Диагностика тонкостенных конструкций сложной геометрии и структуры

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Приведены основные этапы рождения тонкостенных конструкций, изменения их относительной толщины и массы единичной площади; указаны пути создания совершенных тонкостенных конструкций. Отмечены проблемы, возникающие в процессе эксплуатаций тонкостенных конструкций сложной геометрии, а также подходы и методы их расчета. Для обеспечения безаварийной работы тонкостенной конструкции с тонкослойным покрытием, находящихся под нагрузкой и испытывающих воздействие физических полей и сред, необходимо грамотно диагностировать состояния элементов конструкций. Отмечается сплайновый вариант метода конечных элементов в двумерной (СВ МКЭ-2) и трехмерной (СВ МКЭ-3) постановках, а также синтез этих вариантов - СВ МКЭ-2 + СВ МКЭ-3. Сочетание идеи параметризации всей области и аппроксимация искомых переменных в пределах элемента эрмитовыми кубическими сплайнами позволяет получать высокоточные согласованные конечные элементы. Разработанные варианты метода конечных элементов дают возможность оценивать напряженно-деформированное состояние конструкций сложной геометрии, в том числе расчет многослойных, тонкостенных конструкций с покрытием и локальными дефектами, а также учитывать специфические поверхностные свойства, отличные от свойств основного массива. Рассматриваются исследования концентрации напряжений около локальных углублений. Отмечаются двумерные экспериментально-теоретические методы оценки жесткостных свойств и адгезии тонкостенных, тонкослойных и композиционных элементов конструкций сложной структуры, которые наряду с распределенной сложной структурой могут иметь распределенные дефекты. Разработки использованы при решении конкретных задач ряда предприятий.

Об авторах

Нух Махмудович Якупов

Казанский научный центр РАН

Email: yzsrr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8248-1589

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт механики и машиностроения

Российская Федерация, 420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31

Самат Нухович Якупов

Казанский научный центр РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: tamas_86@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0047-3679

