Speaker
Description
Оболочки и изделия на их основе широко используются в авиационной, аэрокосмической, автомобильной и других отраслях промышленности. При проектировании различных деталей ставятся задачи определения напряжённо-деформированного состояния и несущей способности тонкостенных конструкций, уменьшения массы изделия при сохранении или даже повышении прочностных и усталостных характеристик. Наряду с этим, рассматриваются вопросы снижения вибраций, демпфирования или предотвращения резонанса. На сегодняшний день с высокой степенью повторяемости возможно не только изготавливать композитные конструкции сложной формы, но и встраивать в них различные пассивные и активные элементы. Изделия, оснащённые сенсорами и актуаторами различного типа, приобретают возможность «чувствовать» деформации, а также изменять свои характеристики (геометрические, механические, динамические) в зависимости от условий эксплуатации, состояния окружающей среды или других факторов. В литературе имеется множество примеров таких smart-систем, построенных на основе пьезоэлектрических материалов [1, 2] и сплавов с памятью формы [3, 4].
В данной работе продемонстрированы некоторые функциональные возможности применения smart-систем в задачах управления геометрией и динамическими характеристиками тонкостенных конструкций. В качестве актуаторов выступают пьезоэлектрические элементы, активные и макроволоконные композиты (AFC и MFC), проволока из сплава с памятью формы. Поиск параметров smart-систем, обеспечивающих максимальную реализацию данных задач, осуществлён с помощью методов математического моделирования.
В примерах рассмотрены упругие и вязкоупругие конструкции с включениями из пьезоматериалов, электромеханическое поведение которых описывается линейной моделью электроупругости. Оценена дополнительная возможность управления динамическим поведением пластин и оболочек за счёт использования присоединённых к электродированным поверхностям пьезоэлементов внешних электрических цепей различных конфигураций [5, 6]. На конструктивно-подобной конструкции продемонстрированы варианты пассивного демпфирования свободных и вынужденных установившихся колебаний при использовании внешней электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых сопротивления и индуктивности. Их оптимальные величины подобраны численно с помощью разработанного конечно-элементного алгоритма. Представлены экспериментальные результаты, наглядно демонстрирующие эффективность пассивной системы демпфирования колебаний для разных тонкостенных конструкций. При её изготовлении наряду с традиционными пьезокерамическими элементами использовались пьезопреобразователи на основе макроволоконных композитов. Показана возможность снижения амплитуды вынужденных установившихся гармонических колебаний более чем в шесть раз и увеличение скорости затухания свободных колебаний в два с половиной раза.
С помощью разработанного конечно-элементного алгоритма решена серия задач, в которых продемонстрирована возможность изменения собственных частот колебаний прямоугольной пластины и сегмента пологой цилиндрической оболочки в большую и меньшую стороны за счёт использования пьезоэлементов и подачи постоянного электрического напряжения на них [7]. Оценена эффективность данного способа в зависимости от различных геометрических и механических параметров конструкции. Проведена серия натурных экспериментов, направленных на верификацию численного решения.
Проанализирована возможность применения проволочных актуаторов на основе сплава с памятью формы для управления геометрией оболочечных конструкций. Выбрана одномерная модель поведения такого материала и отработана методика идентификации её параметров. Сформулирована математическая постановка и предложен численный алгоритм на её основе, предназначенные для решения задач квазистатического деформирования и собственных колебаний smart-систем на основе материалов с памятью формы. Задача решается в программном обеспечении ANSYS Mechanical APDL с использованием метода конечных элементов. Фазово-структурные деформации учитываются отдельно от упругих в итерационном цикле по доле мартенсита. Влияние пластических и температурных деформаций на НДС проволоки не принимается во внимание. На модельных примерах показана возможность изменения геометрии и управления собственными частотами колебаний тонкостенных оболочек с помощью проволочных актуаторов.
Публикация подготовлена в рамках реализации Программы создания и развития научного центра мирового уровня «Сверхзвук» на 2020–2025 годы при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (соглашение от 21 апреля 2022 года № 075-15-2022-329).
