авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Метод временного анализа реакции дискретных диссипативных систем в задачах строительной механики

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи



Потапов Александр Николаевич


МЕТОД ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА РЕАКЦИИ

ДИСКРЕТНЫХ ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМ

В ЗАДАЧАХ СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ


Специальность 05.23.17 – «Строительная механика»


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Томск

2003

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете
г. Челябинск).


Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Н.Н. Белов;

доктор технических наук, профессор Б.А. Люкшин,

доктор технических наук, старший научный сотрудник А.А. Светашков.


Ведущая организация - Воронежский государственный архитектурно-

строительный университет.


Защита состоится 17 октября 2003 г., в 14 часов, на заседания диссертационного совета Д 212.265.01 при Томском государственном архитектурнотроительном университете по адресу: 634003, г Томск, пл. Соляная, 2, корп. 5, ауд. 307. Тел. (8-382-2) 65-42-61.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослав 10 сентября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.К. Скрипникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕ?ИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе рассматриваются вопросы динамического расчета дискретных диссипативных систем (ДДС) на нестационарные воздействия в задачах строительной механики. Разработан аналитический подход к интегрированию уравнения колебаний ДДС, представляющий временной анализ общего вида, при котором учитываются внутреннее зрение (на основе линейной модели вязкого сопротивления) и физическая нелинейность материала.

Обоснование темы исследований и ее актуальность. Нужды практики предъявляют весьма жесткие требования надежности и экономичности при создании инженерных конструкций, работающих в условиях усложненного характера современного производства, обусловленного нестационарными воздействиями. В большинстве случаев, для оценки реальной работы динамической системы необходим учет сил неупругого сопротивления (диссипативных сил), оказывающих свое влияние на процесс колебаний. Эго ставит перед динамикой сооружений сложные задачи по построению и разработке более совершенных методов расчета. Обеспечение надежной работы конструкции должно сочетаться с разумной простотой метода, высокой точностью и эффективностью проводимого динамического анализа и, наконец, возможностью получения не только количественных, но и качественных оценок работы конструкции.

При моделирования сооружения дискретной расчетной схемой движение динамической системы описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ). Сведение к ОДУ позволяет использовать один из наиболее эффективных методов анализа дискретных систем - временной анализ реакции. Однако, несмотря на интенсивное развитие методов решения динамических задач дискретного вида, в области диссипативных конструкций временной анализ встречает большие затруднения.

Известные методы построения интеграла Дюамеля связаны только с расчетом линейно-деформируемых систем. При этом успех такого анализа, в значительной мере, зависит от типа используемых моделей демпфирования. Обычно при выборе моделей руководствуются тем, чтобы матрица демпфирования обеспечивала разделение уравнений движения ДДС в нормальных координатах. Для этой цели служат модели пропорционального (однородного) демпфирования. Учет внутреннего зрения в сложных диссипативных системах, не подчиняющихся классическому пропорциональному демпфированию, сильно затрудняет проведение временного анализа, поскольку уравнения движения в общем случае не разделяются в нормальных координатах. Поэтому применение традиционных методов временного анализа к диссипативным системам с «непропорциональным» (неоднородным) демпфированием приводит либо к погрешностям при вычислении реакции (как в методе разложения по собственным формам колебаний соответствующей консервативной системы), либо к трудоемким численным процедурам по построению матрицы импульсных переходных функций (ИПФ) (как в методе функций Грина).

В задачах нелинейных колебаний диссипативных конструкций, когда необходимо учитывать упругопластические или нелинейно-упругие свойства мате-

риала, интеграл Дюамеля не используется для определения реакции сооружения вообще, ввиду крайней труднодоступности временного анализа. Следовательно. при общей предпосылке динамической задачи теория временного анализа ДДС уже в упругой постановке не располагает методами, обеспечивающими надежную оценку динамической реакции сооружения.

Главная причина такого положения дел - в отсутствии разработанных в современной математической литературе эффективных аналитических процедур по решению алгебраической проблемы, которая для задачи колебаний ДДС с упруговязким сопротивлением имеет вид характеристического матричного квадратного уравнения (МКУ). Получившие за последние два-три десятилетия развитие численные методы, основанные на ортогональных преобразованиях, не дают удовлетворительного решения этой проблемы, так как алгоритмы данных методов не учитывают ни специальных свойств решений МКУ, ни его соотношений. Это является сильным тормозом в развитии теории динамического анализа ДДС в целом и требует создания таких методов временного анализа, которые были бы свободны от недостатков существующих подходов.

Отличительная черта предлагаемого подхода перед известными методами состоит в том, что его разрешающие уравнения построены на основе разработанного алгоритма решения МКУ. Метод в достаточной степени универсален. Он позволяет получать замкнутое решение при колебаниях ДДС общего вида, независимо от условий демпфирования и характера внешнего воздействия. Его можно использовать при проведении качественных оценок работы конструкции и при исследовании задач, связанных с вопросами ортогональности собственных форм колебаний и вопросами взаимности в ДДС, относящихся к фундаментальным проблемам строительной механики.

