Модель термомеханического поведения амортизационного узла
Автор: Бояршинов Дмитрий Альбертович, Сметанников Олег Юрьевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.15, 2022 года.
Бесплатный доступ
Существуют конструкции, к динамическим характеристикам которых предъявляются высокие требования во многих отраслях промышленности: авиационной, военной, приборостроительной, автомобильной и других. Удовлетворение практическим потребностям связано, в частности, с функционированием входящих в состав конструкций систем демпфирования. Работа последних определяется комплексом нелинейных процессов (контактным взаимодействием, сухим трением, большими деформациями и так далее), что делает актуальной задачу построения их математических моделей. Используемые в настоящее время подходы к их моделированию не позволяют в полной мере учесть нелинейные эффекты, свойственные названным выше процессам, или требуют значительных вычислительных ресурсов, а также могут нуждаться в проведении большого числа экспериментов. Целью данного исследования является построение и идентификация модели деформирования специального амортизатора с учетом трения, температуры, вязкоупругого и гиперупругого поведения материала, а также определение при различных условиях нагружения интегральных термомеханических характеристик, таких как зависимость реакции демпфера от перемещения, количество выделяемого за один цикл деформирования тепла, величина силы трения. На первом этапе строится модель вязко-гиперупругого поведения материала и вычисляются ее параметры на основе информации из натурных экспериментов. Для нахождения гиперупругих характеристик осуществлены испытания на свободное растяжение-сжатие и стесненное сжатие, а вязкоупругие параметры установлены из экспериментов с гармоническим возбуждением и варьируемой температурой. Сформирован массив исходных данных для конечно-элементной модели демпфера из программного пакета ANSYS и рассчитаны параметры трения при контактном взаимодействии с учетом поправок, которые установлены по результатам сравнения с испытаниями на деформирование амортизатора в осевом и поперечном направлениях. С помощью построенной авторами модели оценено термомеханическое поведение амортизатора при циклическом деформировании, которое реализуется при вибрации. Получены зависимости выделяемой за цикл энергии вязкого и сухого трения от коэффициента трения, скорости и температуры.
Гиперупругость, вязкоупругость, амортизация, контактное взаимодействие, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/143179341
IDR: 143179341 | УДК: 539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.3.23
Model of thermomechanical behavior of a shock-absorbing unit
Modern industries use structures that should meet strict requirements for dynamic characteristics specified in many branches, such as aviation, military, instrument-making, automotive, etc. The fulfillment of these requirements is associated, in particular, with the use of the damping systems of structures, the operation of which is determined by a complex of nonlinear processes (contact interaction, dry friction, large deformations, etc.), thus making the task of constructing their mathematical models relevant. The currently used approaches to modeling these systems do not fully take into account the nonlinear effects intrinsic to the above processes, or require significant computational resources, and may also require a large number of experiments. The purpose of this study is to construct and identify a model of deformation of a shock absorber, taking into account friction, temperature, viscoelastic and hyperelastic behavior of the material and to determine the following integral thermomechanical characteristics of a shock absorber under various loading conditions: a shock absorber response to displacement, the amount of heat released during one deformation cycle, the magnitude of the friction force. At the first stage, a model of visco-hyperelastic behavior of a material is constructed and its parameters are calculated based on the real experiment data. The hyperelastic characteristics were determined using the results of free tension-compression and constrained compression tests, and the parameters of the viscoelastic model were found in the harmonic load and variable temperature experiments. Then, a finite element model of the damper is constructed using the ANSYS software package and the parameters of friction due to contact interaction are determined by making comparison with the results of deformation tests of the shock absorber under the conditions of axial and transverse loading. At the last stage, the constructed model is used to evaluate the thermomechanical behavior of the shock absorber under cyclic deformation, which is also realized during vibration. As a result, the dependencies of viscous and dry friction energy released during one deformation cycle on the friction coefficient, velocity and temperature are obtained.
Список литературы Модель термомеханического поведения амортизационного узла
- Kulkarni P., Bhattacharjee A., Nanda B.K. Study of damping in composite beams // Materials Today: Proceedings. 2018. Vol. 5. P. 7061-7067. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.11.370
- Ватульян А.О., Дударев В.В. К исследованию колебаний цилиндра с вязкоупругим покрытием // Вычисл. мех. сплош. сред. 2021. Т. 14, № 3. С. 312-321. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.26
- Chatterjee A., Chintha H.P. Identification and parameter estimation of cubic nonlinear damping using harmonic probing and Volterra series // Int. J. Non Lin. Mech. 2020. Vol. 125. 103518. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2020.103518
- Zhang X., Du X., Brownjohn J. Frequency modulated empirical mode decomposition method for the identification of instantaneous modal parameters of aeroelastic systems // J. Wind Eng. Ind. Aerod. 2012. Vol. 101. P. 43-52. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2011.12.005
- Иванцов А.О., Клименко Л.С., Любимова Т.П., Ру Б. Численное моделирование выпускной трубы двигателя с системой активного шумоподавления // Вычисл. мех. сплош. сред. 2021. Т. 14, № 4. С. 389-397. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.4.32
- Матвеенко В.П., Ошмарин Д.А., Севодина Н.В., Юрлова Н.А. Задача о собственных колебаниях электровязкоупругих тел с внешними электрическими цепями и конечно-элементные соотношения для ее численной реализации // Вычисл. мех. сплош. сред. 2016. Т. 9, № 4. С. 476-485. http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.40
- Бегалиев У.Т. Моделирование вязкоупругих демпферов для конструктивного применения // Наука и инновационные технологии. 2016. № 1(1). С. 201-209.
- Белкин А.Е., Даштиев И.З., Лонкин Б.В. Моделирование вязкоупругости полиуретана при умеренно высоких скоростях деформирования // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 3. С. 39-54.
