vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2023-25-6-89-101YJYZWMvestniktgasu-1532Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯBUILDING AND CONSTRUCTIONМетодика определения динамических параметров материала при свободных колебанияхDetermination of dynamic parameters of free vibrating materials (Nizhny Novgorod)ХазовП. А.KhazovР. А.

Хазов Павел Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, зав. лабораторией

603000, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Pavel A. Khazov, PhD, A/Professor

65, Il’inskya Str., 603000, Nizhnii Novgorod

khazov.nngasu@mail.ruШкодаИ. В.ShkodaI. V.

Шкода Ирина Васильевна, аспирант; ассистент

603024, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, 85;

603000, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

 

Irina V. Shkoda, Research Assistant

85, Belinsky Str., 603024, Nizhny Novgorod;

65, Il’inskya Str., 603000, Nizhnii Novgorod

ShkodaIrinaVasil@yandex.ruТягуноваЛ. Ю.TiagunovaL. Yu.

Тягунова Лидия Юрьевна, ст. преподаватель

603000, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Lidiia Yu. Tjagunova, Senior Lecturer

65, Il’inskya Str., 603000, Nizhnii Novgorod

tyagunovaly@yandex.ruНижегородский государственный архитектурно-строительный университетРоссияNizhny Novgorod State University of Architecture and Civil EngineeringRussian FederationФедеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университетРоссияInstitute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences; Nizhnii Novgorod State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation20232612202325689101Copyright © Хазов П.А., Шкода И.В., Тягунова Л.Ю., 20242024Хазов П.А., Шкода И.В., Тягунова Л.Ю.Khazov Р.А., Shkoda I.V., Tiagunova L.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/1532

Актуальность. Изучение динамических свойств материалов является ключевым аспектом для проведения сложных инженерных расчетов. Наиболее часто используемые на данный момент методы определения динамических характеристик являются дорогостоящими и трудновоспроизводимыми в условиях отсутствия специального оборудования. Следовательно, существует необходимость разработки упрощенных методик, позволяющих инженеру определять конкретные характеристики материала, избегая проведения сложных лабораторных испытаний, что подтверждает актуальность данной темы исследования.

Цель исследования – разработка и обоснование упрощенной методики определения динамических свойств различных материалов на примере древесины сосны.

В исследовании применяются методы экспериментального моделирования при помощи современных измерительных устройств и последующая аналитическая обработка полученных результатов.

Научная новизна заключается в предложении упрощенной методики определения динамических параметров материала с помощью анализа зарегистрированных блоком акселерометра колебаний шарнирно закрепленной двухопорной балки.

В результате исследования определен динамический модуль упругости древесины сосны, с высокой точностью совпадающий со справочными значениями, а также получен коэффициент затухания колебаний, необходимый при расчете динамических систем в околорезонансных зонах.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования предлагаемой методики для определения динамических свойств новых материалов с целью дальнейшего внесения этих характеристик в базы данных программно-вычислительных комплексов.

The most commonly used methods for determination of dynamic properties are expensive and difficult to reproduce without specialised equipment. There is a need to develop simplified techniques that allow to determine specific material properties, avoiding the use of complex laboratory tests.

Purpose

Purpose: The aim of this work is to develop and test a simplified methodology for determining dynamic properties of various materials using pine wood as an example.

Methodology

Methodology: Experimental modelling using up-to-date measuring devices and analytical processing of the obtained results.

Research findings

Research findings: The dynamic modulus of elasticity of pine wood is determined with high accuracy and coincides with reference values. The coefficient of vibration damping is obtained for the calculation of dynamic systems in near-resonance zones.

Practical implications

Practical implications: The proposed methodology can be used to determine the dynamic properties of new materials in order to enter these characteristics in software databases and computer complexes.

Originality

Originality: The proposed method of determining the dynamic parameters of the material is based on the analysis of two-support beam vibrations registered by an accelerometer.

