Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с постоянным усложнением инженерных и технических сооружений, а также требований их безопасной эксплуатации, в последние десятилетия к вопросам контроля их технического состояния проявляется особый интерес. Активно расширяется спектр применения балочных конструкций. Так, развитие авиационной, строительной и морской техники выдвинуло в число наиболее актуальных задач изучение поведения, динамики и устойчивости структурных элементов с дефектами.
Воздействия различных техногенных и климатических факторов на промышленные конструкции приводят к возникновению дефектов в недоступных для визуального контроля местах, которые могут привести к критическому состоянию объектов и сооружений. Для ранней идентификации измененного состояния системы или зарождения и развития дефектов необходимо применение диагностических автоматизированных измерительных комплексов.
Значительный вклад в изучение вопроса неразрушающего контроля, технической диагностики, дефектоскопии и оценки ресурса прочности, в том числе стержневых систем, внесли такие ученые как Алешин Н.П., Бабешко В.А., Бескопыльный А.Н., Бигус Г.А., Бидерман В.Л., Биргер И.А., Болотин В.В., Вольмир А.С., Глушков Е.В., Глушкова Н.В., Гриненко Н.И., Гусев А.С., Диментберг М.Ф., Екимов В.В., Ермолов И.Н., Иванов В.И., Клюев В.В., Макеев В.П., Махутов НА., Николаенко НА., Павлюк Ю.С., Пановко Я.Г., Ржаницын А.Р., Светлицкий В.А., Серьезнов А.Н., Тимашев С.А., Тимошенко СП., Фролов К.В., Adams R.D., Cawley P., Morassi A., Gladwell G.M.L. и другие.
Решению проблемы идентификации дефектов в стержнях, балках и более сложных, связанных структурах внесли вклад такие ученые, как Акопьян В.А., Бовсуновский А.П., Ватульян А.О., Есипов Ю.В., Матвеев В.В., Мирошниченко И.П., Постнов В.А., Сметанин Б.И., Соболь Б.В., Соловьев А.Н., Шевцов С.Н., Bamnios Y., Dimaragonas A.D., Dado M.F., Friswell M.I., Shpli О. А. и многие другие исследователи.
В связи с этим важной и актуальной является задача построения новых алгоритмов идентификации поврежденного состояния стержневых систем, создание измерительно-инструментальных диагностических комплексов по автоматизированному сбору данных и предсказанию критических состояний конструкций и их элементов.
Основными целями настоящей работы являются:
разработка методов определения поврежденного состояния стержневой конструкции, исследование особенностей параметров колебаний элементов простой и связанной стержневых конструкций с дефектами при ударном и вибрационном возбуждении в упругой области деформаций, разработка алгоритмов для определения параметров дефектов на основе сопоставления экспериментальных и теоретических исследований;
- разработка программных ресурсов и лабораторной установки инструментально-измерительного комплекса для поиска дефектов в стержневых конструкциях.
Направление исследований. Разработка методов, алгоритмов, пакетов программ, к диагностированию на основе многофакторных критериев поврежденного состояния элементов стержневых конструкций.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, аналитического и численного решения краевых задач, а также экспериментальные методы исследований.
Достоверность и обоснованность обеспечивается адекватной физической и строгой математической постановками задач, применением сертифицированных САЕ пакетов, сравнением результатов, полученных аналитическим и конечно-элементным методами с результатами экспериментов.
Выполненные работы, изложенные в диссертации, подтверждены патентом РФ на полезную модель.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Построена математическая модель поперечных колебаний балки с упругим элементом, имитирующим дефект, на основе ее сравнения с трехмерной конечно-элементной и экспериментальной физической моделями. Эта модель позволила провести анализ динамического поведения балки при учете различных параметров (различные граничные условия, относительная толщина балки, величина жесткости, местоположение упругого элемента и др.).
-
Разработаны методы реконструкции параметров дефектов на основе аналитического решения для балочной модели и данных о спектре собственных частот и формах колебаний, работоспособность которых подтверждена экспериментально.
-
Произведен анализ собственных колебаний стержневой треугольной конструкции, имеющей дефект, на основе конечно-элементного
моделирования. Результаты анализа колебаний подтверждены натурным экспериментом.
-
Разработан алгоритм вибрационной экспериментальной диагностики поврежденного состояния стержневых конструкций.
-
Разработаны и реализованы программный комплекс автоматизации измерений параметров колебаний, экспериментальный лабораторный комплекс вибрационной диагностики стержневых конструкций.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
-
Результаты анализа параметров колебаний кантилевера с дефектом в виде надреза на основе использования аналитической, конечно-элементной и натурной экспериментальной моделей.
-
Методы реконструкции параметров дефектов на основе данных о спектре собственных частот и формах колебаний, с использованием аналитического решения для балочной модели.
-
Результаты анализа собственных частот и форм колебаний стержневой модели треугольной формы с дефектом на основе сопоставления результатов конечно-элементного моделирования и натурного эксперимента.
-
Алгоритмы, пакет программ для автоматизации процесса измерений параметров колебаний и оценки поврежденности стержневых конструкций.
5. Лабораторный комплекс для измерения параметров колебаний и
идентификации дефектов в стержневых конструкциях.
Практическая ценность и реализация результатов. Предложенные подходы на основе математического моделирования позволяют решать практические задачи диагностики поврежденного состояния упругих балок и стержневых конструкций. Разработан алгоритм диагностики поврежденного состояния на основе многопараметрического критерия. Предложенный алгоритм определения поврежденного состояния стержневых конструкций может быть использован при создании диагностических комплексов для инженерных конструкций. Реализацией является лабораторный макет комплекса виброиспытаний и диагностики поврежденного состояния стержневых конструкций в Лаборатории физики прочности и механики разрушения Научно-исследовательского института механики и прикладной математики им. И.И. Воровича Южного Федерального Университета.
Участие в научно-исследовательских работах и грантах.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) в 2008-2012 г.г.: 08-08-90700-мобст, 12-08-90815-мол_рф_нр.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на международных конференциях «Современные проблемы
механики сплошной среды» (г. Ростов-на-Дону, 2007-2012г.), на
межрегиональной конференции «Современные проблемы механики и ее
преподавания в вузах Российской Федерации» (г. Новочеркасск,
ЮРГТУ(НПИ), 2011 г.), на международных научно-практических
конференциях «Строительство-2010», «Строительство-2011» и
«Строительство-2012» (г. Ростов-на-Дону, РГСУ, 2010-2012 г.г.), на XI Международной конференции «Устойчивость, управление и динамика твердого тела» (Донецк, 2011г.), на XIX международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера XXI века" (Севастополь, 2012г.), Российско-Тайваньском симпозиуме "Физика и механика новых материалов и их применение" (г. Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2012 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 23 работах, опубликованных в открытой печати, из них: публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ - 7, доклады на научных конференциях - 14, патенты - 1, публикации в научных иностранных изданиях - 1. В публикациях по диссертации автору принадлежит в [3,4,6,18] решение задач в математических пакетах, в [3,4,5,7,8,10,11,12,14,15,16,17,18,19,20,21] моделирование на основе применения конечно-элементного пакета ANSYS, в [5,6,7] разработка методов идентификации, в [7,18] разработка алгоритмов и программ, в [1,2,7,8,9,10,13,19,22,23] проведение серии расчетов, и участие в анализе результатов вычислительных экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа содержит 185 страниц, в том числе 79 рисунков, 35 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.