Метод допускает применение сложных постановок задач о действии динамических нагрузок в ДДС, учитывая требования сегодняшнего дня и акцентируя внимание на трудные для традиционного анализа задачи с неустановившимися режимами колебаний. Постановки задач касаются как видов динамических воздействий, так и сценариев нагружений (удары и импульсы различной природы, включая действие периодических импульсов вибрационные силы с неодинаковыми параметрами возбуждения в различных узлах ДДС и т. д.). Кроме того, не теряя общности, данный подход можно использовать в динамическом анализе важнейшего класса нелинейных задач: колебаниях ДДС с нелинейной восстанавливающей силой (при упругопластическом и нелинейно-упругом анализе).

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной развитию метода временного анализа реакции ДДС общего вида, является актуальной.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы, заключающейся в разработке теоретических основ, математического аппарата и технических принципов реализации нового эффективного метода интегрирования уравнений движения ДДС при нестационарном воздействии в задачах строительной механики - метода временного анализа ДДС.

Теоретическую основу метода составляет аналитический аппарат алгебры матриц в сочетании с разработанными приемами анализа МКУ.

Для достижения названной цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Проведение анализа и создание метода решения МКУ, вывод соотношений Виета, исследование структуры и свойств матричных корней МКУ.

2. Построение полной системы разрешающих уравнений метода временного анализа произвольной упругой ДДС (вывод интеграла Дюамеля)

З. Исследование основных свойств разрешающих уравнений динамической реакции ДДС с целью обобщения закона взаимности в упругих диссипативных системах. Установление аналитических соотношений для динамических матриц податливостей, жесткостей, скоростей и импульсов.

4. Разработка и анализ новых моделей неоднородного типа демпфирования. отвечающих реальным условиям колебаний строительных конструкций.

5. Формулировка общих положений (теорем), характеризующих качественные уровни состояний квазиупругой системы и оценки работы диссипативной конструкции.

6. Построение математических моделей расчета ДДС при движении с идеальной упругопластической диаграммой Прандтля на действие кратковременной нагрузки. Вывод полной системы разрешающих уравнений метода временного анализа неупругой реакции ДДС (обобщение интеграла Дюамеля).

7. Разработка технических приемов реализации разрешающих уравнений неупругих колебаний в зависимости от условий состояния квазиупругой системы.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Предложен новый аналитический подход к динамическому расчету ДДС на нестационарные воздействия в задачах строительной механики, - метод временного анализа реакции, базирующийся на разработанном математическом аппарате по решению матричных уравнений линейного и квадратичного видов.

2. Исследованы свойства и структура решения МКУ, доказана обобщенная теорема Виета, показано, что все решения МКУ структурированы в однотипные корневые пары (это понятие введено впервые); предложена итерационная схема определения корней, принадлежащих общей корневой паре; получено условие обобщенной ортогональности матрицы собственных векторов в спектральной задаче квадратичного вида.

З. Получен интеграл Дюамеля, представляющий в замкнутой матричной форме уравнение реакции упругой ДДС при нестационарном воздействии и произвольном типе демпфирования. Впервые в структуре его подынтегрального выражения содержится фундаментальная матрица соответствующего однородного дифференциального уравнения движения, построенная на основе решения МКУ. Исследованы важные для приложений динамики сооружений частные случаи интеграла Дюамеля (удар, импульс, вибрационная нагрузка и др.). Впервые в замкнутом виде решена задача о колебаниях произвольной ДДС на действие периодических импульсов.

4. доказаны теоремы состояний, устанавливающие необходимые и достаточные условия невырожденного (вырожденного) состояния упругопластической конструкции в процессе ее реакции. Получены Двухсторонние априорные

оценки спектральных норм матриц коэффициентов демпфирования и собственных частот в отдельных состояниях квазиупругой системы.

5. Разработаны математические модели неупругого расчета ДДС на основе идеальной упругопластической диаграммы Прандтля. Дано обобщение временного анализа реакция за пределом упругости при действии кратковременной нагрузки. Впервые уравнение реакция упругопластической системы получено в нетривиальной матричной форме интеграла Дюамеля.

6. Предложены новые модели неоднородного типа демпфирования (в рамках линейной теория вязкого сопротивления) для ДДС применительно к нестационарным динамическим задачам строительной механики.

7 Получены соотношения обобщенной ортогональности собственных форм колебаний произвольной упругой ДДС; дана механическая трактовка соотношений ортогональности, вытекающих из принципа Бетти.

8. Дано приложение уравнений реакция произвольной упругой ДДС к доказательству теорем взаимности, вследствие чего: расширена трактовка теорем взаимности и предложен общий метод их доказательства.

9. Впервые показано, что при общих предпосылках динамической задачи выражения векторов динамической составляющей реакции упругой ДДС и соответствующей статической составляющей связаны между собой аналитической зависимостью в виде матричной функция, характеризующей динамический эффект от действия произвольной нагрузки. Получены аналитические соотношения динамических матриц: податливостей, жесткостей, скоростей и импульсов.

