Вплив дефектів на динамічні характеристики тришарових циліндричних оболонкових конструкцій

Заголовок (англійською): 
The influence of defects on the dynamic characteristics of three-layer cylindrical shell structures
Автор(и): 
Котенко К.Е.
Клименко О.М.
Орленко С.П.
Автор(и) (англ): 
Kotenko K.E.
Klymenko M.O.
Orlenko S.P.
Ключові слова (укр): 
спектр власних частот, тришарова циліндрична оболонка, неоднорідний заповнювач, колова тріщина, граничні умови, метод скінченних елементів, вплив тріщин
Ключові слова (англ): 
natural frequency spectrum, three-layer cylindrical shell, inhomogeneous aggregate, circular thickness, boundary conditions, finite element method, effect of cracks
Анотація (укр): 
При багаторазовому використанні оболонкових конструкцій з’являються конкретні проблеми теоретичних досліджень впливу появи різних конструктивних тріщин на динамічні характеристики тришарових циліндричних елементів з неоднорідним заповнювачем за різних граничних умов. Дослідження впливу таких тріщин на динамічні характеристики оболонкових елементів з неоднорідним заповнювачем є досить важливими і актуальними. Проведено теоретичне дослідження спектра власних частот тришарової циліндричної оболонки з дискретно-симетричним легким, ребристим заповнювачем за наявності кільцевих тріщин. Методом скінченних елементів вирішується актуальна задача визначення власних частот тришарового елемента спеціальної техніки за різних граничних умов. При дослідженні таких циліндричних оболонок розглядались два типи дефектів – наскрізних колових тріщин в армуючих ребрах структур і три випадки їх розташування. Наведені частотні спектри для різних видів граничних умов. Для характерних випадків жорсткого затиснення без пінопласту і шарнірного закріплення із пінопластом додатково для візуалізації наведені форми відповідних власних частот. Аналіз отриманих чисельних результатів дав змогу визначити характер впливу тріщин різної довжини на частотні спектри тришарових циліндричних оболонок з неоднорідним заповнювачем. Частотний аналіз тришарового циліндричного елементу на присутність дефектів, показав що наявність тріщини у ребрі структури є суттєвим фактором, що впливає на власну частоту такого елементу і призводить по суті до конструкційних змін цього елементу. Отримані теоретичні результати вказують на те, що тріщини малих розмірів мають малий вплив на власну частоту конструкції. При виникненні відносно великих тріщин спостерігається значна зміна частотного спектру практично нової тришарової конструкції.
Анотація (англ): 
With repeated use of shell structures, specific problems arise in theoretical studies of the influence of the appearance of various structural cracks on the dynamic characteristics of three-layer cylindrical elements with inhomogeneous filler under different boundary conditions. Studies of the influence of such cracks on the dynamic characteristics of shell elements with inhomogeneous filler are quite important and relevant. The theoretical study of the natural frequency spectrum of a three-layer cylindrical shell with a discretely symmetric light, ribbed filler in the presence of annular cracks has been conducted. The finite element method solves the current problem of determining the natural frequencies of a three-layer element of special equipment under different boundary conditions. When studying such cylindrical shells, two types of defects were considered - through-through circular cracks in the reinforcing ribs of structures and three cases of their location. Frequency spectra are given for different types of boundary conditions. For typical cases of rigid clamping without foam plastic and hinged fastening with foam plastic, the shapes of the corresponding natural frequencies are additionally given for visualization. The analysis of the obtained numerical results made it possible to determine the nature of the influence of cracks of different lengths on the frequency spectra of three-layer cylindrical shells with a inhomogeneous filler. Frequency analysis of a three-layer cylindrical element for the presence of defects showed that the presence of a crack in the edge of the structure is a significant factor affecting the natural frequency of such an element and essentially leads to structural changes in this element. The obtained theoretical results indicate that small cracks have a small influence on the natural frequency of the structure. When relatively large cracks occur, a significant change in the frequency spectrum of an almost new three-layer structure is observed.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 114
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 114
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
19-114_kotenko_k.e._klimenko_o.m._orlenko_s.p.pdf
Дата публікації: 
05 Июнь 2025
Номер збірника: 
114
Університет автора: 
Київський національний університет будівництва і архітектури, просп. Повітряних Сил, 31, м. Київ. 03680 , Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, вул. Нестерова, 3, Україна, м. Київ, 03057
Литература: 
 