собственные колебаниядекремент затуханиядинамический модуль упругостикоэффициент затуханияакселерометрnatural vibrationsdamping decrementdynamic modulus of elasticitydamping factoraccelerometerReferencesАманов А.Н., Ильина Д.А., Шлычков С.В. Идентификация физико-механических свойств материалов // Научному прогрессу – творчество молодых : материалы XIV Международной молодежной научной конференции, 19–20 апреля 2019 г. В 4 частях. Йошкар-Ола : Поволжский государственный технологический университет, 2019. Ч. 1. С. 129–131.Amanov A.N., Ilyina D.A., Shlychkov D.A. Identification of physical and mechanical properties of materials. In: Proc. 14th Sci. Conf. ‘Scientific Progress – Creativity of the Young’, Pt. 1. Yoshkar-Ola, 2019. Pp. 129–131. (In Russian)Константинов А.Ю. Экспериментально-теоретический подход к исследованию высокоскоростного деформирования и разрушения материалов с использованием мерных стержней : специальность 01.02.06 «Динамика, прочность машин,приборов и аппаратуры» : диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Нижний Новгород, 2018. 304 с.Konstantinov A.Yu. Experimental and theoretical approach to high-speed deformation and destruction of materials using dimensional rods. DSc Thesis. Nizhny Novgorod, 2018. 304 p. (In Russian)Брагов А.М., Ломунов А.К., Южина Т.Н. Влияние вида напряженно-деформированного состояния на динамическую сжимаемость березы // Проблемы прочности и пластичности. 2020. Т. 82. № 3. С. 269–282.Bragov A.M., Lomunov A.K., Yuzhina T.N. Stress-strain state effect on birch dynamic compressibility. Problemy prochnosti i plastichnosti. 2020; 82 (3): 269–282. (In Russian)Брагов А.М., Ломунов А.К. Использование метода Кольского для исследования процессов высокоскоростного деформирования материалов различной физической природы. Нижний Новгород : Изд-во ННГУ, 2017. 148 с.Bragov A.M., Lomunov A.K. The Kola method in studying processes of high-speed deformation of materials of various physical nature. Nizhny Novgorod, 2017. 148 p. (In Russian)Смирнов В.А. Сравнительные динамические характеристики конструкционных материалов // Academia. Архитектура и строительство. 2022. № 3. С. 117–131.Smirnov V.A. Comparative dynamic characteristics of structural materials. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo. 2022; 3: 117–131. (In Russian)Южина Т.Н. Исследование динамических свойств древесины при одноосном сжатии // Проблемы прочности и пластичности. 2022. № 3. С. 420–431.Yuzhina T.N. Dynamic properties of wood under uniaxial compression. Problemy prochnosti i plastichnosti. 2022; 3: 420–431. (In Russian)Южина Т.Н. Высокоскоростное деформирование и разрушение некоторых пород древесины // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений : специальность 01.02.06 «Динамика, прочность машин,приборов и аппаратуры» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2022. 163 с.Yuzhina T.N. High–speed deformation and destruction of some types of wood. PhD Thesis. Moscow, 2022. 163 p. (In Russian)Брагов А.М., Карихалу Б.Л., Петров Ю.В., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Смирнов И.В. Экспериментально-теоретическое исследование динамического деформирования и разрушения фибробетона // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 4. С. 57–63.Bragov A.M., Karikhalu B.L., Petrov Yu.V., Lomunov A.K., Konstantinov A.Yu. Lamzin D.A. Smirnov I.V. Experimental and theoretical study of dynamic deformation and destruction of fiber concrete. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov. 2014; 80 (4): 57–63. (In Russian)Брагов А.М., Константинов А.Ю., Ломунов А.К., Ламзин Д.А. Исследование механических свойств мелкозернистого бетона при динамическом нагружении // Приволжский научный журнал. 2014. № 4 (32). С. 11–21.Bragov A.M., Konstantinov A.Yu., Lomunov A.K., Lamzin D.A. Mechanical properties of finegrained concrete under dynamic loading. Privolzhskii nauchnyi zhurnal. 2014; 4 (32): 11–21. (In Russian)Dell'Isola F., Bragov A.M., Igumnov L.A., Lomunov A.K., Lamzin D.A., Konstantinov A.Y., Abali B.E. Mechanical response change in fine grain concrete under high strain and stress rates // Advanced Structured Materials. 