Эффекты самомодуляции и перенос энергии квазигармоническими изгибными волнами в нелинейно-упругих стержнях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Смирнов, Павел Альбертович

• Смирнов, Павел Альбертович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Смирнов, Павел Альбертович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ НОРМАЛЬНЫХ ВОЛН В СТЕРЖНЯХ. ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ СТЕРЖНЯ

1.1. Общие сведения о волнах.

1.2. Типы нормальных волн в стержнях.

1.3. Вывод уравнения изгибных колебаний балки.

1.4. Модель связных продольно-изгибных колебаний стержня.

ГЛАВА 2. О СООТНОШЕНИЯХ СКОРОСТЕЙ УПРУГИХ ВОЛН ОСНОВНОЙ ЧАСТОТЫ И ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИХ СТЕРЖНЯХ

2.1. Продольные вибрации стержня.

2.2. Крутильные волны.

2.3. Изгибные волны.

ГЛАВА 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛН, РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ В БАЖЕ, ЛЕЖАЩЕЙ НА НЕЛИНЕЙНО-УПРУГОМ ОСНОВАНИИ

3.1. Уравнения переноса энергии и волнового импульса.

3.2. Скорости переноса энергии и волнового импульса.

ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИЯ КВАЗИГАРМОНИЧЕСКИХ ИЗГИБНЫХ ВОЛН, ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ТРАНСФОРМАЦИИ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВОЛНОВЫХ ПАКЕТОВ

4.1. Плоскополяризованные волны.

4.2. Циркулярнополяризованные волны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты самомодуляции и перенос энергии квазигармоническими изгибными волнами в нелинейно-упругих стержнях»

Актуальность темы.

Балки, лежащие на упругом основании, давно привлекают внимание исследователей благодаря их широкому использованию в технике. К такой расчетной модели могут быть сведены: дисковые тормоза, площадки на основе шариков, роликов или подшипников скольжения, вибрационные машины на упругом фундаменте, сеть балок в конструкции пола для судов, зданий и мостов, подводные плавучие тоннели, подземные трубопроводы, железнодорожные пути И т.д.

Дж. Эллингтон (1957) показал, что балка на отдельных упругих закреплениях, расположенных через равные промежутки друг от друга, функционирует аналогично балке на упругом основании. Точность этой аналогии зависит как от изгибной жесткости балки, так и от коэффициента упругости закрепления и расстояния, на которое они удалены друг от друга.

При исследовании динамического поведения конструкций с подвижными нагрузками наибольший интерес представляет нахождение их критических скоростей. Эти скорости зависят от дисперсионных свойств направляющей и частоты источника колебаний. Поэтому изучение дисперсионных свойств направляющей относится к первоочередным вопросам.

При движении поездов со скоростью, близкой к скорости волн Рэлея в окружающем железнодорожное полотно грунте, возникает усиление вибрации поезда и железнодорожного полотна. В зависимости от типа почвы эта скорость может варьироваться от 250 до 800 км/ч. Современные высокоскоростные поезда уже достигают нижнего предела. Усиление вибраций на высоких скоростях опасное явление, которое приводит к быстрому изнашиванию 4 железнодорожного полотна и может вызвать сход поезда с рельсов. Поэтому при строительстве высокоскоростных железнодорожных магистралей, особенно на мягких почвах, увеличивают жесткость грунта. Увеличение жесткости, в свою очередь, обязывает увеличивать при расчетах нелинейность упругого основания. Вводятся в рассмотрение балки, лежащие на нелинейно-упругом основании. Параметр нелинейности является малой добавкой к жесткости основания. При положительном значении этой добавки имеем систему с «жестким» типом нелинейности, а при отрицательном - с «мягким».

Основные результаты диссертации были получены в рамках «Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 г.г.» в ходе выполнения работ по теме: «Разработка моделей и методов расчета нелинейных волновых процессов, хаотической синхронизации и формирования кластерных структур в машинах, создание высокоэффективных адаптивных систем виброзащиты» (№ Гос.рег. 01200957044; научный руководитель: профессор Ерофеев В.И.) и по грантам РФФИ:

- «Теоретические и экспериментальные исследования волновых процессов в подземных сооружениях и методы их подавления на путях распространения в окружающую среду» (Проект № 05-01-00406; 2005-2007 г.г.);

- «Системы виброизоляции с внутренними инерционно-демпфирующими элементами для защиты операторов мобильных машин и инженерных сооружений рельсового и дорожного транспорта. Теория. Эксперимент. Компьютерное моделирование» (Проект № 08-08-97057-рповолжье).

