научная статья по теме ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ ВЯЗКОУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИМПУЛЬСНОГО НАГРУЖЕНИЯ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ Механика

Текст научной статьи на тему «ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ ВЯЗКОУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИМПУЛЬСНОГО НАГРУЖЕНИЯ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 3 • 2011

УДК 539.3

© 2011 г. Н.А. АБРОСИМОВ, Н.А. КУЛИКОВА

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ ВЯЗКОУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИМПУЛЬСНОГО НАГРУЖЕНИЯ ОБОЛОЧЕК

ВРАЩЕНИЯ

Предложен расчетно-экспериментальный метод идентификации материальных констант и функций определяющих соотношений вязкоупругого деформирования однородных композитных материалов, базирующийся на минимизации невязки численного и экспериментального моделирования нестационарных процессов деформации оболочек вращения, изготовленных из исследуемых материалов. Проведено тестирование развиваемого подхода и показана его адекватность на задачах определения жесткостных и реологических характеристик композитных материалов по результатам сравнительного расчетно-экспериментального анализа нестационарного деформирования сферических и цилиндрических оболочек при взрывном нагружении.

Ключевые слова: математические модели, идентификация, вязкоупругое деформирование, численные методы, импульсное нагружение.

1. Введение. Композитные материалы находят широкое применение в инженерной практике, так как позволяют создавать конструкции с уникальными весовыми, прочностными и диссипативными характеристиками, которых практически невозможно достичь использованием традиционных конструкционных материалов.

Характерная особенность конструкций из композитных материалов состоит в том, что материал и конструкция создаются одновременно, в рамках единого технологического процесса. Взаимообусловленность процессов создания конструкции, материала и технологии предопределяет новый подход к нахождению материальных параметров определяющих соотношений, основанный непосредственно на результатах комплексного экспериментально-теоретического анализа нестационарного поведения композитных элементов конструкций, выполненных из исследуемых материалов. Традиционные экспериментальные методы определения деформационных характеристик композитных материалов [1, 2] (резонансные, гистерезисные, свободных затухающих колебаний), базирующиеся на испытаниях представительских образцов, зачастую оказываются неработоспособными в связи с существенным влиянием на результаты измерений условий закрепления, способа возбуждения колебаний, неоднородности напряженно-деформированного состояния и технологических трудностей изготовления образцов. Поэтому достоверную информацию о свойствах композитных материалов можно получить лишь на основе результатов испытаний, изготовленных из них конструкций, что приводит к необходимости использования для этих целей методов идентификации.

Методы идентификации материалов и моделей применялись для нахождения эффективных упругих характеристик композитных материалов на основе статических экспериментов [3—10]. Из работ, посвященных определению физико-механических

характеристик при динамических воздействиях, можно отметить лишь экспериментальные исследования [11—13], в которых анализируются процессы деформации и определяются эффективные жесткостные и демпфирующие характеристики композитных материалов при взрывном нагружении колец, цилиндрических и полусферических оболочек.

В данной статье рассматривается развитие этих исследований, связанных с разработкой расчетно-экспериментального метода определения вязкоупругих характеристик композитных материалов в динамически нагруженных оболочках вращения, выполненных из исследуемых материалов, с целью построения адекватных моделей определяющих соотношений материалов и конструкций для последующего прогнозирования их поведения при заданных импульсных воздействиях.

2. Постановка задачи. Отнесем ортотропную оболочку вращения постоянной толщины h к системе ортогональных координат а ('' = 1, 2, 3), совпадающей с линиями главных кривизн и внешней нормалью к срединной поверхности оболочки. Здесь аь а2 — длины дуг образующей и направляющей соответственно, а а3 — нормальная координата, отсчитываемая в сторону возрастания внешней нормали к срединной поверхности оболочки. Параметры Ламе рассматриваемой системы координат равны Hl = Zl, Н2 = г(а:^2, Н3 = 1, где Z1 = 1 + klа3; Z2 = 1 + к2а3; k1, k2 — главные кривизны; л(а:) — расстояние от оси вращения до точки срединной поверхности с координатой а1.

