Математическое моделирование процессов взаимодействия вязкой жидкости с тонкостенными ребристыми элементами гидродинамических демпферов и трубопроводов

Актуальность работы Запросы современного машинои приборостроения ведут к необходимости построения математических моделей систем упругая тонкостенная конструкция-жидкость-твердое тело и исследований на их основе динамических задач гидроупругости. Это связано с тем, что современные машины, приборы и агрегаты, как правило, представляют собой механические системы, включающие в себя абсолютно жесткие, упругие тела и жидкости, со сложными динамическими взаимосвязями между ними. Текущий уровень развития машинои приборостроения не мыслим без широкого использования в качестве основных элементов машин и приборов, испытывающих динамические нагрузки, упругих тонкостенных пластин и оболочек. Данные тонкостенные элементы в зависимости* от конструкционных и технологических особенностей изделий могут быть подкреплены ребрами жесткости. Такие решения позволяют сохранять необходимую прочность важнейших узлов изделий, а также обеспечивать уменьшение материалоемкости, габаритов и массы машин и приборов, увеличение теплообмена с окружающей средой. Например, пластинка или оболочка могут иметь технологические ребра жесткости для обеспечения жесткости конструкции, отвода тепла или закрепления на них других элементов конструкции. Следует также отметить, что во многих машинах и приборах также широко применяются различные рабочие жидкости с целью снижения трения, охлаждения, восприятия динамических нагрузок, поплавкового или гидродинамического1 подвеса, демпфирования колебаний и ударных нагрузок и т. д.

В конструкциях различных реальных изделий, жидкость, как правило, находится во взаимодействии с упругими тонкостенными элементами [3, 4, 12−17, 19, 20, 24, 31, 32−34, 41−44, 47−51, 53, 55, 56−61, 64, 65, 76, 80−87 92−106, 111, 116−119, 121, 122, 124−129, 131]. При этом условия эксплуатации различных машин и приборов сопряжены со значительными вибрационными и ударными нагрузками. Поэтому в машинои приборостроении находят широкое применение различные системы виброгашения на базе гидродинамических демпферов и виброопор. В связи с этим актуальным становится проведение исследования динамики взаимодействия ребристых тонкостенных конструкций, входящих в состав гидродинамических демпферов и опор с рабочей жидкостью. Таким образом, уже на этапе проектирования систем виброгашения возникает потребность в расчете и оценке поведения системы ребристая пластина-жидкость при динамических нагрузках, а это сопряжено с постановкой и решением динамической задачи гидроупругости гидродинамического демпфера, в состав которого входит ребристая тонкостенная конструкция.

Одними из основных элементов конструкций современных машин, приборов и различных инженерных сооружений являются трубопроводы. Они служат для подвода (отвода) различных жидкостей. Например, это трубопроводы систем гидропривода, систем охлаждения, систем, смазки, систем подачи топлива, систем дозирования и т. д. В большинстве случаев данные трубопроводы состоят из цилиндрических труб с I круглым.

С. поперечным сечением. При этом толщина стенок трубопроводов значительно меньше их радиуса, т. е. стенки трубопроводов обладают упругой податливостью, а трубопроводы можно рассматривать как цилиндрическую оболочку [33, 34, 56−58, 60−61, 87, 95, 98, 119, 124, 128, 131]. В ряде случаев указанные трубы могут иметь внешние ребра жесткости в виде шпангоутов. Ребра жесткости могут выполняться для увеличения жесткости трубопровода, а также иметь технологический характер, например, для крепления других элементов конструкции, осуществления теплообмена, и т. д. Рассматривая движение жидкости по трубопроводам машин и> приборов можно отметить, что ламинарное движение жидкости по круглым цилиндрическим трубам достаточно широко распространено в различных отраслях современного машинои приборостроения. Например, с указанным случаем приходится иметь дело в системах гидропривода, системах дозирования, подвода топлива и т. д. [21, 55, 83, 95, 98, 99, 1 16]. При этом давление в ламинарном потоке может иметь гармоническую составляющую (пульсировать) за счет особенностей работы насосов [21, 55, 60, 61, 74, 87, 95, 98]. Это может приводить к возникновению существенных вибраций трубопроводных систем. На резонансных частотах упругие перемещения стенок трубопроводов будут максимально возможными, а это может приводить к появлению разрывов в жидкости и возникновению вибрационной кавитации в проходящем потоке жидкости. В результате этого могут наблюдаться кавитационные повреждения стенок трубопровода [18, 21, 28, 46, 55, 59, 63, 83, 91, 97, 98, 108, 111, 123].

