Введение к работе
Актуальность темы. Тела со спирально-анизотропной структурой (далее ТСАС) являются обобщением математической модели таких тел как тросы, канаты, пряжи, кабели, упругие чувствительные элементы, упругие подвесы, витые пружины и др. При проектировании и расчете на прочность выше указанных конструкций важно уметь определять характеристики их упругих свойств. До настоящего времени вопрос об экспериментальном определении упругих характеристик ТСАС и решении с их помощью задачи теории упругости о напряжённо-деформированном состоянии рассматривался лишь частично. Объективная оценка этих характеристик может быть получена путем расчета и испытаний. Однако, в настоящее время испьпания подобных упругих тел проводятся по «обходной технологии» (на прочность проверяются отдельные волокна, а затем по специальной формуле высчитывается суммарные жесткостные характеристики). В этой связи приобретает особую актуаіьность совершенствование методов и создание средств определения упругих характеристик ТСАС, позволяющих определять физико-механические характеристики всего тела в целом. Поскольку в основе определения этих характеристик лежат экспериментальные измерения, возможен вероятностный подход к ошибкам, неизбежно сопутствующим любому измерению.
Большой вклад в создание и развитие методов экспериментально-аналитического определения физико-механических характеристик ТСАС внесли зарубежные ученые: Дж. Твайтс, П. Теоцарис, С. Чуй, Дж. Херл. Ими были сформулированы основы теорий отдельных категорий ТСАС.
Экспериментальным исследованиям и методам расчета упругих постоянных ТСАС посвящено много основополагающих работ наших соотечественников: С.А. Амбарцумяи, А.Н. Динник, Ю.А. Устинов, В.М. Мусалимов, И.И. Ворович, А.Н. Друзь, И.П. Гетман.
Несмотря на значительно количество теоретических моделей и методов экспериментального исследования, по-прежнему остается нерешенной проблема аналитического описания ТСАС, как сложных объектов.
Таким образом, проблема создания устройства для определения упругих характеристик ТСАС и разработки методики проведения экспериментальных исследований является актуальной.
Целью диссертационной работы является обоснование и разработка экспериментально-теоретического метода определения характеристик упругих свойств ТСАС.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих методов определения упругих постоянных спирально-анизотропных тел;
построить математическую модель спирально-анизотропного тела;
3 V
разработать технические средства для проведения испытаний спирально-анизотропных тел;
разработать методику проведения испытаний;
разработать программу для снятия данных с датчиков по схеме стесненное кручение.
Методы исследования поставленной задачи основаны на использовании основных уравнений теории упругости спирально-анизотропного тела, математической статистики и теории вероятностей.
Математическое моделирование, обработка результатов исследования и проверка правильности математического описания выполнялись на ПЭВМ при помощи программного обеспечения Microsoft Excel, Borland C++, MathCAD, Matlab. Maple, Inventor Autodesk, Ansys и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
установка для механических испытаний спирально-анизотропных тел по схеме стесненное кручение;
метод исследования физико-механических характеристик спирально-анизотропных стержней;
методика обработки результатов экспериментов на основе вероятностного подхода;
результаты моделирования механических испытаний ТСАС методом конечных элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в диссертации описана оригинальная установка для механических испытаний спирально-анизотропных тел по схеме стесненное кручение и метод проведения расчетно-экспериментальной работы;
разработан метод обработки результатов экспериментов по определению модулей упругости спирально-анизотропного тела;
построена численная модель спирально-анизотропного тела.
Обоснованность научных положений, рекомендаций, достоверность результатов проведенных в диссертации исследований подтверждена:
применением современных средств измерений и обработки данных;
результатами испытаний, полученных с разработанной установки;
современными аналитическими методами, основанными на классических теориях упругости;
использованием компьютерных методов исследований.
Практическая значимость и реализация результатов. По результатам диссертационной работы получен патент РФ на конструкцию и принцип
действия мехатронного модуля «Стесненное кручение», подана заявка на патент РФ на конструкцию и принцип действия устройства для преобразования микроперемещений на основе использования спирально-анизотропных стержней. Опубликовано учебное пособие для студентов кафедры Мехатроника СПбГУ ИТМО. Результаты работы внедрены в СПбФ ИЗМИР АН им. Н.В. Пунжова и в учебный процесс кафедры Мехатроники СПбГУ ИТМО при проведении занятий со студентами по курсам «Аналитическая механика» и «Специальные разделы математики».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 9-ти конференциях различного уровня, в том числе на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 22-28 августа 2006 г.; VII и VIII сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов», Санкт-Петербург, 24 - 28 октября 2005 г. и 22 - 27 октября 2007 г. соответственно, II, III, IV, VI межвузовских конференциях молодых ученых СПБГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007, 2009 г., на XXXVIII научно-методической конференции ППС СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2009 г.
Публикации. Основные результаты работы отражены в 9 публикациях, в том числе тематических выпусках научно-технического вестника СПб ГУ ИТМО, материалах конференций. Получен патент РФ
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 85 наименований и приложений. Основной текст работы изложен на 109 страницах, включает в себя 4 таблицы и 40 рисунков.