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт механики и машиностроения

Российская Федерация, 420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31

Список литературы

  1. Hart-Davies A. (ed.) Science: the definitive visual guide. London: Dorling Kindersley Limited; 2009.
  2. Al-Hassani S.T.S. 1001 inventions: the enduring legacy of Muslim civilization. National Geographic; 2012.
  3. Yakupov N.M., Galimov Sh.K., Khismatullin N.I. From stone blocks to thin-walled structures. Kazan: SOS Publ.; 2001. (In Russ.)
  4. Makhutov N.A. Strength and safety. Fundamental and applied research. Novosibirsk: Nauka Publ.; 2008. (In Russ.)
  5. Yakupov S.N., Tameev I.M., Yakupov N.M. Diagnostics and treatment of pipelines. Kazan: Kazanskaya Nedvizhimost' Publ.; 2018. (In Russ.)
  6. Collins J.A. Failure of materials in mechanical design. Analysis, prediction, prevention. New York: John Wiley & Sons; 1981. (In Russ.)
  7. Montemor M.F. Functional and smart coatings for corrosion protection: a review of recent advances. Surface & Coatings Technology. 2014;258:17-37.
  8. Dry C.M., Sottos N. Smart structures and materials 1993: smart materials // SPIE Proceedings. 1916;1:438-444.
  9. Dry C. Procedures developed for self-repair of polymeric matrix composite materials. Comp. Struct. 1996;35(3): 263-269. https://doi.org/10.1016/0263-8223(96)00033-5
  10. Yakupov S.N., Yakupov N.M. Thin-layer films and coatings. Journal of Physics: Conference Series. 2017;857: 012056. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012056
  11. Paimushin V.N. Boundary value problems of deformation mechanics of shells of complex geometry (dissertation of Doctor of Physical and Mathematical Sciences). Kazan; 1979. (In Russ.)
  12. Rekach V.G., Krivoshapko S.N. Calculation of shells of complex geometry. Moscow: Peoples’ Friendship University; 1988. (In Russ.)
  13. Krivoshapko S.N., Ivanov V.N. Encyclopedia of analytical surfaces. Switzerland: Springer; 2015.
  14. Mushtari Kh.M., Galimov K.Z. Non-linear theory of thin elastic shells. Jerusalem; 1962.
  15. Ilyushin A.A. Plasticity. Moscow: Gostekhizdat Publ.; 1948. (In Russ.)
  16. Zverayaev E.M. Extraction of consistent shell theory equations from 3D theory of elasticity. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2019;15(2):135-148. (In Russ.) https://doi.org/10.22363/1815-5235-2019-15-2-135-148
  17. Golovanov A.I., Pesoshin A.V., Tyuleneva O.N. Modern finite element models and methods for studies of thin-walled structures. Kazan: Kazan State University; 2005. (In Russ.)
  18. Yang H.T.Y., Saigal S., Masud A., Kapania R.K. A survey of recent shell finite elements. Int. J. for Numerical Methods in Engineering. 2000;47:101-127.
  19. Members C., Ashwell D.G., Gallagher R. Finite elements for thin shells and curved members. London: John Wiley & Sons; 1976.
  20. Herrmann I.R. Finite element bending analysis for plates. Journal of Engineering Mechanics. 1967;93(5):13-26.
  21. Argyris J.H., Fried I., Scharpf D.W. The TUBA family of plate elements for the matrix displacement methods. The Aeronautical Journal. 1968;72(692):701-709.
  22. Fraeijs de Veubeke B. Displacement and equilibrium models in the finite element methods. Stress Analysis. New York; 1965. p. 145-197.
  23. Connor J., Brebbia C.A. A stiffness matrix for shallow rectangular shell element. Journal of the Engineering Mechanics Division. 1967;93(5):43-65.
  24. Elias Z.M. Duality in finite element methods. Journal of the Engineering Mechanics Division. 1968;94(4):931-948.
  25. Lee S.W., Dai C.C., Yeom C.H. A triangular finite element for thin plates and shells. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1985;21(10):1813-1831.
  26. Gallagher R.H. Finite element representation for thin shell instability analysis. Buckling of Structures. Cambridge; 1974. p. 40-51.
  27. Sakharov A.S., Kislooky V.N., Kirichevsky V.V., Altenbach I., Gabbert U., Dankert Yu., Keppler H., Kochyk Z. The finite element method in the mechanics of solids (A.S. Sakharov, I. Altenbach, eds.). Kiev: Vishcha Shkola Publ.; 1982. (In Russ.)
  28. Argyris J.H., Scharpf D.W. The SHEBA family of shell elements for the matrix displacement methods. The Aeronautical Journal. 1968;72(694):873-883.
  29. Clough R.W., Johnson R.J. A finite element approximation for the analysis of thin shell. International Journal of Solids and Structures. 1968;4(1):43-60.
  30. Brebbia C.A., Nath J.M.D. A comparison of recent shallow shell finite element analysis. International Journal of Mechanical Sciences. 1970;12(10):849-857.
  31. Ahmad S., Irons B., Zienkiewicz O. Analysis of thick and thin shell structures by curved finite elements. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1970;2(3):419-451.
  32. Dupuis D., Goel J.J. A curved finite element for thin elastic shells. International Journal of Solids and Structures. 1970;6(11):1413-1428.
  33. Dawe D.J. Rigid-body motions and strain-displacement equations of curved shell finite elements. International Journal of Mechanical Sciences. 1972;14(9):569-578.
  34. Sabir A.B., Lock A.C. A curved, cylindrical shell, finite element. International Journal of Mechanical Sciences. 1972;14(2):125-135.
  35. Irons B.M., Razzaque A. A further modification to Ahmad’s shell element. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1973;5(4):588-589.