Цель работы.

Цель работы состоит в изучении влияния изгибной жесткости, жесткости и нелинейности упругого основания, геометрической упругой нелинейности на параметры распространения и энергетические характеристики квазигармонических волн в балке.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в определении:

- скорости движения энергии, переносимой изгибными волнами, распространяющимися в балке, лежащей на нелинейно-упругом основании и изучении влияния характеристики нелинейности и параметров упругого основания на эту скорость;

- влияния характеристики нелинейности упругого основания на модуляционную неустойчивость (самомодуляцию) квазигармонических изгибных волн;

- возможности формирования спиральных (циркулярно-поляризованных) изгибных волн.

Практическая значимость.

Дисперсионные и энергетические характеристики изгибных волн могут найти применение при расчете на прочность, устойчивость и определение виброактивности стержневых систем различного назначения, подверженных динамическому воздействию, в частности, несущих движущуюся нагрузку. Соотношения, связывающие групповую скорость и скорость переноса энергии для нелинейных систем, могут найти применение в технической диагностике. Знание истинной скорости переноса энергии упругими волнами весьма важно, поскольку многие методы диагностики материалов и конструкций (например, метод акустоупругости) основаны на измерении скорости волнового пакета.

Методы исследования.

При проведении исследований использованы аналитические методы механики деформируемого твердого тела, теории колебаний и волн.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается их согласованностью с общими положениями механики деформируемого твердого тела, теории колебаний и волн.

На защиту выносятся:

- Результаты исследования дисперсионных и энергетических характеристик изгибных волн, распространяющихся в балке, лежащей на нелинейно-упругом основании.

- Результаты исследования эволюции квазигармонических изгибных волн и возможности их трансформации в последовательность волновых пакетов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались: на Второй

Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций (Нижний Новгород, 28-31 октября 2007 года); на VIII

Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород , 22-26 сентября 2008 года); на XIII Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) (Нижний Новгород - Татинец, 177

21 февраля 2008 года). В полном объеме диссертация обсуждалась на семинарах отдела волновой динамики и виброзащиты машин НФ ИМАШ РАН (2010, 2011 г.г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 работ [8-14], 3 из которых [8 -10] - статьи из перечня журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения и приложения. Общий объем составляет 106 страниц, включая 21 рисунок, 7 страниц библиографии, содержащей 59 наименований.

Первая глава имеет вспомогательный характер. В ней приводятся общие сведения о волнах, описаны типы нормальных волн в стержнях, дается вывод уравнения изгибных колебаний балки.

Во первой главе приводятся нелинейные математические модели, описывающие интенсивные продольные и крутильные вибрации стержней, интенсивные изгибные вибрации балки и изгибные вибрации балки, лежащей на нелинейно-упругом основании.

Показано, что скорости изгибных волн основной частоты и третьей гармоники отличаются между собой не на проценты (как для продольной и крутильной волн), а в разы. Синхронизировать такие волны затруднительно, эффективного обмена энергией между гармониками не будет, следовательно, гармонические волны, распространяясь по стержню, превратятся в квазигармонические, но не станут существенно несинусоидальными.

Третья глава посвящена анализу энергетических характеристик изгибных волн, распространяющихся в балке, лежащей на нелинейно-упругом основании.

В четвертой главе изучается эволюция квазигармонических изгибных волн, возможность их трансформации в последовательность волновых пакетов.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по работе.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Смирнов, Павел Альбертович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

В результате проведения теоретических исследований показано, что:

1. Из-за наличия сильной аномальной дисперсии изгибные волны в нелинейно-упругих балках на основной и кратных частотах распространяются с существенно различными скоростями, поэтому в результате воздействия нелинейности преобладает формирование квазигармонических волн, а не волн импульсной формы.