С учетом сказанного, можно констатировать, что исследование динамики взаимодействия пульсирующего ламинарного потока жидкости с цилиндрической оболочкой, по которой он движется, является актуальной для современного машинои приборостроения.

Следует отметить, что описанный выше вид кавитационного износа часто встречается на поверхностях деталей, работающих в различных условиях, и в жидкостях с различными физическими свойствами. Например, кавитационные разрушения, вызванные вибрацией деталей, встречаются на поверхности коренных и шатунных подшипников, на деталях топливоподающей системы, в насосах и т. д. [21, 28, 55, 83, 111]. Поэтому ' необходима разработка методов, позволяющих определять условия возникновения вибрационной кавитации, что напрямую связано с постановкой и решением динамических задач гидроупругости.

Таким образом, представляет несомненный как научный, так и практический интерес математическое моделирование указанных процессов, таких как постановка и решение динамических задач гидроупругости геометрически регулярной и ребристой пластины применительно к вибродемпферу, а также задачи гидроупругости ребристой оболочки применительно к трубопроводу, нацеленных на исследование проблем динамики и прочности в различных отраслях машинои приборостроения.

На сегодняшний день известно значительное число работ [3, 4, 19, 20, 24, 26, 29, 31−34, 39−44, 47−51, 53, 56−61, 64, 66, 71, 80−87, 116−131], посвященных исследованию динамики взаимодействия твердых и упругих тонкостенных конструкций с окружающей средой. Однако в данных работах практически не рассмотрены задачи взаимодействия вязкой несжимаемой жидкости с геометрически нерегулярной пластинкой или оболочкой применительно к гидродемпферу и трубопроводу с пульсирующим ламинарным потоком.

Одной из первых работ, посвященных вопросу взаимодействия сдавливаемого слоя вязкой несжимаемой жидкости с упругими стенками, можно считать работу [15]. В ней рассмотрен вопрос о постановке задачи гидроупругости применительно к тонкому слою жидкости, находящейся в щелевом канале одна из стенок которого обладает упругой податливостью.

Приближенный учет влияния упругой податливости элементов конструкций, взаимодействующих с жидкостью, применительно к жидкостному демпферу поплавковых гироскопических приборов осуществлен в работах [65, 66]. В частности, в работе [65] проведено исследование влияния упругой деформации сильфона и кронштейна выносного элемента на вибрационные погрешности акселерометра. В работе [66] проводится приближенный учет упругой податливости корпуса поплавкового акселерометра. Прогиб корпуса прибора, в данной работе, моделируется при помощи двухзвенных балок с прямолинейными звеньями и точкой излома при жесткой заделке обоих концов.

В более общем виде постановка и решение динамических задач гидроупругости для жидкостных демпферов поплавковых приборов рассмотрена в работах [12−15, 17, 64, 83]. В указанных работах разрабатывался подход, связанный с совместным использованием теории цилиндрических оболочек [25, 38, 52, 89, 110, 114] и современных методов гидродинамики [30, 69, 70, 72, 74, 115]. В рамках данного подхода упругие тонкостенные элементы конструкции прибора рассматриваются как цилиндрическая оболочка [12−15, 17, 64, 83]. При этом в указанных работах показано крайне существенное влияние упругой податливости элементов жидкостного демпфера прибора на его динамику и вибрационные погрешности.

