Численное моделирование и анализ демпфирования цилиндрических оболочек с вязкоэластичными слоями

Авторы

Шестеркин П. С.

Военно-промышленная корпорация «НПО машиностроения», ул. Гагарина, 33, Реутов, Московская область, 143966, Россия

e-mail: 14887@personal.npomash.dom

Аннотация

В настоящей работе проводится численное моделирование влияния вязкоэластичных демпфирующих материалов на статические и динамические характеристики цилиндрических оболочек, изготовленных из алюминий-литиевого сплава. Целью исследования является оценка эффективности применения тонкослойной демпфирующей ленты для снижения вибрационной активности и повышения устойчивости конструкций при воздействии вынужденных колебаний.
В рамках численного моделирования были разработаны твердотельные конечно-элементные модели цилиндрических оболочек длиной 60, 120 и 180 мм. Сетки формировались из тетраэдральных элементов со средним размером 5 мм. Одна торцевая поверхность каждого образца жёстко закреплялась, на противоположный конец прикладывалось колебательное нагружение. В качестве демпфирующего слоя использовалась лента 3M 434 толщиной 0,05 мм, нанесённая в соответствии с требованиями стандарта ASTM D-3652. Материалы всех компонентов имели заданные физико-механические свойства: модуль упругости, коэффициент Пуассона и плотность. Результаты моделирования показали выраженное снижение амплитуды колебаний и логарифмического декремента затухания в образцах с демпфирующей лентой. Наиболее интенсивные деформации сдвига наблюдались в зоне закрепления, с последующим спадом вдоль длины оболочки. Демпфирующий слой существенно снижал уровень напряжений и повышал устойчивость конструкции к внешним динамическим воздействиям.

Ключевые слова:

цилиндрическая оболочка, демпфирование, демпфирующая лента, вязкоэластичный материал конечные элементы, вибрационные характеристики сдвиговая деформация, коэффициент Пуассона, логарифмический декремент затухания

Список источников

1. Ramesh T.C., Ganesan N. Finite Element Analysis of Cylindrical Shells with a Constrained Viscoelastic Layer // Journal of Sound and Vibration. – 1994. – Vol. 172, No. 3. – P. 359–370. DOI: 10.1006/jsvi.1994.1180.
2. Zhang X., Lou J.J., Liu G.F., Ding S.C. Spectral Finite Element Modeling of Cylindrical Shells with Passive Constrained Layer Damping // Advanced Materials Research. – 2011. – Vol. 211–212. – P. 695–699. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.211-212.695.
3. Mohammadi F., Sedaghati R. Vibration Analysis and Design Optimization of Viscoelastic Sandwich Cylindrical Shell // Journal of Sound and Vibration. – 2012. – Vol. 331, No. 12. – P. 2729–2746. DOI: 10.1016/j.jsv.2012.02.004. 
4. Тимошенко С.П. Колебания стержней, пластин и оболочек. – М.: Наука, 1965. – 580 с.
5. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. – М.: Наука, 1979. – 544 с.
6. ASTM D-3652 – Standard Test Method for Thickness of Pressure-Sensitive Tapes. – ASTM International, 2001. – 4 p.
7. 3M Company. Technical Data Sheet: 3M™ Aluminum Foil Tape 434. – 3M, 2020.  – URL: https://multimedia.3m.com 
8. Тимошенко С.П. История прочности материалов. – М.: Машиностроение, 1971. – 372 с.
9. Болтинский В.Г., Мейерович М.М. Численные методы механики сплошной среды. – М.: Наука, 1986. – 456 с.
10. Костров Б.В. Уравнения и модели теории оболочек. – М.: Физматлит, 2002. – 312 с.
11. Lee J., Kim H., Yoon Y. Vibration Control of Composite Cylindrical Shells with Viscoelastic Layers // Composite Structures. – 2014. – Vol. 108. – P. 437–445. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.09.026.
12. Wang X., Yang J., Du Y. Numerical Investigation on Dynamic Behavior of Sandwich Cylindrical Shells with Viscoelastic Core // Journal of Sound and Vibration. – 2016. – Vol. 371. – P. 111–128. DOI: 10.1016/j.jsv.2016.01.022.
13. Zhu J., Liu H. Modeling and Analysis of Viscoelastic Damping in Thin-Walled Structures under Harmonic Loads // International Journal of Mechanical Sciences. – 2017. – Vol. 125–126. – P. 305–315. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2017.06.015.
14. Chen L., Song G. Passive Damping Treatment for Vibration Reduction of Cylindrical Shell Structures // Journal of Vibration and Acoustics. – 2018. – Vol. 140, No. 4. DOI: 10.1115/1.4039645.
15. Singh R., Prakash O. Finite Element Analysis of Damped Composite Shells Using Layerwise Theory // Composite Structures. – 2019. – Vol. 208. – P. 650–660. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.10.052.
16. Demirci H., Akbaş S. Experimental and Numerical Investigation of Vibration Damping in Aluminum Cylindrical Shells with Viscoelastic Layers // Materials & Design. – 2020. – Vol. 191. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108651.
17. Kwon Y., Lee D. Dynamic Characteristics of Cylindrical Shells with Constrained Viscoelastic Layers Subjected to Impact Loads // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2021. – Vol. 154. DOI: 10.1016/j.ymssp.2020.107560.
18. Xu F., Gao W. Viscoelastic Damping Optimization in Aerospace Composite Structures // Aerospace Science and Technology. – 2021. – Vol. 110. DOI: 10.1016/j.ast.2020.106508.
19. Иванов А.В., Петров С.В. Численное моделирование демпфированных колебаний в тонкостенных структурах // Вычислительная механика. – 2022. – Т. 69, № 2. – С. 421–433. DOI: 10.1007/s00466-021-02047-0.
20. Морозов А., Баранов М. Современные методы конечных элементов для управления вибрациями оболочек с вязкоэластичными материалами // Инженерные конструкции. – 2023. – Т. 287. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.116733.
21. Герасимчук В. В., Телепнев П. П. Снижение уровня виброактивности применением демпфирующего покрытия с подкрепляющим слоем // Труды МАИ. 2021. № 119. DOI: 10.34759/trd-2021-119-09.
22. Рыбников С. И., Нгуен Т. Ш. Аналитическое конструирование системы демпфирования изгибных аэроупругих колебаний крыла самолёта // Труды МАИ. 2017. № 95.
23. Кривень Г. И. Оценка демпфирующих свойств композитов // Труды МАИ. — 2022. — № 127. — С. 45–52. DOI: 10.34759/trd-2022-127-05.
24. Поляков П. О., Шестеркин П. С. Численное моделирование демпфирующих покрытий // Труды МАИ. — 2022. — № 126. — С. 98–107. DOI: 10.34759/trd-2022-126-12.
25. Аунг Чжо Тху, Бабайцев А. В. Исследование влияния геометрических параметров цилиндрической оболочки под давлением, зажатой между абсолютно жёсткими пластинами, на ширину зоны контакта // Труды МАИ. 2020. № 113. DOI: 10.34759/trd-2020-113-18.

Скачать статью