2019. V. 108. P. 71–80.Dell'Isola F., Bragov A.M., Igumnov L.A., Lomunov A.K., Lamzin D.A., Konstantinov A.Y., Abali B.E. Mechanical response change in fine grain concrete under high strain and stress rates. Advanced Structured Materials. 2019; 108: 71–80.Ламзин Д.А., Брагов А.М., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Новиков В.В., Гонов М.Е. Методические аспекты динамических испытаний хрупких материалов на сжатие // Приволжский научный журнал. 2019. № 4. С. 65–78.Lamzin D.A., Bragov A.M., Lomunov A.K., Konstantinov A.Yu., Novikov V.V., Gonov M.E. Methodological aspects of dynamic tests of brittle materials for compression. Privolzhskii nauchnyi zhurnal. 2019; 4: 65–78. (In Russian)Ламзин Д.А., Брагов А.М., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Новиков В.В., Чекмарев Д.Т. Удельная энергоемкость кирпича при динамическом нагружении // Приволжский научный журнал. 2019. № 4. С. 79–88.Lamzin D.A., Bragov A.M., Lomunov A.K., Konstantinov A.Yu., Novikov V.V., Chekmarev D.T. Specific energy consumption of bricks under dynamic loading. Privolzhskii nauchnyi zhurnal. 2019; 4: 79–88.Захезин А.М., Колосова О.П., Воителев П.Ю., Пакулев М.В. Оценка динамических характеристик материалов и механических систем экспериментальными методами // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 5. Ч. 1. С. 91–95.Zakhezin A.M., Kolosova O.P., Voitelev P.Yu., Pakulev M.V. Experimental evaluation of dynamic characteristics of materials and mechanical systems. Mezhdunarodnyi zhurnal eksperimentalnogo obrazovaniia. 2015; 5 (1): 91–95. (In Russian)Турков А.В., Коробко В.И., Макаров А.А. Экспериментальные исследования систем перекрестных балок из деревянных элементов на квадратном плане при изменении динамических и статических нагрузок // Лесной журнал. 2016. № 5. С. 275–280.Turkov A.V., Korobko V.I., Makarov A.A. Experimental studies of systems of cross beams made of wooden elements on a square plan when dynamic and static loads change. Lesnoi zhurnal. 2016; 5: 275–280. (In Russian)Perrone N. On the use ring test determination of rate sensitive material constants // Experimental Mechanics. 1968. V. 5. P. 232–236.Perrone N. On the use ring test determination of rate sensitive material constants. Experimental Mechanics. 1968; 5: 232–236.Кокошвили С.М. Методы динамических испытаний жестких полимерных материалов. Рига : Зинатне, 1978. 182 с.Kokoshvili S.M. Methods of dynamic testing of rigid polymer materials. Riga: Zinatne, 1978. 182 р. (In Russian)Рыжанский В.А., Минеев В.Н., Цыпкин В.И., Иванов А.Г. Экспериментальное исследование взрывного расширения тонких колец из отожженного алюминиевого сплава // Физика горения и взрыва. 1976. Т. 12. № 1. С. 120–124.Ryzhansky V.A., Mineev V.N., et al. Experimental investigation of explosive expansion of thin annealed aluminum alloy rings. Fizika goreniia i vzryva. 1976; 12(1): 120–124. (In Russian)Whiffin A.C. The use of flat ended projectiles for determining yield stress. Ii: Tests on various metallic materials // Proceedings of the Royal Society of London. 1948. V. 14. P. 289–299.Whiffin A.C. The use of flat ended projectiles for determining yield stress. I: Tests on various metallic materials. Proceedings of the Royal Society of London. 1948; 14: 289–299.Li H., Yu Z., Rong P., Wu Yu, Hui H., Zhang F. High strain rate response of in-situ TiB2/7055 composite by Taylor impact // Materials. 2021. V. 14. 258. P. 1–13.Li H., Yu Z., Rong P., Wu Yu, Hui H., Zhang F. High strain rate response of in-situ TiB2/7055 composite by taylor impact. Materials. 2021; 14 (258): 1–13.Taylor G.I. The use of flat ended projectiles for determining yield stress. I: Theoretical considerations // Proceedings of the Royal Society of London. 1948. Series A. V. 194. P. 289–299.Taylor G.I. The use of flat ended projectiles for determining yield stress. I: Theoretical considerations. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 1948;194: 289–299.Li J.-C., Chen G., Huang F.-L., Lu Y.-G. Load characteristics in Taylor impact test on projectiles with various nose shapes // Metals. 2021. V. 11. 713. P. 21.Li J.-C., Chen G., Huang F.-L., Lu Y.- G. Load characteristics in taylor impact test on projectiles with various nose shapes. Metals. 2021; 11 (713): 21.Woodward R.L., Burman N.M., Baxter B.J. An experimental and analytical study of the Taylor impact test // Pergamon. 1994. V. 15. № 4. P. 407–416.Woodward R.L., Burman N.M., Baxter B.J. An experimental and analytical study of the Taylor impact test. Pergamon. 1994; 15. (4): 407–416.Juncheng L., Gang C., Yonggang, L., Fenglei H. Investigation on the application of Taylor impact test to high-g loading // Frontiers in materials. 2021. V. 8. P. 21.Juncheng L., Gang C., Yonggang, L., Fenglei H. Investigation on the application of taylor impact test to high-g loading. Frontiers in materials. 2021; 8: 21.Chen W., Song B. Split Hopkinson (Kolsky) bar: design, testing, and applications. New York : Springer Science & Business Media, 2011. Р. 388.Chen W., Song B. Split Hopkinson (Kolsky) bar: Design, testing, and applications. New York: Springer Science & Business Media, 2011. 388 p.Jankowiak T., Rusinek A., Lodygowski T. Validation of the Klepaczko–Malinowski model for friction correction and recommendations on split Hopkinson pressure bar // Finite elements in analysis and design. 2011. V. 47. № 10. P. 1191–1208.Jankowiak T., Rusinek A., Lodygowski T. Validation of the Klepaczko–Malinowski model for friction correction and recommendations on Split Hopkinson Pressure Bar. Finite elements in analysis and design. 2011; 47 (10): 1191–1208.Klepaczko J., Malinowski Z. Dynamic frictional effects as measured from the split Hopkinson pressure bar // International Union of Theoretical and Applied Mechanics / K. Kawata ed., Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 1977. P. 403–416.Klepaczko J., Malinowski Z. Dynamic frictional effects as measured from the split Hopkinson pressure bar. International Union of Theoretical and Applied Mechanics, K. Kawata Ed., Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 1977. Pp. 403–416.Gray III G.T. Classic split-Hopkinson pressure bar testing // Mechanical testing and evaluation / H. Kuhn, D. Medlin ed. 2000. V. 8. P. 462–476.Gray III G.T. Classic split-Hopkinson pressure bar testing. Mechanical Testing and Evaluation. 2000; 8: 462–476.Gray G.T., Blumenthal W.R. Split Hopkinson pressure bar testing of soft materials // Mechanical Testing and Evaluation / H. Kuhn, D. Medlin ed. ASM International, 2000. P. 488–496.Gray G.T., Blumenthal W.R. Split Hopkinson pressure bar testing of soft materials. Mechanical Testing and Evaluation, H. Kuhn, D. Medlin Eds., ASM International, 2000. Pp. 488–496.Frew D.J., Forrestal M.J., Chen W. Pulse shaping techniques for testing high-strength steel with a split Hopkinson pressure bar // Experimental Mechanics. 2005. V. 45. P. 186–195.Frew D.J., Forrestal M.J., Chen W. Pulse shaping techniques for testing high-strength steel with a split Hopkinson pressure bar. Experimental Mechanics. 2005; 45: 186–195.Forrestal M.J., Wright T.W., Chen W. The effect of radial inertia on brittle samples during the split Hopkinson pressure bar test // International Journal of Impact Engineering. 2007. V. 34 (3). P. 405–411.Forrestal M.J., Wright T.W., Chen W. The effect of radial inertia on brittle samples during the split Hopkinson pressure bar test. International Journal of Impact Engineering. 2007; 34 (3): 405–411.Feng J., Jiang M., Xu H., Li Z., Wu Z. Influence of the end cap deformation of a hollow transmission bar on the hollow split Hopkinson pressure bar test results // International Journal of Impact Engineering. 2017. V. 112. P. 116–124.Feng J., Jiang M., Xu H., Li Z., Wu Z. Influence of the end cap deformation of a hollow transmission bar on the hollow split Hopkinson pressure bar test results. International Journal of Impact Engineering. 2017; 112: 116–124.Салдаева Е.Ю., Цветкова Е.М., Шлычков С.В. Идентификация упругих свойств древесины // Фундаментальные исследования. 2013. № 10. Ч. 12. С. 2625–2629.Saldaeva E.Yu., Tsvetkova E.M., Shlychkov S.V. Identification of elastic properties of wood. Fundamentalnye issledovaniia. 2013; 10 (12): 2625–2629. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.