Однако, целый ряд приборов имеет в своей конструкции поплавки с технологическими ребрами жесткости. Поэтому становится актуальной постановка более общей задачи — динамической задачи гидроупругости геометрически нерегулярной тонкостенной конструкции применительно к жидкостному демпфированию в поплавковых приборах навигации. Данная задача была рассмотрена в работах [81, 85] с помощью привлечения теории ребристых оболочек [2, 7, 8, 22, 23, 35, 36, 45, 54, 77−79, 109]. При этом показано, что наличие технологических ребер может сказываться как положительно, так и отрицательно на динамику и вибрационные погрешности приборов.

С другой стороны, в различных изделиях современного машинои приборостроения находят широкое применение гидродинамические демпферы (опоры). В частности, в слабонагруженных устройствах приборного типа получили распространение так называемые гидродинамические демпферы (виброопоры) [101,103, 105, 107], работающие за счет периодических колебаний основания (вибростенда). В связи с этим представляют интерес исследования динамики данных опор с учетом упругой податливости элементов их конструкций, взаимодействующих с рабочим слоем жидкости. При этом, для рассмотрения наиболее общего случая необходимо проведение исследования с учетом возможности подкрепления упругих элементов демпфера ребрами жесткости.

При постановке указанной задачи необходимо учесть влияние, как вязкости жидкости, так и инерции ее движения. В ранних работах [39, 65, 66, 120] инерция движения поддерживающего и демпфирующего слоя жидкости либо совсем не учитывалась, что соответствует ползущим течениям при числе Рейнольдса стремящемся к нулю, либо учитывалась с помощью метода итераций, что соответствует малому по сравнению с единицей числу Рейнольдса.

В работах [9−11] применен метод осреднения инерционных членов уравнения динамики жидкости с введением поправочных коэффициентов, учитывающих нестационарность профиля скорости. Но данный метод эффективен при малых числах Рейнольдса. Более точно учет влияния инерции жидкости, осуществлен в работах [12−15, 17, 64, 83] для режима установившихся гармонических колебаний.

Задача установившегося ламинарного движения жидкости под действием гармонически изменяющегося перепада давления в цилиндрической трубе рассмотрена в [74]. В известной монографии [112] проведено исследование о приведении в движение покоящейсяв круглой цилиндрической трубе вязкой несжимаемой жидкости под действием внезапно приложенного заданного перепада давления. В указанных работах рассматривается осесимметричное ламинарное движение жидкости. При этом стенки трубы считаются абсолютно твердыми. Однако, хорошо известно, что толщина стенки трубы значительно меньше ее радиуса, а, следовательно, трубу необходимо рассматривать, как упругую цилиндрическую оболочку. Кроме того, упругая податливость труб подтверждается практикой. В связи с этим становится актуальным проведение исследования о динамике взаимодействия цилиндрической оболочки с пульсирующим ламинарным потоком вязкой несжимаемой жидкости. Кроме того, возможен случай, когда оболочка-труба имеет ребра жесткости на ее внешней поверхности. Данный случай актуален, так как на практике используют трубы, подкрепленные внешними ребрами жесткости.

21, 95]. Ребра жесткости могут выполняться для увеличения жесткости трубопровода, а также иметь технологический характер, например, для крепления других элементов конструкции, осуществления теплообмена и т. д.

Учитывая вышесказанное, следует отметить, что запросы современного машинои приборостроения приводят к необходимости построения математических моделей сложных механических систем, состоящих из разнородных тел, и имеющих в своем составе геометрически регулярные и нерегулярные упругие тонкостенные конструкции, взаимодействующие с жидкостью. Исследование данных моделей неразрывно сопряжено с необходимостью постановки и решения динамических задач гидроупругости тонкостенных конструкций подкрепленных ребрами жесткости.

Таким образом, можно определить цель исследования и сформулировать задачи исследования, направленные на постановку и решение динамических задач гидроупругости применительно к демпферам и трубопроводам, имеющим ребра жесткости.