На защиту выносятся.

1. Методика временного анализа реакции ДДС общего вида в динамических задачах строительной механики, теоретической основой которой является разработанный аналитический аппарат матричных уравнений.

2. Результаты исследований частных случаев интеграла Дюамеля при действии удара, вибрационной нагрузки, импульса, периодических импульсов и др.

З. Комплекс исследований по результатам анализа МКУ, в частности: свойства и структура матричных корней МКУ; обобщенная теорема Виета, итерационный алгоритм определения корней, принадлежащих общей корневой паре, условие обобщенной ортогональности матрицы собственных векторов.

4. Способ построения моделей демпфирования для учета внутреннего трения произвольной ДДС, основанный на импульсном единичном смещении дополнительных связей.

5. Результаты исследований по соотношениям обобщенной ортогональности собственных форм колебаний произвольной упругой ДДС.

6. Основные закономерности, касающиеся свойств и структуры полной системы разрешающих уравнений произвольной упругой ДДС, приводящие к выводу матричной функция, характеризующей учет динамического эффекта, и к общей схеме доказательства соотношений взаимности в диссипативных системах.

7. Теоремы состояний, формулирующие условия невырожденного (вырожденного) состояния конструкции при упругопластическом деформировании и двухсторонние априорные оценки спектральных норм матриц коэффициентов демпфирования и собственных частот.

8. Математические модели упругопластического расчета ДДС на действие кратковременной нагрузки; методика временного анализа реакции за пределом упругости, основанная на предложенных математических моделях (алгоритм, технические приемы реализации и программа расчета).

Достоверность результатов исследования подтверждается: использованием в диссертации теоретически обоснованных методов строительной механики в соединении с методами высшей математики и аппаратом матричной алгебры; замкнутой формой выведенного интеграла Дюамеля при упругих колебаниях ДДС и сравнением его частных случаев при численном решении конкретных динамических задач с известными в литературе решениями; корректным применением математических моделей неупругого расчета, обеспечивающих замкнутое решение в шаговом процессе на всех квазиупругих интервалах движения системы; получением известных классических результатов, вытекающих из общих соотношений в предельных частных случаях.

Практическая ценность работы определяется следующими положениями.

1. Общее уравнение реакции системы - интеграл Дюамеля - обладает относительно простой математической формой записи, свойственной матричной формулировке задачи. Особенно простую и компактную форму имеют его частные представления (при ударе, вибрационном воздействии и т. д.). Все вычислительные операции по данным формулам сводятся к элементарным действиям над матрицами. Поэтому данная методика временного анализа может быть рекомендована проектным организациям и различным строительным фирмам.

2. Получено решение важного в прикладном отношении класса динамических задач о колебаниях ДДС под действием периодических импульсов. Решение такого рода задач существующими методами не представляется возможным из-за сложности учета внутреннего трения в конечномерных системах.

3. Открывается возможность получения априорных оценок спектральных динамических параметров ДДС не только в процессе упругопластического решения задачи, но и на этапе, предваряющем расчет.

4. Выведенный интеграл Дюамеля сам является инструментом анализа диссипативных систем, который можно использовать как при получении соотношений взаимности, так и для построения разнообразных практических методов расчета динамических конструкций в задачах строительной механики.

5. Разработаны расчетные алгоритмы и программы по решению МКУ, которые легко адаптируются применительно к широкому спектру задач о свободных и вынужденных колебаниях ДДС. Данные алгоритмы могут быть реализованы в различных приложениях строительной механики и теории упругости. Разработаны алгоритмы и прикладные программы по вычислению упругой и упругопластической реакции каркасных многоэтажных зданий с плоской и пространственной расчетной схемой на нестационарные воздействия.

6. На основе разработанного метода временного анализа вычисленные значения параметров реакция системы в упругой и упругопластической стадии могут быть использованы при оценке погрешностей приближенных решений, полученных различными численными методами и алгоритмами.

7. Динамический анализ упругопластических ДДС легко распространяется на нелинейно-упругие задачи, что значительно расширяет класс физически-нелинейных задач строительной механики, решаемых по методике временного анализа. При этом переход от схемы упругопластического анализа к схеме нелинейно-упругого временного анализа осуществляется с минимальными затратами, связанными с коррекцией математических моделей расчета.

Проведенные в работе исследования выполнены в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре строительной механики ЮУрГУ, по теме «Разработка теории и методов расчета де- формируемых систем при нестационарных внешних воздействиях» (№ государственной регистрации 01.980 006125, наименование этапа: «Разработка теории, методов и программ расчета диссипативных систем при нестационарных статических и динамических воздействиях в упругой и упругопластической стадии», 1998.). С 1997 г. по 2000 г. работы проводились при финансовой поддержке Министерства образования РФ: грант по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук 1997-1998 гг. (тема проекта: «Решение некоторых задач строительной механики методом сведения к матричному квадратному уравнению»), грант по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук 1999-2000 гг. (тема проекта: «Использование интеграла Дюамеля в неупругом динамическом анализе конструкций»).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.