Поскольку оболочки вращения из композитных материалов являются неоднородными, имеют низкую сдвиговую жесткость и в ряде случаев немалую толщину, то для описания их напряженно-деформированного состояния необходимо привлекать неклассические теории оболочек [14, 15]. Для этого представим компоненты вектора перемещения ui (' = 1, 3) в виде следующих разложений:

N

" п [ А 1/2

и1 (а15 аз, 0 = £и"(аь ¿)[п + -) Рп(х), -1 <х = 2аз/Л < 1

(2.1)

I = о

где ип (аь 0 — искомые функции, (п + 1/2)1/2 Р„(х) — ортонормированнные полиномы Лежандра.

Введем перемещения (2.1) в выражения осесимметричных деформаций оболочки вращения как трехмерного тела [15] и после несложных преобразований получим деформационные соотношения неклассической теории оболочек:

1

еи = —

11 ¿1

■ N п

Хои1 5а,

■п = о

п + 1

1/2

N

Рп (х) + кх £

N

п + 1

1/2

Рп (X )

п = 0

е22 = ^ ¿2

зз

1 дат [п + 1) 1/2Рп(X) + ¿2 £ + 1) 1/2рп(х)

1 п = о п = 0

= Л + ^ 1/2рп(X)

п = 1 N

(2.2)

?13 = Л £ ип(п + 1) 1/2р;(х) + 1 Г£ ди(" + 2)1/2- ¿1 £ ип(п + 2)1/2Рп(х)

п = 1 >-п = 0 п = 0

где Р'п (х) — производные от полиномов Лежандра.

и

з

Определяющие соотношения линейной теории вязкоупругости представим в виде [15, 16]:

= X' = 2' 3), 013 = —3е1

1 = 1

р(г - т)е11(т)йт

о г

(г - т)еуу(т)йт

. - С-]'

е<1 = еуУ -

( с»)г 1 -

к с\)

11 о

(2.3)

е13 = е13 -

( —» )г 1 - -I3] (г - т)е13(т)йт

[ -13) „

.^0 ,-,0 ,-,»

где , —13, , —13 — мгновенные и длительные жесткостные характеристики, кото-

1' 13 > '1

рые вычисляются через компоненты вектора

Т7-/Р0 Р» Р0 Р» Р0 Р»

Е — (Е11 , Е11 , е22 , е22 , Е33 , Е33 , —13 ,

—»3, у12, у13, у23, Р1, •••, и определяются в результате решения задачи идентифика-

N

ции, R(t) — X Р«е в" — ядро релаксации максвелловского типа.

п = 1

Для вывода уравнений движения оболочки вращения используем принцип возможных перемещений [17], который с учетом аппроксимаций (2.1) и построенных на их основе геометрических (2.2) и физических (2.3) соотношений запишется в виде:

I N п п

IX [м^+Мао; - *1 М"3+5ип+м^

0 п = 0

5(5и")

5а1

I N

+ (к1 Ми + к2МП2 + М"3)5и"3 гйа1 + |Х

0 " =0

N

+

N

.п ..т 0 п .и ..п

X АтЩ 5и1 + I X АтЩ

п

5и3

т = 0

т = 0

гйа1 -

I N

N

IX (К5и\ + ^5и"п)йа1 - X (N"5и1 + ип3)г

0 п =0

п = 0

= 0

, = 0,1

М11 = <2 |0ц12[п + 1) 1/2Рп(х)йх, М22 = | 1022^ [п + 1) 1/2Рп(X)йх

М13 = Ь |1013 ^ [п + 2) 1/2 Рп (X) йх, М13 = |1013 ^ [п + 2;) 1/2 Рп (х) йх

а

+1 [ 1) 1/2 М33 = ] °33¿1 ¿2(л + 2) Р'п(х)Ах

лп

Лп = Р

Л + ¿^Л [ ( п + 1) 2 +

2 8 (4 л2 + 8л + 3 4 л2 - 1

(л = 0, 1.....Щ

1 = р ( к 1 + к2 ) Л 2 - (л + 1 ) („ = 0, 1,..., N - 1)

а/4 я2 + 8 п + 3

22 р ¿1 к2 Л л + 3 л + 2

г + 2

(л = 0, 1,., N - 2)