Исследования, выполненные в работе, проводились в рамках комплекснойвнутривузовской научно-технической программы СЕТУ 01 В «Математическое моделирование в естественных науках», грантов РФФИ № 06−08−43а и № 08−01−290а и приняты для использования ФГУП «Саратовский агрегатный завод».

Цель работы. Построение математических моделей гидроупругости ребристых тонкостенных конструкций и исследование на их основе динамики гидродинамических демпферов и трубопроводов в условиях вибрации;

Согласно данной цели сформулированы задачи исследования:

1. Постановка динамических задач гидроупругости > гидродинамического демпфера в виде опоры, в состав которой входит, тонкостенный статор, в том числе подкрепленный ребрами жесткости, а также разработка математической модели данной опоры в условиях воздействия вибрации.

2. Решение поставленных динамических задач гидроупругости гидродинамического демпфера в виде опоры с упругим тонкостенным геометрически регулярным или ребристым статором.

3. Постановка динамической задачи гидроупругости цилиндрической оболочки с внешними ребрами жесткости в виде шпангоутов, внутри которой происходит пульсирующее движение вязкой несжимаемой жидкости, а также разработка математической модели данной механической системы.

4. Решение поставленной динамической задачи гидроупругости цилиндрической оболочки, подкрепленной внешними шпангоутами, внутри которой происходит пульсирующее движение вязкой несжимаемой жидкости.

5. Исследование динамических характеристик гидродинамического демпфера с упругими геометрически регулярным и ребристым статором и трубопровода, подкрепленного внешними шпангоутами.

Научная новизна. Главной особенностью предлагаемой работы является, развитие нового подхода для исследованиядинамики гидродинамических демпферов и трубопроводов, применяемых в машинах и приборах, на базе постановки и решения динамических задач гидроупругости тонкостенных геометрически регулярных и нерегулярных конструкций. Данный подход связан с построением и исследованием математических моделей сложных механических систем, состоящих из упругих тонкостенных конструкций, твердых тел и жидкости, наиболее полно приближенных к оригиналу, разработкой подходящих форм записи разрешающих дифференциальных уравнений и методов их интегрирования, приемлемых для современной инженерной практики в машинои приборостроении. Поставленные в рамках предлагаемого подхода динамические задачи гидроупругости оказываются весьма информативны, и позволяют, в широком диапазоне параметров, наиболее полно анализировать динамический отклик элементов машин и приборов на динамические нагрузки. Разработанные в работе подходы дают возможность получения новых результатов, служащих ключом к пониманию причин и условий возникновения резонанса колебаний в исследуемых машинах и приборах, и, как следствие, вибрационной кавитации на поверхности тел, взаимодействующих с жидкостью.

Новые научные результаты работы состоят в следующем:

1. Представлена новая математическая модель гидродинамического демпфера, в которой впервые учтена упругая податливость статора и возможность его подкрепления ребрами жесткости совместно с упругой податливостью подвеса абсолютно твердого вибратора, а также инерция движения слоя вязкой несжимаемой жидкости.

2. Выведены новые уравнения динамики цилиндрической оболочки с ребрами жесткости, представляющими собой внешние шпангоуты, а также уравнения ребристой балки-полоски.

3. Предложена новая математическая модель трубопровода, в которой учтена упругая податливость трубы как цилиндрической оболочки с внешними 1 ребрами жесткости в виде шпангоутов и ее взаимодействие с протекающим в ней ламинарным пульсирующим потоком вязкой несжимаемой жидкости.

4. Получены аналитические решения сформулированных задач гидроупругости гидродинамических демпферов и трубопроводов с ребристыми тонкостенными элементами конструкций, построены их амплитудные частотные характеристики (АЧХ) и фазовые частотные характеристики (ФЧХ).

5. Показано наличие двух резонансных частот у вибратора и трех резонансных частот у статора демпфера для режима установившихся вынужденных гармонических колебаний. При этом выявлено, что наличие ребер жесткости у статора приводит к сдвигу резонансных частот в высокочастотную область и подавлению амплитуд колебаний вибратора и статора на средних и высоких частотах.

