамического прогиба), основываясь на который можно предсказать результат появлении из-гибных колебаний оболочки, не создающих предпосылки к запуску комплексного изгибного механизма колебаний, так же как и сдвиговых колебаний.
Предложен новый подход к построению динамической конечномерной модели, согласно которому считается, что возбуждение малых изгибных колебаний приводит не только к возникновению сопряженной изгибной формы, но и к возникновению сдвиговых колеба-
ний. Фактором, запускающим инерционное взаимодействие изгибных колебаний со сдвиговыми, можно назвать дополнительную инерционную составляющую колебательного процесса оболочки, на практике являющуюся малой присоединённой массой либо системой присоединённых масс
Теоретическая значимость работы.
– Показано наличие изгибных и сдвиговых колебаний. Сдвиговые колебания численно значительно меньше изгибных колебаний
– Установлены границы работы математических моделей колебаний теории пластин и цилиндрических оболочек, описывают собственные колебания тонкой разомкнутой цилиндрической оболочки (разомкнутой оболочки, малой кривизны) с точностью до 5%
– Определена кривизна, где математическая модель колебаний теории пластин описывают собственные колебания тонкой разомкнутой цилиндрической оболочки (разомкнутой оболочки, малой кривизны) с точностью до 5%
– Определена кривизна, где математическая модель колебаний теории цилиндрических оболочек описывают собственные колебания тонкой разомкнутой цилиндрической оболочки (разомкнутой оболочки, малой кривизны) с точностью до 5%
– Дана оценка погрешности исследования теоретических и практических результатов колебаний, с помощью серии поставленных экспериментов и сопоставление полученных данных.
Программы для работы на ЭВМ, зарегистрированные в Роспатенте РФ представляют практическую значимость для проектных институтов и лабораторий, в качестве готовых математических моделей и решенных задач, для разомкнутой оболочки, малой кривизны (разомкнутой оболочки) и могут быть использованы для проектирования строительных конструкций, летательных, космических, водных аппаратов и других сооружений, представляющих или имеющих элементы, в виде пластин (разомкнутых оболочек)
Практическая значимость работы
создана система, зарегистрированная в Роспатент РФ, позволяющая проводить мониторинг строительных конструкций, определять деформации здания, а так же прогнозировать возникновения резонанса, что может носить катастрофический характер.
даны рекомендации практического значения относительно места крепления присоединенной массы, при которой возможно управлять расщеплением частотного спектра колебаний.
численные данные, полученные в результате проведенного автором исследования, программы для работы на ЭВМ, зарегистрированные в Роспатенте РФ представляют практическую значимость для проектных институтов и лабораторий, в качестве готовых математических моделей и решенных задач, для разомкнутой оболочки, малой кривизны (разомкнутой оболочки) и могут быть использованы для проектирования строительных конструкций, летательных, космических, водных аппаратов и других сооружений, представляющих или имеющих элементы, в виде пластин (разомкнутых оболочек)
Устройство для мониторинга конструкций из тонкостенных цилиндрических разомкнутых оболочек
Результаты данного исследования получили одобрение и используются при рассмотрении задач, связанных с колебаниями изогнутых пластин, на одном из строительных управлений г. Комсомольска-на-Амуре: ЗАО «УМР-4». Результаты исследования были введены в учебный процесс Комсомольского-на-Амуре государственного университета при проведении лекционных занятий по дисциплине «Теория расчета пластин и оболочек» в процессе подготовки специалистов по специальности «Строительство уникальных зданий и сооружений»
Личный вклад. Все основные результаты и выводы диссертации получены соискателем самостоятельно.
Обоснованность и достоверность.
Надежность и истинность описанного в данной работе механизма колебаний оболочки, несущей малую присоединенную массу, подтверждена экспериментальными данными, с использованием сертифицированных и лицензированных устройств. Методика проведения эксперимента обсуждалась с другими специалистами, относящимися к области исследования, которые выразили ей высокую оценку. Полученные данные хорошо соотносятся с результатами исследований других авторов, а так же апробированы на различных конференциях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на 6-ти международных и всероссийских конференциях: International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety (ICCATS 2017) 21–22 September 2017, Chelyabinsk, Russian Federation. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 262 (2017) 012055 doi:10.1088/1757-899X/262/1/012055; Архитектура, строительство, землеустройство и кадастры на Дальнем Востоке в XXI веке : материалы Междунар. науч.-практ.конф., Комсомольск-на-Амуре, 18-19 апреля 2017 года.; Архитектура, строительство, землеустройство и кадастры на Дальнем Востоке в XXI веке: Комсомольск-на-Амуре, 20-21 апреля 2016 г.; Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастров в начале Ш тысячелетия. Научные чтении памяти профессора В. Б. Федосенко : материалы Междунар. науч.-практ. конф., Комсомольск- на-Амуре, 26-27 ноября 2015 г.; Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастров в начале Ш тысячелетия. Научные чтении памяти профессора В. Б. Федосенко : материалы Междунар. науч.-практ. конф., Комсомольск- на-Амуре, 26-27 ноября 2015 г.; Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастровв начале III тысячелетия : материалы V Междунар. науч.-практ. конф., Комсомольск-на-Амуре, 29–30 нояб. 2017 г. : в 2 ч.
Структура и объем работы.
Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников. Изложено в 158 страницах текста формата А4. Присутствует графический материал – 52 рисунка. Присутствует 8 таблиц и 3 приложения. Список использованных источников включает 135 публикаций по теме диссертации и сопряженным темам. В приложении указан акт применения в учебный процесс и акт применения в строительное производство, а также свидетельства о регистрации 3-х программ, копия свидетельства о регистрации патента на изобретение.