Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Ватульян А. О., Явруян О. В. Оптимизация механических свойств вязкоупругих конструкций // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 552-566. DOI: 10.18500/1816-9791-2024-24-4-552-566, EDN: PNYSJH

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст:
(downloads: 6)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.3
EDN: 
PNYSJH

Оптимизация механических свойств вязкоупругих конструкций

Авторы: 
Ватульян Александр Ованесович, Южный федеральный университет
Явруян Оксана Вячеславовна, Южный математический институт – филиал Владикавказского научного центра Российской академии наук
Аннотация: 

Проведено исследование спектральной задачи об определении оптимального распределения механических свойств произвольного неоднородного тела с учетом затухания в рамках модели линейной вязкоупругости, при которых первая собственная частота максимальна. Учет затухания осуществляется на основе концепции комплексных модулей  в рамках модели стандартного вязкоупругого тела. В качестве управляющих функций выступают функции, характеризующие мгновенный и длительный модули. Постановка задачи включает в себя изопериметрические условия, которые накладываются на управляющие функции и определяют их среднее распределение по объему. Построен функционал типа Релея, вариационным образом найдено  условие оптимальности, которое состоит  в постоянстве условной потенциальной энергии. В качестве модельной задачи рассмотрены задачи о максимизации первой собственной частоты (изгибные и продольные колебания) функционально-градиентного стержня с учетом затухания на основе принципа соответствия. Получены аналитические выражения для законов изменения мгновенного и длительного модулей. Проверено, что задача в предельном случае (при равенстве нулю времени релаксации) сводится к упругому случаю. Для определения оптимального значения первой собственной частоты построено кубическое уравнение, которое решалось численно. Получены асимптотические формулы для определения оптимальной собственной частоты при малых значениях времени релаксации.  Проведены расчеты по оценке оптимальности полученного решения. Например, при сравнении со случаем постоянных модулей выигрыш в значении первой собственной частоты составляет около 27% для случая изгиба.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-11-00265, https://rscf.ru/project/22-11-00265/).
Список источников: 
  1. Баничук Н. В. Оптимизация форм упругих тел. Москва : Наука, 1980. 256 с.
  2. Ольхофф Н. Оптимальное проектирование конструкций. Москва : Мир, 1981. 278 с. (Механика. Новое в зарубежной науке. Вып. 27).
  3. Niordson I. F. On the optimal design of a vibrating beam // Quarterly of Applied Mathematics. 1965. Vol. 23. P. 47–53. https://doi.org/10.1090/qam/175392
  4. Братусь А. С., Картелишвили В. М. Приближенные аналитические решения в задачах оптимизации устойчивости и частот колебаний упругих тонкостенных конструкций // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1981. № 6. С. 119–139. EDN: ZVYSTR
  5. Sarkisyan V. S., Gukasyan G. M., Grigoryan A. A. Optimal design of a circular plate with rectilinear anisotropy // Journal of Mathematical Sciences. 2001. Vol. 104, iss. 5. P. 1569–1574. https://doi.org/10.1023/A:1011300122949
  6. Bratus’ A. S., Posvyanskii V. P. The optimum shape of a bending beam // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2000. Vol. 64, iss. 6. P. 993–1004. https://doi.org/10.1016/S0021-8928(00)00131-3
  7. Гринев В. Б., Филиппов А. П. Оптимизация элементов конструкций по механическим характеристикам. Киев : Наукова думка, 1975. 290 с.
  8. Gupta V. K., Murthy P. N. Optimal design of uniform non-homogeneous vibrating beams // Journal of Sound and Vibration. 1978. Vol. 59, iss. 4. P. 521–531. https://doi.org/10.1016/S0022-460X(78)80132-1
  9. Саркисян B. C., Джулакян Г. М. Оптимизация первой собственной частоты колебания прямоугольной пластинки со слабой неоднородностью // Механика: межвузовский сборник научных трудов. Ереван : Изд-во Ереванского ун-та, 1984. Вып. 3. C. 120–125.
  10. Liao Y. S. A generalized method for the optimal design of beams under flexural vibration // Journal of Sound and Vibration. 1993. Vol. 167, iss. 2. P. 193–202. https://doi.org/10.1006/jsvi.1993.1329
  11. Belardi V. G., Trupiano S., Fanelli P., Vivio F. Overall elastic characterization of equivalent FE models for aluminum foams through computational homogenization approach and genetic algorithm optimization // European Journal of Mechanics– A/Solids. 2024. Vol. 103. Art. 105189. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2023.105189
  12. Chen Y., Wang Q., Zhong R., Shi X., Qin B. Fiber orientation and boundary stiffness optimization of laminated cylindrical shells with elastic boundary for maximum the fundamental frequency by an improved sparrow search algorithm // Thin-Walled Structures. 2023. Vol. 193. Art. 111299. https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.111299
  13. Yan G., Li Yi., Huang Xi., Yao S., Zhou W. Multi-objective optimization of elastic metaplates for lightweight and ultrawide bandgaps // International Journal of Mechanical Sciences. 2023. Vol. 259. Art. 108603. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108603
  14. Hedayatrasa S., Abhary K., Uddin M., Ng Ch.-T. Optimum design of phononic crystal perforated plate structures for widest bandgap of fundamental guided wave modes and maximized in-plane stiffness // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2016. Vol. 89. P. 31–58. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2016.01.010
  15. Niu B., Yan J., Cheng G. Optimum structure with homogeneous optimum cellular material for maximum fundamental frequency // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2009. Vol. 39, iss. 2. P. 115–132. https://doi.org/10.1007/s00158-008-0334-4
  16. Ni X. H., Teng X. C., Jiang W., Zhang Y., Ren X. Multi-objective optimization and theoretical analysis of re-entrant structure with enhanced mechanical properties // Thin-Walled Structures. 2024. Vol. 199. Art. 111791. https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111791
  17. Thomes R. L., Mosquera-S´anchez J. A., De Marqui C. Bandgap widening by optimized disorder in one-dimensional locally resonant piezoelectric metamaterials // Journal of Sound and Vibration. 2021. Vol. 512. Art. 116369. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116369
  18. Федотов А. В., Беляев А. К., Полянский В. А. Численное исследование эффективности метода модальных фильтров и метода наблюдателей при реализации модального управления колебаниями упругих систем // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2023. Т. 16, № 3. C. 160–176. https://doi.org/10.18721/JPM.16313
  19. Федотов А. В. Применимость упрощенных моделей пьезоэлементов в задаче активного гашения колебаний // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63, № 2. С. 126-132. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-2-126-132
  20. Асташев В. К., Пичугин К. А. Резонансная настройка стержневой системы с пьезоэлектрическим возбудителем колебаний // Вестник научно-технического развития. 2017. № 9 (121). С. 2–8.
  21. Мацеевич Т. А., Кирьянова Л. В., Смирнов В. А., Иванов П. С. Оптимизация параметров вязкоупругой модели элементов конструкций из композитных материалов на основе экспериментальных данных // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 32–36. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-32-36
  22. Кристенсен Р. М. Введение в механику композитов. Москва : Мир, 1982. 336 с.
  23. Ватульян А. О., Варченко А. А. Исследование колебаний балки из функционально-градиентного материала с учетом затухания // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2021. Т. 212, № 4. С. 10–18. https://doi.org/10.18522/1026-2237-2021-4-10-18
Поступила в редакцию: 
10.05.2024
Принята к публикации: 
13.06.2024
Опубликована: 
29.11.2024