6. Установлено, что наличие произвольных ребер жесткости существенно искажает форму колебаний оболочки. При вынужденных колебаниях под действием гармонически пульсирующего потока жидкости показано, что у гладкой оболочки на главной моде наблюдаются четыре резонансные частоты. При этом установлено, что наличие ребер жесткости не изменяет количество резонансных частот, но существенно сказы ваетсяша? АЧХ.

Достоверность полученных результатов достигается физически и— математически корректной' постановкой задач, использованием вариационных принципов^ вывода уравнений, классических математических методов и известных методов возмущений, применением основополагающих и хорошо апробированных принципов и подходов теории ребристых пластин и оболочек, теоретической механики и гидромеханики. Полученные результаты согласуются: с имеющимисяфизическими представлениями: и известными экспериментальными’данными-.

•, г.

Практическая?- ценность и реализациярезультатов. Результаты, полученные в диссертационной? работе, могут найтиприменение при' моделировании? динамики сложных механических систем, включающих в себя: абсолютно жесткие, геометрически регулярные и нерегулярные тонкостенные конструкции и жидкость. Разработанные: математические модели" № подходы дляг решения? динамических задачгидроупругости также могут быть использованы в современном машинои•приборостроении!для исследования динамики и прочности современныхмашинприборови аппаратуры. В> частности, данные методы применимы дляопределения-резонансных частот колебаний тонкостенных конструкций-, взаимодействующих с жидкостью-, оценкш возможности? возникновения вибрационной5- кавитациив жидкости, и, как следствие, кавитационной коррозииэлементов конструкции. Кроме тогостановится, возможным, оценивать вклад в явление вибрационной кавитации физических свойств жидкости и тонкостенных конструкций, конструкционных и технологических особенностей машин и приборов, таких как наличие ребер жесткости на поверхности тонкостенных конструкций.

Разработанные математические модели позволяют проектировать высокоэффективные и малоэнергоёмкие механические вибраторы для различных технологических процессов. Например, вибраторы-кавитаторы для создания кавитационного поля в воде для её бактериологической очистки, или вибраторов для создания оптимальных условий и ускорения пропитки пористых изделий жидкостью.

Результаты, полученные в работе, и построенные математические модели дают возможность разработчикам машин и приборов уже на этапе проектирования, исходя из известного частотного диапазона вибраций, выбрать наиболее оптимальные параметры данных изделий, а также обеспечивать их безкавитационную работу. Найденное в диссертации аналитическое решение дает возможность при использовании ПЭВМ существенно увеличить скорость расчетов и строить высокоэффективные САПР сложных механических систем. Кроме того, проводить математическое моделирование, нацеленное на определениевлияния различных факторов на динамику и прочность разрабатываемых машин, приборов и аппаратуры.

Результаты диссертационной работы:

— получены в рамках комплексной внутривузовской научно-технической программы СГТУ 01 В «Математическое моделирование в естественных науках» Саратовского государственного технического университета.

— использованы при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ № 06−08−43а «Задачи упругогидродинамики тонкостенных конструкций в машинои приборостоении», по направлению 08 — фундаментальные основы инженерных наук;

— приняты к внедрению для модернизации и разработки новых изделий.

Федеральным государственным унитарным предприятием «Саратовский агрегатный завод».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (РАН Институт проблем точной механики и управления, Саратов, 2006, 2007), XIII, XIV Международных симпозиумах «Динамические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А. Г. Горшкова (Москва-Ярополец, МАИ, 2007, 2008), конференции молодых ученых СГТУ (Саратов, СГТУ 2007), Второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций (Нижний Новгород, 2007).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ [92−106], из них 3 работы [98, 103, 104] в профильных периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикации основных результатов кандидатских диссертаций [98, 103, 104].

На защиту выносятся следующие положения: /.

