Поиск - новости науки и техники

Отставить колебания! Конструкции научат оставаться устойчивыми.

Когда тишину кабинетов и лабораторий Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН вдруг нарушают звуки, сходные с теми, что способна производить взмывающая ввысь летающая тарелка, сотрудники уже не пугаются. Знают: это акустическое сопровождение экспериментов, которые проводит кандидат физико-математических наук Сергей ЛЕКОМЦЕВ. Испытания ведутся в ходе работы над поддержанным грантом Президента РФ проектом “Численное и экспериментальное исследование собственных колебаний и гидроупругой устойчивости пластин, взаимодействующих с жидкостью”. Что даст исследование? О каких пластинах идет речь? И что подразумевается под их гидроупругой устойчивостью? Эти и другие вопросы задал наш корреспондент молодому ученому.

 

– Пластинам, которые служат предметом нашего исследования, вполне подходит классическое определение, – говорит Сергей Владимирович. – То есть пластина – это тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями, расстояние между которыми (толщина) мало по сравнению с другими его размерами. Чаще всего используют прямоугольные и круглые пластины, но в общем случае они могут быть произвольной формы. В качестве примера приведу лист железа. Из него можно вырезать и круг, и квадрат, и звезду… Одна или несколько параллельных прямоугольных пластин – это составные элементы современных инженерных конструкций, которые находят применение в качестве важных компонентов АЭС, теплообменников, плавучих аэродромов, морских платформ для добычи нефти. 
Опасные колебания таких конструкций возникают при их взаимодействии с потоком жидкости. Первые экспериментальные исследования в этой области проводились во второй половине XX века, в основном на тестовых реакторах. Испытываемые образцы представляли собой набор параллельно расположенных пластин, в узком канале между которыми протекала охлаждающая жидкость. Наблюдения показали, что при низких скоростях потока пластины деформируются, частично или полностью блокируя канал. Такое явление известно как “статическая потеря устойчивости”, или “дивергенция”. При высоких скоростях течения возникают самовозбуждающиеся колебания большой амплитуды, которые в конечном итоге приводят к динамической неустойчивости. Визуально это выглядит так: пластинка колеблется все сильнее и сильнее, а затем происходит либо ее разрушение из-за большого количества перегибов в одном месте, либо выход из строя конструктивного элемента, в состав которого она входит.
– В названии темы упоминаются собственные колебания пластин. Что они собой представляют и для чего нужно их исследовать? 
– Собственные, или свободные, колебания – это колебания под действием внутренних сил после того, как система выведена из состояния равновесия. Пластина, получив некоторое начальное возмущение и предоставленная затем самой себе, совершает возмущенное движение с определенной частотой. В реальности собственные колебания всегда затухают с течением времени. Если на пластину действует внешняя периодическая сила, то говорят о вынужденных колебаниях. В этом случае возможно возникновение явления резонанса, которое характеризуется резким возрастанием амплитуды колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебаний пластины. При анализе динамического поведения тонкостенных конструкций, содержащих жидкость, важный аспект – вычисление собственных частот и форм колебаний. Это позволяет оценить вероятность возникновения неустойчивости и спроектировать изделие таким образом, чтобы избежать или минимизировать негативные последствия. 
– Как вы подходите к изу-чению таких явлений?
– Наши исследования направлены на решение фундаментальной проблемы, связанной с анализом динамического поведения деформируемых тел, взаимодействующих с неподвижной или текущей жидкой средой. В современных инженерных приложениях широкое применение получили одна или несколько параллельно расположенных пластин, находящихся в потоке жидкости либо частично погруженных в него. Высокие скорости течения и жесткие ограничения по габаритам и массе приводят к повышенным требованиям безопасности, необходимости предварительной оценки гидродинамического давления с учетом эффекта двухстороннего взаимодействия в системе “упругая конструкция – жидкость”. Численное моделирование – это неотъемлемая часть процесса проектирования изделий в аэрокосмической, судостроительной и энергетической отраслях.
Уже разработаны математическая модель и численный алгоритм. Они предназначены для исследования собственных колебаний и гидроупругой устойчивости одной или нескольких параллельных пластин, взаимодействующих с неподвижной или текущей идеальной жидкостью (в которой отсутствуют вязкость и теплопроводность). Использование упрощенной (идеальной) модели жидкости позволяет применить явный критерий устойчивости. Разработанный численный алгоритм предоставляет возможность за короткое время проанализировать широкий класс различных параметров, влияющих на поведение рассматриваемой конструкции. Однако в некоторых случаях для более адекватного описания происходящих процессов необходимо учитывать реальные свойства жидкости, например ее вязкость. Это и является следующим этапом исследования. Мы планируем уточнить закономерности, полученные на первом этапе исследования для идеальной жидкости. Для этого потребуется использовать более сложную модель.
Наряду с численным моделированием мы проводим экспериментальные исследования собственных колебаний тонкостенных конструкций, содержащих неподвижную жидкость. Возбуждение осуществляем звуковым воздействием в широком спектре частот с помощью динамика. Показания снимаем бесконтактным способом с помощью цифрового лазерного виброметра. Недавно изучали влияние уровня заполнения жидкостью на собственные частоты колебаний вертикально расположенной круговой цилиндрической оболочки, закрепленной у основания. В дальнейшем будем рассматривать пластины. 
– Можно ли ожидать от ваших фундаментальных исследований практического результата?
– Наша методика исследования устойчивости одной или нескольких параллельно расположенных пластин, взаимодействующих с потоком жидкости, по сравнению с известными решениями позволяет оперативно анализировать широкий спектр различных параметров, оказывающих влияние на границу устойчивости, провести более детальный анализ поведения разных конструкций, обнаружить новые количественные и качественные закономерности. Кроме того, полученные результаты могут стать основой для определения областей параметров, которые необходимо исследовать с использованием более сложных моделей жидкости. В частности, речь идет о нестационарных задачах взаимодействия упругих конструкций с турбулентным потоком жидкости.
– Не поделитесь каким-либо любопытным случаем из исследовательской практики?
– Этой осенью мы проводили экспериментальное исследование собственных частот колебаний круговой цилиндрической оболочки, частично заполненной жидкостью. Возбуждение конструкции осуществлялось звуковым воздействием в широком спектре частот. Это напоминало взлет летающей тарелки из советских мультфильмов. Звук достаточно хорошо распространялся по зданию и на протяжении двух часов действовал на нервы заведующих лабораториями, которые собрались на совещании у директора. Еще был случай, когда охрана приняла этот звук за сработавшую сигнализацию. Комнату, из которой он исходил, они вычислили быстро, а вот “неисправность” искали долго. Потом уже наш сотрудник сообщил им, что это – следствие экспериментальных работ.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставлены С.Лекомцевым

 

Нет комментариев