- Семенов В.К., Белкин А.Е. Математическая модель вязкоупругого поведения резины при циклическом нагружении // Изв. вузов. Машиностроение. 2014. № 2. С. 46-51.
- Zhu H., Yang J., Zhang Y., Feng X. A novel air spring dynamic model with pneumatic thermodynamics, effective friction and viscoelastic damping // J. Sound Vib. 2017. Vol. 408. P. 87-104. http://dx.doi.org/10.1016/j.jsv.2017.07.015
- Егоров А.В. Определение динамической жесткости резинового слоя демпфера внутреннего трения // Фундаментальные исследования. 2011. № 12-1. С. 108-111.
- Поздняков И.В. Анализ моделей гиперупругого материала с использованием данных одного деформированного состояния // Изв. вузов. Нефть и газ. 2011. № 3. С. 52-57.
- Коробейников С.Н., Ларичкин А.Ю., Ротанова Т.А. Модели гиперупругости, пролонгирующие закон Гука в область больших деформаций и экспериментальная проверка пределов их применимости // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: Сборник трудов. Уфа, 19-24 августа 2019 г. Уфа: Башкирский государственный университет, 2019. Т. 3. Механика деформируемого твердого тела. С. 124-126.
- Мохирева К.А., Свистков А.Л., Шадрин В.В. Определение формы образцов для экспериментов на двухосное растяжение // Вычисл. мех. сплош. сред. 2014. Т. 7, № 4. С. 353-362. http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2014.7.4.34
- Wu Z., Liu H., Liu L., Yuan D. Identification of nonlinear viscous damping and Coulomb friction from the free response data // J. Sound Vib. 2007. Vol. 304. P. 407-414. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.02.026
- Scheel M., Weigele T., Krack M. Challenging an experimental nonlinear modal analysis method with a new strongly friction-damped structure // J. Sound Vib. 2020. Vol. 485. 115580. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115580
- Al-hababi T., Cao M., Saleh B., Alkayem N.F., Xu H. A Critical review of nonlinear damping identification in structural dynamics: Methods, applications, and challenges // Sensors. 2020. Vol. 20. 7303. https://doi.org/10.3390/s20247303
- Elliott S.J., Tehrani M.G., Langley R.S. Nonlinear damping and quasi-linear modelling // Phil. Trans. R. Soc. A. 2015. Vol. 373. 20140402. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0402
- Hieu D.V., Hai N.Q., Hung D.T. The equivalent linearization method with a weighted averaging for solving undamped nonlinear oscillators // J. Appl. Math. 2018. Vol. 2018. 7487851. https://doi.org/10.1155/2018/7487851
- Wang Y., Low K.H. Damped response analysis of nonlinear cushion systems by a linearization method // Comput. Struct. 2005. Vol. 83. P. 1584-1594. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2005.02.004
- Parrinello A., Ghiringhelli G.L. Evaluation of damping loss factor of flat laminates by sound transmission // J. Sound Vib. 2018. Vol. 424. P. 112-119. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.03.017
- Schoukens J., Ljung L. Nonlinear system identification: A user-oriented roadmap // IEEE Contr. Syst. Mag. 2019. Vol. 39. P. 28-99. https://doi.org/10.1109/MCS.2019.2938121
- Xu L. The damping iterative parameter identification method for dynamical systems based on the sine signal measurement // Signal Processing. 2016. Vol. 120. P. 660-667. https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2015.10.009
- Jin M., Brake M.R.W., Song H. Comparison of nonlinear system identification methods for free decay measurements with application to jointed structures // J. Sound Vib. 2019. Vol. 453. P. 268-293. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2019.04.021
- Jang T.S. A method for simultaneous identification of the full nonlinear damping and the phase shift and amplitude of the external harmonic excitation in a forced nonlinear oscillator // Comput. Struct. 2013. Vol. 120. P. 77-85. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2013.02.008
- Jacobson K.E., Kiviaho J.F., Kennedy G.J., Smith M.J. Evaluation of time-domain damping identification methods for flutter-constrained optimization // J. Fluid. Struct. 2019. Vol. 87. P. 174-188. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2019.03.011
- Raze G., Kerschen G. Multimodal vibration damping of nonlinear structures using multiple nonlinear absorbers // Int. J. Non Lin. Mech. 2020. Vol. 119. 103308. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2019.103308
- Moore K.J. Characteristic nonlinear system identification: A data-driven approach for local nonlinear attachments // Mech. Syst. Signal Process. 2019. Vol. 131. P. 335-347. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.05.066
- Mojahed A., Moore K., Bergman L.A., Vakakis A.F. Strong geometric softening–hardening nonlinearities in an oscillator composed of linear stiffness and damping elements // Int. J. Non Lin. Mech. 2018. Vol. 107. P. 94-111. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2018.09.004
- Mihalec M., Slavič J., Boltežar M. Synchrosqueezed wavelet transform for damping identification // Mech. Syst. Signal Process. 2016. Vol. 80. P. 324-334. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.05.005
- Staszewski W.J., Robertson A.N. Time-frequency and time-scale analyses for structural health monitoring // Phil. Trans. R. Soc. A. 2007. Vol. 365. P. 449-477. https://doi.org/10.1098/rsta.2006.1936
- Khalid M., Yusof R., Joshani M., Selamat H., Joshani M. Nonlinear identification of a magneto-rheological damper based on dynamic neural networks // Comput. Aided Civ. Infrastruct. Eng. 2014. Vol. 29. P. 221-233. https://doi.org/10.1111/mice.12005
- Simo J.C. On a fully three-dimensional finite-strain viscoelastic damage model: Formulation and computational aspects // Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1987. Vol. 60. P. 153-173. https://doi.org/10.1016/0045-7825(87)90107-1