1. Предложенные новые математические модели гидродинамических демпферов, позволяют учитывать упругую податливость статора, а также возможность подкрепления его ребрами жесткости, совместно с учетом упругой податливости подвеса абсолютно твердого вибратора и инерции движения жидкости в условиях вибрации основания, на котором установлены демпферы. Математическое моделирование задач гидроупругости демпферов дает возможность оценки влияния указанных новых факторов, на их резонансные колебания.

2. -Построенные в работе математические модели трубопроводов позволяют исследовать динамику взаимодействия упругой оболочки-трубы, в том числе имеющей внешние ребра жесткости, с ламинарным пульсирующим потоком вязкой несжимаемой жидкости двигающимся внутри них. Математическое моделирование задач гидроупругости трубопроводов, геометрически регулярных или подкрепленных внешними ребрами жесткости, открывает возможность оценки влияния геометрической нерегулярности поверхности трубопроводов на их упругие колебания, в том числе, и для целей проведения вибрационной диагностики.

3. Построенные амплитудные и фазовые частотные характеристики рассматриваемых демпферов и трубопроводов с учетом упругой податливости элементов их конструкций и инерции движения жидкости, а также найденные резонансные частоты и значения коэффициентов динамичности при них, позволяют оценивать критические частоты, при которых возможна вибрационная кавитация в жидкости.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех, глав, заключения, спискам используемой литературы. Объем диссертации 174 страницы, из них 5 страниц приложений. В. диссертации 34 рисунка и 12 таблиц. Список используемой: литературы включает 131 наименование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенное в диссертационной работе исследование позволяет на основе полученных результатов сделать следующие выводы.

В работе предложена новая физическая модель сложной^ механической системы, состоящей из упругой ребристой пластины, взаимодействующейс твердым телом, имеющим упругий подвес, черезслойвязкой несжимаемойжидкости, находящейся между ними. Данная модель, как базовая, позволяет в рамках предложенного единого подхода исследовать динамику взаимодействия сдавливаемого слоя жидкости с геометрически нерегулярной и регулярной пластиной применительно к гидродинамическим демпферам (опорам). Сформулированы основные положения и допущения для построения математической модели рассматриваемой-механической системы и постановки динамических задач гидроупругости.

Используя вариационный интегральный методГамильтонаосуществлен вывод уравнения динамики пластины с односторонними продольными ребрами жесткости, а также уравнений динамикицилиндрической оболочки с внешними ребрами жесткости в виде шпангоутов. Полученные уравнения являются весьма информативными и позволяют, в частных случаях, осуществлять переходы' к. известным уравнениям динамики гладкой пластины и уравнениям динамики цилиндрической оболочки.

В диссертации в рамках единых подходов' разработаны и исследованы, новые математические модели сложных механических систем, состоящих из гладкой-или ребристой пластины, взаимодействующей’с.абсолютно-жестким, телом^, имеющим упругий подвес, черезсдавливаемыйслойжидкости. Осуществлена постановка новых динамических задач гидроупругости геометрически регулярных и нерегулярных тонкостенных конструкций, применительно к гидродинамическим демпферам (опорам), установленным на вибрирующем основании. Выделены малые параметры задач гидроупругости и решена сложная задача по формированию безразмерных переменных для исследования разномасштабных динамических процессов в гидродинамическом демпфере (опоре). За малые параметры приняты относительная толщина рабочего слоя жидкости и относительная амплитуда колебаний вибратора демпфера (опоры).

Осуществлено решение сформулированных связанных нелинейных задач гидроупругости демпфера (опоры) с упругим ребристым статором и статором, не имеющим ребер жесткости. Для решения задач использован метод возмущений и рассмотрен режим установившихся вынужденных гармонических колебаний. Показано, что для исследования динамики гидродинамического демпфера (опоры) достаточно рассмотрения одночленного асимптотического разложения по относительной амплитуде колебаний вибратора. Записана реакция, действующая со стороны слоя рабочей жидкости на абсолютно жесткий вибратор демпфера (опоры). Найдено решение сформулированных задач гидроупругости для первого члена асимптотического разложения и определены: гидродинамическое давление в сдавливаемом слое вязкой несжимаемой жидкости демпфера ' (опоры), прогибы геометрически нерегулярного или регулярного статора, а также закон движения вибратора. На базе полученного решения построены амплитудные и фазовые частотные характеристики гидродинамического демпфера (опоры) с упругим ребристым статором и упругим статором, не имеющим ребер жесткости.