2. Если в балке, лежащей на линейно-упругом основании, энергия изгибных волн переносится с групповой скоростью, то в балке, лежащей на нелинейно-упругом основании, значения этих скоростей отличаются друг от друга и определяются характером нелинейности. Для систем с «жесткой» характеристикой нелинейности скорость переноса энергии во всем частотном диапазоне превосходит групповую скорость, но обе они меньше соответствующей групповой скорости линейной волны. Для систем с «мягкой» характеристикой упругого основания, в зависимости от его параметров, скорость переноса энергии может быть как больше, так и меньше групповой скорости, при этом обе они во всем частотном диапазоне превосходят групповую скорость линейной волны.

3. Квазигармонические изгибные волны при распространении в балке, лежащей на нелинейно-упругом основании, будут по-разному эволюционировать в зависимости от свойств упругого основания. При «мягкой» характеристике нелинейности во всем частотном диапазоне проявляется модуляционная неустойчивость, приводящая к разбиению квазигармонической волны на отдельные волновые пакеты. Для систем с «жесткой» характеристикой нелинейности модуляционной неустойчивости не проявляется и слабо промодулированные волны остаются таковыми по мере их распространения.

4. В нелинейно-упругой балке, точки срединной линии которой совершают движения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, возможно формирование спиральных (циркулярно-поляризованных) изгибных волн. Исследованы условия проявления модуляционной неустойчивости таких волн и стационарные волны огибающих.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Смирнов, Павел Альбертович, 2011 год

1. Артоболевский, И.И. Введение в акустическую динамику машин / И.И. Артоболевский, Ю.И. Бобровницкий, М.Д Генкин. - М.: Наука. 1979. - 296с.

2. Григолюк, Э.И. Неклассические теории стержней, пластин и оболочек / Э.И. Григолюк, И.Т. Селезов. М.: ВИНИТИ, 1973.

3. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах./ Ред. совет : Фролов К.В. (пред.). -М. : Машиностроение. Т.1. : Колебания линейных систем. 2-е изд., испр. и доп. / Под ред. Болотина В.В. 1999. С. 504.

4. Ерофеев, В.И. Волны в стержнях. Дисперсия. Диссипация. Нелинейность / В.И. Ерофеев, В.В. Кажаев, Н.П. Семерикова. М.: Физматлит, 2002. - 208с.

5. Ерофеев, В.И. Нелинейные модели продольных колебаний стержней / В.И. Ерофеев, А.И Потапов // Гидроаэромеханика и теория упругости. Всес. межвуз. сб. Днепропетровск . издательство ДГУ, 1984. - вып. 32. - С.78-82.

6. Samsonov, A.M. Strain solitons in solids and how to construct them. / A.M. Samsonov. Chapman & Hall. CRC, 2001.

7. Порубов, A.B. Локализация нелинейных волн деформации / A.B. Порубов -М.: Физматлит, 2009. 208 с.

8. Смирнов, П.А. Модуляционная неустойчивость крутильных и изгибных волн в стержне / В.И. Ерофеев, А.В Серов, П.А. Смирнов // Нелинейный мир. -2009.- Т.7. №12. - С.943-946.

9. Смирнов, П.А. О скорости переноса энергии упругими волнами, распространяющимися в струне и балке / Т.С. Денисова, В.И. Ерофеев, П.А. Смирнов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -2011.- №6.

10. Смирнов, П.А. Спиральные изгибные волны в нелинейно-упругом стержне / В.И. Ерофеев, В.М. Сандалов, П.А. Смирнов // Прикладная механика и технологии машиностроения. Сборник научных трудов. Нижний Новгород: «Интелсервис», 2010. - № 2 (17). - С.252-260.

11. Уизем, Дж. Линейные и нелинейные волны / Дж. Уизем. М.: Мир, 1977.

12. Виноградова, М.Б. Теория волн / М.Б. Виноградова, О.В. Руденко, А.П. Сухоруков. М.: Наука, 1990.

13. Рабинович, М.И. Введение в теорию колебаний и волн / М.И. Рабинович, Д.И. Трубецков. M.: Наука, 1984.