  36. Kant T., Menon M.P. Higher-order theories for composite and sandwich cylindrical shells with finite element. Computers and Structures. 1985;33(5):1191-1204.
  37. Noor A.K., Burton W.S., Bert C.W. Computational models for sandwich panels and shells. Applied Mechanics Reviews. 1996;49:155-199.
  38. Nayak A.K., Moy S.S.J., Shenoi R.A. Free vibration analysis of composite sandwich plates based on Reddy’s higher order theory. Composites Part B. Engineering. 2002;33:505-519.
  39. De Sousa R.J.A., Cardoso R.P.R., Valente R.A.F., Yoon J.-W., Grácio J.J., Natal Jorge R.M. A new one-point quadrature enhanced assumed strain (EAS) solid-shell element with multiple integration points along thickness. Int. J. Numer. Meth. Engng. 2005;62(7):952-977. https://doi.org/10.1002/nme.1226
  40. Yakupov N.M. Calculating complex shells. Proceedings of a Shell Theory Seminar. 1984;17(II):4-17.
  41. Kornishin M.S., Yakupov N.M. Spline variant of finite element method for the calculation of complex shells. Prikladnaya Mekhanika. 1987;23(3):38-44.
  42. Kornishin M.S., Yakupov N.M. To the calculation of shells of complex geometry in cylindrical coordinates based on the spline version of the FEM. Prikladnaya Mekhanika. 1989;25(8):53-60.
  43. Dautov R.Z. Estimation of the accuracy of FEM schemes based on rectangular elements with numerical integration for shells of complex geometry. Proceedings of a Shell Theory Seminar. 1992;27:22-36.
  44. Yakupov N.M., Kiyamov H.G., Yakupov S.N., Kiyamov I.Kh. Modeling of structural elements of complex geometry by three-dimensional finite elements. Mechanics of Composite Materials and Structures. 2011;17(1):145-154. (In Russ.)
  45. Yakupov N.M., Kiyamov H.G., Yakupov S.N. Modelling of cyclic shells with complex geometry three-dimensional finite elements. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1158:042038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1158/4/042038
  46. Kantyukov R.A., Yakupov N.M., Tameev I.M., Kiyamov Kh.G., Yakupov S.N., Kantyukov R.R. Modeling of the stress - strain state of a cylindrical body with a local depression by three - dimensional finite elements. Nauka i Thechnika v Gazovay Promyshlennosti. 2012;(2):53-60. (In Russ.)
  47. Yakupov N.M., Kiyamov H.G., Mukhamedova I.Z. Simulation of toroidal shell with local defect. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2020;41(7):1310-1314.
  48. Yakupov N.M., Kiyamov H.G., Mukhamedova I.Z. Calculation of the fragments toroidal shell with local internal deepening. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2021;42(9):2257-2262.
  49. Yakupov S.N., Kiyamov H.G., Yakupov N.M. Modeling a synthesized element of complex geometry based upon three-dimensional and two-dimensional finite elements. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2021;42(9):2263-2271.
  50. Yakupov S.N., Kiyamov H.G., Yakupov N.M. Numerical model of the structural element complex geometry with a coating. J. Phys.: Conf. Ser. 2021;1954:012054. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1954/1/012054
  51. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 1992;7:1564-1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  52. Yakupov N.M., Nurullin R.G., Yakupov S.N. Mechanical properties of thin films and nanofilms. Russian Engineering Research. 2010;29(6):571-574.
  53. Galimov N.K., Yakupov N.M., Yakupov S.N. Experimental-theoretical method for determining the mechanical characteristics of spherical films and membranes with a complex structure. Mechanics of Solids. 2011;46(3):380-386. https://doi.org/10.3103/S0025654411030058
  54. Yakupov N.M., Galimov N.K., Yakupov S.N. Methodology of studying non-planar films and membranes of complex structure. Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials. 2019;85(2):55-59. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-2-55-59
  55. Yakupov N.M., Kharislamova L.U. Stiffness of compositions with delamination’s and the influence of ultraviolet on adhesion. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2019;40(6):840-845. https://doi.org/10.1134/S199508021906026X
  56. Yakupov S.N., Kharislamova L.U., Yakupov N.M. Studying the stiffness of thin-layered compositions with delaminations. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1281:012092. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012092
  57. Yakupov S.N., Yakupov N.M. Research of mechanical characteristics thin coating. J. Phys.: Conf. Ser. 2019; 1328:012103.
  58. Yakupov N.M., Yakupov S.N., Gubaydullin R.I. Research of adhesion of a covering on cylindrical surfaces. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1281(1):012091. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012091
  59. Yakupov S.N., Gubaidullin R.I., Yakupov N.M. Determination of hardness of thin layer coating and its adhesion to the shell of the cylindrical form. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1158:042039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1158/4/042039
  60. Yakupov S.N., Gubaidullin R.I., Yakupov N.M. Investigation of the influence of the nature of surface deformation on coating adhesion. J. Phys.: Conf. Ser. 2021;1954:012053. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1954/1/012053

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».