Проведено математическое моделирование резонансных колебаний гидродинамических демпферов (опор) с различными статорами. Осуществлено сравнение модели демпфера с геометрически нерегулярным статором (имеющим одно, два или три ребра жесткости) с моделью, в которой статор, не имеет ребер жесткости. Данное моделирование показало наличие двух резонансных частот у вибратора и трех резонансных частот у статора. Первая резонансная частота, как вибратора, так и статора определяется инерционными свойствами слоя вязкой несжимаемой жидкости. Вторая резонансная частота вибратора определяется жесткостью подвеса вибратора и его массой, а также жесткостью статора. При этом две резонансные частоты у вибратора и статора практически совпадают, что объясняется «переговорами» вибратора и статора. Третья резонансная частота статора, в основном, определяется жесткостью статора и его массой.

Выявлено, что наличие ребер жесткости у статора приводит к сдвигу резонансных частот в высокочастотную область. При этом первая резонансная частота, соответствующая низкочастотному диапазону, сдвигается крайне незначительно (порядка 1−2%). Эта особенность I характерна как для статора, так и для вибратора. Данная резонансная частота, в основном, определяется присоединенной массой жидкости (то есть инерцией слоя жидкости). Поэтому изменение жесткости, вызванное наличием ребер жесткости, оказывается, незначительным по сравнению со значением присоединенной массы жидкости на данной частоте. С другой: стороны, ребра жесткости оказывают существенное влияние на вторую ¦ резонансную частоту вибратора и на вторую и третью резонансные частоты > статора. В частности, в случае ребристого статора резонансные частоты оказываются большими (до 2−3,3 раз), то есть происходит сдвиг резонансных частот в высокочастотную область.

Проведенное исследование показало существенное снижение амплитуд колебаний (в 3−4 раза) как вибратора, так и статора при использовании ребристого статора. Использование маловязких жидкостей (например, воды) приводит к существенному возрастанию амплитуд колебаний (свыше 20 раз) (и коэффициентов динамичности). Также, расчеты показали, что уменьшение толщины слоя жидкости ведет к подавлению амплитуд колебаний. Расчётные значения амплитуд колебаний вибратора не превышают десятков микрон, и путём численного моделирования подтверждена правомерность введения в качестве малого параметра относительной амплитуды колебаний вибратора.

Показано положительное влияние ребер жесткости статора на подавление амплитуд колебаний, как вибратора, так и статора гидродинамического демпфера на средних и высоких частотах. А также для эффективного подавления амплитуд колебаний на резонансных частотах следует уменьшать рабочий зазор между статором и вибратором и использовать рабочие жидкости с высокой вязкостью.

В работе рассмотрена постановка и решение динамической задачи гидроупругости применительно к геометрически регулярному и нерегулярному трубопроводу с гармонически пульсирующим ламинарным потоком вязкой несжимаемой жидкости. Трубопровод представляется в виде упругой цилиндрической оболочки или цилиндрической оболочки, имеющей ребра жесткости в виде внешних шпангоутов. Для рассматриваемой механической системы сформулирована динамическая задача гидроупругости в размерном и безразмерном виде. Сформированы комплексы безразмерных переменных и выделены малые параметры задачи. ' В качестве малых параметров выбраны относительный радиус оболочки и относительная амплитуда прогибов оболочки. Решение задачи. гидроупругости представляется в виде асимптотического разложения по относительному прогибу оболочки. Рассматривая нулевое приближение, определены законы распределения скоростей и давления в потоке жидкости, а также упругие перемещения ребристой оболочки и гладкой оболочки. Найдены выражения для амплитудных частотных характеристик перемещений и прогиба. Проведено численное исследование резонансных колебаний в рассматриваемой механической системе.