14. Весницкий, А.И. Волны в системах с движущимися границами и нагрузками / А.И. Весницкий. М.: Физматлит, 2001.

15. Весницкий, А.И. Избранные труды по механике / А.И. Весницкий. -Нижний Новгород: Изд-во «Наш дом», 2010. 248 с.

16. Светлицкий, В.А. Механика стержней / В.А. Светлицкий. Высшая школа, 1987. - Т.1,2.

17. Hetenyi, M., Beams on elastic foundations / M. Hetenyi, Ann Arbor. MI: University of Michigan Press, 1961.

18. Timoshenko', S. Strength of materials, Part II, advanced theory and problems / S. Timoshenko' // Third ed. Princeton. NJ: Van Nostrand, 1956.

19. Ellington, J.P. The beam on discrete elastic supports / J.P. Ellington // Bulletin of the International Railway Congress Association. 1957.- vol. 34. - № 12. - pp. 933-941.

20. Motohiro, Sato Structural modeling of beams on elastic foundations with elasticity couplings / Sato Motohiro, Kanie Shunji and Mikami Takashi // Mechanics Research Communications. 2007. - vol. 34. - pp. 451-459.

21. Miranda C., Finite beams on elastic foundation / C. Miranda, K. //Nair ASCE Journal of Structure Division. 1966. - vol. 92. - pp. 131-142.

22. Смирнов, П.А. О соотношениях скоростей упругих волн основной частоты и высших гармоник в нелинейно-упругих стержнях / В.И. Ерофеев, А.С.

23. Зинченко, П.А. Смирнов // Моделирование динамических систем. Сборник научных трудов. Нижний Новгород. 2011. - Вып. 3. - С. 64-74.

24. Каудергер, Г. Нелинейная механика / Г. Каудергер. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 778 с.

25. Шмидт, Г. Параметрические колебания / Г. Шмидт. М. : Мир, 1987. - 336 с.

26. Wang, С. М. Exact solution for Timoshenko beams on elastic foundations using Green's functions / C.M. Wang, K.Y. Lam, X.O. He // Mechanics of Structures & Machines. 1998. - № 26. - pp. 101-113.

27. Wang, T.M. Natural frequencies of Timoshenko beams on Pasternak foundations. / Т. M. Wang, J. E. Stephens // Journal of Sound and Vibration. -1977.- №39.-pp. 149-155.

28. Wang, T.M. Vibrations of continuous Timoshenko beams on Winkler-Pasternak foundations. / Т. M. Wang, L. W. Gagnon // Journal of Soundand Vibration. -1977.-№51.-pp. 149-155.

29. Eisenberger, M. Beams on variable two-parameter elastic foundation / M. Eisenberger, J. Clastomik //Computers and Structures. 1986. - № 23. - pp. 351356.

30. Gutierrez, R. H. Fundamental frequency of vibration of a Timoshenko beam of non-uniform thickness / R. H. Gutierrez, P. A. Laura, R. E. Rossi // Journal of Sound and Vibration. 1991. -№ 145. - pp. 241-245.

31. Cleghorn, W. L. Finite element formulation of tapered Timoshenko beam for free lateral vibration analysis // W. L. Cleghorn, B. Tabarrok // Journal of Sound and Vibration. 1992. -№ 152. - pp. 461 -470.

32. Calim, F.F. Dynamic analysis of beams on viscoelastic foundation / F. F. Calim // European Journal of Mechanics A/Solids. 2009. - № 28. - pp. 469-476.

33. Sun, L. A Closed-Form Solution Of A Bernoulli-Euler Beam On A Viscoelastic Foundation Under Harmonic Line Loads / L. Sun Journal of Sound and vibration. -2001.-vol. 242.-№4.-pp. 619-627.

34. Kim, Seong-Min Stability and dynamic response of Rayleigh beam-columns on an elastic foundation under moving loads of constant amplitude and harmonic variation / Seong-Min Kim //Engineering Structures. 2005. - № 27. - pp. 869880.

35. Garinei Vibrations of simple beam-like modelled bridge under harmonic moving loads / Garinei // International Journal of Engineering Science. 2006. - № 44. -pp. 778-787.

