Математические модели нелинейной вязкоупругости с операторами дробного интегро-дифференцирования
Автор: Огородников Е.Н., Радченко В.П., Унгарова Л.Г.
Статья в выпуске: 2, 2018 года.
Бесплатный доступ
На основе метода структурного моделирования и гипотезы Больцмана-Вольтерры о наследственно упругом деформируемом твердом теле рассмотрены линейные и нелинейные дробные аналоги классических реологических моделей: Ньютона (так называемая модель Скотт Блэра), Фойхта, Максвелла, Кельвина и Зенера с использованием аппарата дробного интегро-дифференцирования Римана-Лиувилля. Выделены классы нелинейных математических моделей, для которых решение задачи ползучести удается получить в явном виде в терминах известных специальных функций. Разработана методика идентификации параметров предложенных математических моделей на основе экспериментальных данных по одноосному растяжению образцов при различных постоянных уровнях нагрузки. При наличии явных решений задачи ползучести параметры математических моделей определяются из решения задачи аппроксимации экспериментальных значений деформации методом наименьших квадратов с последующим уточнением методом координатного спуска. Для нелинейных математических моделей вязкоупругого деформирования, не позволяющих найти решение задачи ползучести в явном виде, разработана методика определения параметров модели на основе метода координатного спуска с обращением на каждом шаге к численному решению определяющего интегрального уравнения. Методика идентификации параметров моделей с операторами дробного интегро-дифференцирования реализована на примере ползучести поливинилхлоридного пластиката. Приводятся значения параметров для всех исследуемых моделей, выполнена проверка их адекватности экспериментальным данным, анализируются погрешности отклонения расчетных данных от опытных значений. В качестве примера выполнен сравнительный анализ относительной погрешности аппроксимации экспериментальных кривых ползучести и теоретических значений деформации в рамках линейного, нелинейного интегрируемого и нелинейного неинтегрируемого дробных аналогов модели Кельвина. Обсуждаются вопросы целесообразности использования моделей вязкоупругого деформирования с операторами дробного интегро-дифференцирования на основе сопоставления расчетов по рассмотренным моделям с данными расчетов по моделям вязкоупругости с целочисленными операторами интегро-дифференцирования.
Наследственно-упругое тело, нелинейность, структурные модели, операторы дробного интегро-дифференцирования, реологические модели, идентификация, интегральные уравнения, численные методы, экспериментальные данные
Короткий адрес: https://sciup.org/146281857
IDR: 146281857 | УДК: 539.313:517.968.72 | DOI: 10.15593/perm.mech/2018.2.13
Mathematical models of nonlinear viscoelasticity with operators of fractional integro-differentiation
Based on the method of structural modelling and the Boltzmann-Volterra hypothesis of the hereditary elasticity deformable solid, the article considers linear and nonlinear fractional analogues of classical rheological models, such as Newton (the so-called model of Scott Blair), Voigt, Maxwell, Kelvin and Zener using the tool of fractional integro-differentiation of Riemann Liouville. The classes of nonlinear mathematical models are distinguished, for which the solution of the creep problem can be obtained explicitly in terms of known special functions. A technique for identifying the parameters of the proposed mathematical models is developed on the basis of known experimental data on uniaxial stretching of samples at different and constant load levels. In the presence of explicit solutions to the creep problem, the parameters of mathematical models are determined from the solution of the problem of approximating the experimental values of deformation using the method of least squares with subsequent refinement by the coordinate-wise descent method at all time points for all stress values in a series of experiments. For nonlinear mathematical models of viscoelastic deformation, which do not allow to find the solution of the creep problem in an explicit form, a method for determining the model parameters based on the coordinate-wise descent method with inversion at each step to the numerical solution of the defining integral equation has been developed. The method of identifying model parameters with operators of fractional integro-differentiation is realized on the example of creep of polyvinylchloride plastic compound. The values of the parameters for all the models studied are given, their adequacy to the experimental data is checked, and errors in the deviation of the calculated data from the experimental values are analyzed. As an example, a comparative analysis of the relative error in approximating the experimental creep curves by theoretical deformation values is made in the framework of a linear, nonlinear integrable and nonlinear nonintegrable fractional analog of the Kelvin model. The article oulines the appropriateness of using the viscoelastic deformation models with the operators of fractional integro-differentiation, based on the comparison of calculations of the considered models with the calculations of the viscoelasticity models having integral operators of integro-differentiation.
Список литературы Математические модели нелинейной вязкоупругости с операторами дробного интегро-дифференцирования
- Огородников Е.Н., Радченко В.П., Унгарова Л.Г. Математическое моделирование наследственно-упругого деформируемого тела на основе структурных моделей и аппарата дробного интегро-дифференцирования Римана-Лиувилля // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, - 2016. - № 1(20). - С. 167-194. DOI: 10.14498/vsgtu1456
- Kilbas A.A., Srivastava H.M., Trujillo J.J. Theory and Applications of Fractional Differential Equations / North-Holland Mathematics Studies. Vol. 204. - Amsterdam: Elsevier, 2006. - 523 p.
- Унгарова Л.Г. Применение линейных дробных аналогов реологических моделей в задаче аппроксимации экспериментальных данных по растяжению поливинилхлоридного пластиката // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2016. - № 4(20). - С. 691-706. DOI: 10.14498/vsgtu1523
- Радченко В.П., Голудин Е.П. Феноменологическая стохастическая модель изотермической ползучести поливинилхлоридного пластиката // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2008. - № 1(16). - С. 45-52. DOI: 10.14498/vsgtu571
- Огородников Е.Н., Унгарова Л.Г. Аналитические решения задачи о ползучести и идентификация параметров нелинейных математических моделей наследственно-упругого тела // Тр. Х Всерос. науч. конф. по механике деформируемого твердого тела. - Самара: Изд-во СамГТУ, 2017. - С. 120-123.