Моделирование показало, что наличие произвольных ребер жесткости существенно искажает форму колебаний оболочки. В частности, в случае симметричного расположения ребер, с одинаковой высотой и шириной, относительно центра координат форма упругих перемещений ребристой оболочки совпадает с формой упругих перемещений гладкой оболочки (на главной моде), однако их амплитудные частотные характеристики остаются различными.

Проведенные расчеты позволили установить, что, рассматривая вынужденные колебания гладкой оболочки под действием гармонически пульсирующего потока жидкости, на главной моде можно выделить четыре резонансные частоты. В случае наличия на оболочке симметричных ребер жесткости наблюдается незначительный сдвиг резонансных частот (на 2−8%) в область более высоких частот и незначительное снижение амплитуд колебаний (до 10−30%). Однако общее число резонансных частот не меняется и остается равным четырем (как и для гладкой оболочки). При этом наиболее существенное влияние ребра жесткости оказывают на амплитудную частотную характеристику составляющей продольного перемещения не зависящей от продольной координаты £/0(г). Изменяется форма данной характеристики и на ней возникают два резонансных пика. В случае гладкой г оболочки на данной составляющей резонансных колебаний не наблюдается, ее форма носит быстрозатухающий характер.

Моделирование позволило выявить, что в случае несимметричного расположения шпангоутов вдоль оболочки значения резонансных частот и амплитуд колебаний (по сравнению с оболочкой с симметричными ребрами жесткости существенно не изменяются), в тоже время, происходит существенное изменение формы АЧХ и появляются дополнительные пять АЧХ. При этом на всех АЧХ наблюдается по четыре резонансные частоты (четыре резонансных пика) и их значения для различных АЧХ практически совпадают. Таким образом, установлено, что при вынужденных, колебания ребристой оболочки с несимметричными ребрами наблюдаются четыре резонансные частоты, и, следовательно, ребра жесткости (выполненные симметрично или несимметрично) не изменяют количество резонансных частот по сравнению с гладкой оболочкой, но существенно изменяют форму АЧХ. Показано, что факт появления дополнительных АЧХ с существенно измененной формой, может быть использован для неразрушающей вибрационной диагностики состояния внешней поверхности трубопровода.

Расчётные значения амплитуд прогибов оболочки при перепадах давления до 104 Па даже для маловязкой жидкости (вода) не превышают сотен микрон. Следовательно, путём численного моделирования подтверждено введённое при постановке задачи предположение о малости амплитуд прогибов оболочки-трубопровода. Также, расчеты показали, что увеличение вязкости перекачиваемой жидкости ведет к существенному подавлению амплитуд колебаний оболочки-трубопровода. При замене вязкой жидкости (нефтепродукты) на воду наблюдается незначительное снижение резонансных частот, вызванное увеличением плотности, и увеличение амплитуд колебаний до 9 раз.

Результаты диссертационной работы могут найти применение при моделировании динамики сложных механических систем, включающих в себя абсолютно жесткие, геометрически регулярные и нерегулярные тонкостенные конструкции и жидкость, а также для развития методов неразрушающего контроля и «определения частот колебаний, ' соответствующих условиям возникновения кавитационной коррозии. Таким образом, разработанные математические модели и подходы для решения динамических задач гидроупругости могут быть использованы в современном машинои приборостроении для исследования динамики и прочности современных машин, приборов и аппаратуры.

Проведенное в диссертации исследование в соответствии с поставленной целью позволило1 решить все сформулированные задачи на основе предложенного единого подхода к постановке, решению и математическому моделированию динамических задач гидроупругости ребристых тонкостенных конструкций применительно к гидродинамическим демпферам (опорам) и трубопроводам, применяемых в машинах и приборах.