8 ( 2 п + 3 )л/4 л2 + 12л + 3 А* = 0 при л Ф т, кроме т = л + 1 и т = л + 2 (т, л = 0, 1, ..., К)

К = г (л + -

К =

Г л + 1

1/2

1/2

¿1 Л) Л , ¿2 Л

" (1+ т)(1+ т)+(-1)(1 -'"Г)(1 -'¥

МУ ¿2Л

¿1 л) л , ¿2 к

"3 (1 + т)(1+ Т)+(-1 ун1 -'-у)(1 -т

Му ¿2 Л

(2.4)

N1 = Л |<л + 1) 1/2Р„(х)¿2¿х, N3 = Л |<л + 2)1/2Рп(х)¿2¿х

где X — длина образующей срединной поверхности оболочки в исходном недеформи-рованном состоянии; р — плотность материала оболочки; q¡, р, ^ (' = 1, 3) — интенсивности внешних нагрузок, действующих на внешней и внутренней поверхностях и контуре оболочки.

Вариационное уравнение динамики (2.4) описывает движение вязкоупругой композитной оболочки вращения и может быть использовано для численного решения прикладных задач с различной степенью точности в зависимости от числа членов в аппроксимирующих рядах (2.1). Применяя к (2.4) стандартную процедуру преобразования интегралов и учитывая произвольность вариации 8и" , получим систему дифференциальных неклассических уравнений движения оболочки вращения:

д(гМи) - М^ + - М> + ^ = г ¿АХ

т = 0 N

- (м^+мл2k2+М33)г+к = г £ лтит

да1 22да1

д( М)

(2.5)

да1

т=

и естественные граничные условия при а: = 0, X: М"п = N, М"13 = N3

(2.6)

п

п +

п

При интегрировании основных уравнений (2.4) или (2.5), (2.6) должны быть удовлетворены также начальные условия, которые запишутся в виде:

и"(а1, 0) = и0" (а!), и"(а1, 0) = и" ^) (/ = 1, 3, п = 0, 1, ..., И) (2.7)

где и0" (а:), и0п (а:) — моменты заданных функций и0 (аь а3), и0 (аь а3), определяемые формулами

и"(а!) = |и°(аь аз)(п + 2) Р"(х)йх, и0п(а1) = |и0(аь аз)(п + 2) Д(х)йх

-1 -1

Задача параметрической идентификации материальных констант и функций моделей вязкоупругого поведения композитных материалов ставится следующим образом. Требуется найти набор параметров (вектор) определяющих соотношений (2.3):

Е = (Ел , Е°1, ^22 , Е2 , Е°3, Е3 , , , v13, v23, Р:, ..., при которых математическая модель (2.1)—(2.7), описывающая динамическое поведение композитных вязкоупругих оболочек вращения, наилучшим образом согласуется с экспериментальными данными. Здесь под параметрами понимаются мгновенные и длительные модули упругости и сдвига, коэффициенты Пуассона и времена релаксации. В результате задача сводится к нахождению вектора коэффициентов физических уравнений, обеспечивающего в выбранной норме минимальное расстояние между расчетными и экспериментальными данными. В качестве нормы предлагается функционал, представляющий сумму среднеквадратичных отклонений характерных значений расчетных и экспериментальных перемещений и деформаций и их скоростей:

м г

ДЕ) = £| Г £ [Лц(щ - иГ) + Аги - иГ) + БЖ - ¿Г/У + В21а1 - С/] + т =15 =1'3 (2.8)

+ £ [С„(в™ - е*т)2 + См(е7 - е)2 + Би(% - *)2 + Б2(% - &)2] ]

1= 1, 2 '

где — область, занимаемая оболочкой; A2i, B1i, B2i, C1i, D1i, D2i — весовые коэф-

, т • т т . т *т •-мт *т • *т

фициенты; и, , и^ , е 1 , е 1 , и* , и* , е* , е* — характерные значения расчетных и экспериментальных перемещений, окружных и меридиональных деформаций и их

т т т т т т т

скоростей, а также соответствующие моменты времени 1ц, 111, 131, /4(-, 1и , /*,- , /*,- ,

т

¿Г* ,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком