Методика определения динамических параметров материала при свободных колебаниях

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.

1. Аманов 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Смирнов В.А. Сравнительные динамические характеристики конструкционных материалов // Academia. Архитектура и строительство. 2022. № 3. С. 117–131.

6. Южина Т.Н. Исследование динамических свойств древесины при одноосном сжатии // Проблемы прочности и пластичности. 2022. № 3. С. 420–431.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Perrone N. On the use ring test determination of rate sensitive material constants // Experimental Mechanics. 1968. V. 5. P. 232–236.

16. Кокошвили С.М. Методы динамических испытаний жестких полимерных материалов. Рига : Зинатне, 1978. 182 с.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

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. V. 11. 713. P. 21.

22. 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.

23. 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.

24. Chen W., Song B. Split Hopkinson (Kolsky) bar: design, testing, and applications. New York : Springer Science & Business Media, 2011. Р. 388.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. Салдаева Е.Ю., Цветкова Е.М., Шлычков С.В. Идентификация упругих свойств древесины // Фундаментальные исследования. 2013. № 10. Ч. 12. С. 2625–2629.