36. Yihua, M.O. Vibration Analysis of Timoshenko Beams on a Nonlinear Elastic Foundation / M.O. Yihua, O.U. Li, Zhong Hongzhi // Tsinghua Science And Technology. June 2009. - vol. 14. - № 3. - pp. 322-326.

37. Beaufait, F. W. Analysis of elastic beams on nonlinear foundations / F. W. Beaufait, P. W. Hoadley // Computers and Structures. 1980. - № 12. - pp. 669676.

38. Birman, V. On the effects of nonlinear elastic foundation on free vibration of beams / V. Birman // ASME Journal of Applied Mechanics. 1986. - № 53. - pp. 471-473.

39. Naidu N. R. Free vibration and stability behavior of uniform beams and columns on non-linear elastic foundation // N. R. Naidu, G. V. Rao // Computers & Structures. 1996,-№ 58.-pp. 1213-1215.

40. Rajasekhara, N Free Vibration And Stability Behaviour Of Uniform Beams And Columns On Nonlinear Elastic Foundation / N. Rajasekhara, G. Venkateswara // Computers & Structures. 1996. - vol. 58. - No. 6. - pp. 1213-1215

41. Mastroddi, F. Nonlinear Dynamics of a Beam on Elastic Foundation / Pellicano, F. Mastroddi // Nonlinear Dynamics. 1997. - № 14. - pp.335-355.

42. Ayoub, A. Mixed formulation of nonlinear beam on foundation elements / Ashraf Ayoub // Computers and Structures. 2003. № 81. - pp. 411-421.

43. Katsikadelis, J. T. Analysis of clamped plates on elastic foundation by boundary integral equation method // J. T. Katsikadelis, A. E. Armenakas // Transactions of the ASME. 1984. -№ 51.-pp. 574-580.

44. Puttonen, J. Boundary element analysis of a plate on elastic foundations / J. Puttonen, P. Varpasuo // International Journal of Numerical Methods in Engineering. 1986. - № 23. - pp. 287-303.

45. Horibe, T. An analysis for large deflection problems of beams on elastic foundations by boundary integral equation method / T. Horibe // Transaction of Japan Society of Mechanical Engineers (JSME). 1987. - vol. 53. - No. 487, A. -pp. 622-629.

46. Sapountakis, E. J. Unilaterally supported plates on elastic foundations by Boundary element method / E. J. Sapountakis, J. T. Katsikadelis // Transactions of American Society of Mechanical Engineers (ASME). 1992. - № 59. - pp. 580586.

47. Horibe, T. Boundary Integral Equation Method Analysis for Beam-Columns on Elastic Foundation / T. Horibe //Transaction of Japan Society of Mechanical Engineers (JSME). 1996. - vol. 62. -№ 601, A. - pp. 2067-2071.

48. Horibe, T. Large Deflection Analysis of Beams on Two-Parameter Elastic Foundation Using the Boundary Integral Equation Method // T. Horibe, N. Asano // JSME International Journal. 2001. - vol. 44. - № 2,A. - pp. 231-236.

49. Miyake, S. Geometrically Nonlinear Bifurcation Analysis of Elastic Arch by the Boundary-Domain Element Method // S. Miyake, M. Nonaka, N. Tosaka // Boundary Elements XII. 1990. -№ 1. - pp. 503-514.

50. Ayoub, A. Mixed formulation of nonlinear beam on foundation elements / A. Ayoub // Computers and Structures. 2003. - № 81. - pp. 411-421.

51. Lenci S. Chaotic Dynamics of an Elastic Beam Resting on a Winkler-type Soil / S. Lenci, A. M. Tarantino // Chaos, Solutions &Fractals. 1996. - vol. 7. - № 10. -pp. 160-1614.

52. Kang B. Nonlinear response of a beam under distributed moving contact load / B. Kang, C.A. Tan // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2006. - № 11. - pp. 203-232.

53. Coskun Non-Linear Vibrations of a Beam on an Elastic Foundation / Coskun, H. Engin // Journal of Sound and Vibration. 1999. - vol.223. -№ 3. - pp. 335-354.

54. Shames, I. Energy and finite element methods in structural Mechanics /1. Shames, C. Dym // Yemisphere Publishing. 1985. - New York.