  1. Акимов Д.В., Грищак В.З., Гоменюк С.Н. и др. Математическое моделирование и исследование прочности силовых элементов конструкций космических летательных аппаратов // Вісник Запорізького університету. Фізико-математичні науки. 2015.– №3, С. 6-13.
  2. Акимов Д.В., Клименко Д.В., Ларионов И.Ф. и др. Конечноэлементный анализ и экспериментальное исследование прочности трехслойной сотовой конструкции переходного отсека космического летательного аппарата // Проблемы прочности. 2016.  №3, - С. 52-57. 
  3. Акимов Д.В., Грищак В.З., Гоменюк С.И. и др. Экспериментальное исследование деформированного состояния и прочности межступенчатого отсека ракетоносителя при статическом внешнем нагружении // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 2016. №1, – С.82-89.
  4. Акимов Д.В., Грищак В.З., Гоменюк С.И. и др. Численно-экспериментальный анализ напряженно-деформированного состояния топливного бака третьей ступени ракетоносителя // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 2018. № 2. С. 98–105.
  5. Алифанова О.А. Ингульцев В.Л. Устойчивость и собственные колебания трехслойных оболочек вращения // Сопротивление материалов и теория сооружений. – К.: Будивельник, 1977.– №31. – С. 12-16.
  6. Бехер С. А., Бобров А. Л. Основы неразрушающего контроля методом акустической эмиссии // учеб. пособие — Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2013. — 145 с.
  7. Будак В.Д., Григоренко А.Я., Борисенко М.Ю., Бойчук Е.В. Определение собственных частот эллиптической оболочки постоянной толщины методом конечных элементов / // Мат. методи та фіз.-мех. поля, 2014. –57, № 1. – С. 145-152.
  8. Будак В.Д., Григоренко О.Я., Борисенко М.Ю., Бойчук О.В. Вплив ексцентриситету еліптичної оболонки на розподіл її динамічних характеристик // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, серія: «Фізико-математичні науки», 2015. – 2. – С. 23-28.
  9. Григоренко А.Я., Пузырев С.В., Волчек Е.А  Исследование свободных колебаний некруговых цилиндрических оболочек с помощь метода сплайн-коллокации // Мат. методи та фіз.-мех. поля, 2011. – 54, № 3. – С. 60-69.
  10. Гулгазарян Г.Р. Формула распределения частот цилиндрической оболочки с произвольно направляющей // Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1979. – № 2. – С.139-143.
  11. Дроздов О. В., Харченко В. В., Дзюба В. С. и др. Многофункциональная информационно-измерительная система PMX-TEST для оснащения стендов и установок при проведении прочностных испытаний материалов, моделей и элементов конструкций из композиционных материалов // Проблемы прочности, 2016. №5, –С.52-60.
  12. Ефимова Т.Л. Решение задач о свободных колебаниях толстостенных ортотропных неоднородных цилиндров // Мат. методи та фіз.-мех. поля, 2009. – T.52. – С. 92-100.
  13. Зайцев Б.Ф., Протасова Т.В., Клименко Д.В. и др. Динамический анализ композитного обтекателя ракеты при отделении с учетом расслоения структуры // Авиационно-космическая техника и технология. – 2020. – № 8/168. – С. 19–26.
  14. Лекомцев С.В. Конечно-элементные алгоритмы расчёта собственных колебаний трёхмерных оболочек // Вычислительная механика сплошных сред, 2012. – Т.5, №2. – С. 233-243.
  15. Луговий П.З., Сіренко В.М., Котенко К.Е., Луговий П.М. Динаміка тришарових неоднорідних циліндричних оболонок на пружній основі при нестаціонарних навантаженнях // Прикл. Механіка. 2024. 60, № 3. С 32-44.
  16. Марчук М., Клименко Д., Харченко В., Хом’як М. Математична модель та метод розрахунку шаруватих композиційних оболонок обертання з розшаруваннями // Математичні проблеми механіки неоднорідних структур. – Львів: ІППММ ім. Я. С. Підстригача НАНУ, 2014, С.66-69.
  17. Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. – М: ДМК Пресс, 2013.– 784 с.
  18. Ali M. Al-Shammari M.A. Effect of Cracks on the Natural Frequency of Cylindrical Shell Structures // Engineering and Technology Journal. 2020. 38(12A). Р. 1808-1817.
  19. Bespalova E. I., Urusova G. P. Determining the natural frequencies of highly inhomogeneous shells of revolution with transverse strain // Int. Appl. Mech. 2005.– 41, №4. – P. 980 - 987.
  20. Budak V.D., Grigorenko A.Ya., Horushko V.V., Borisenko M.Yu. Holographic Interferometry Study of the Free Vibrations of Cylindrical Shells of Constant and Variable Thickness // Int. Appl. Mech. – 2014. – 50, № 1. – P.  68 - 74. 
  21. Hudramovich V.S., Sirenko V.N., Klimenko D.V., et аl. Розробка нормативної методики обґрунтування залишкового ресурсу пускових конструкцій корпусів ракет-носіїв // Strengths of Materials, 2019. V5. P. 333 – 340.
  22. Lugovoi P.Z., Sirenko V.N., Skosarenko Yu.V., Batutina T.Ya. Dynamics of a Discretely Reinforced Cylindrical Shell Under a Local Impulsive Load // Intern. Appl. Mech. – 2017, 53, № 2 – Р. 173–180.
  23. Lugovoi P.Z., Prokopenko N. Ya., Orlenko S.P. Effect of the Number of Ribs on a Transient in a Cylindrical Shell under a Disturbing Load // Int. Appl. Mech. – 2021. – 57, N 3. – Р. 290 – 296.
  24. Lugovyi P. Z., Sirenko V. M. Klimenko D.V., Kotenko K. E. Transient Processes in Three-Layer Cylindrical Elements with Inhomogeneous Core Under Combined Nonstationary Loads // Int. Appl. Mech. – 2023. – 59, № 5. – Р. 573 – 584.
  25. Solodov I., Rahammer M., Gulnizkij N. &  Kreutzbruck M. Noncontact Sonic NDE and Defect Imaging Via Local Defect Resonance // 2016. Volume 35, article number 48.
  26. Zarutskii V.A. Prokopenko N.Ya. Natural Vibrations of Ribbed Cylindrical Shells with Low Shear Stiffness  // Int. Appl. Mech. 2005.– 41, №4. – P. 392 – 396.
 
References: 
 
  1. Akimov D.V., Grishchak V.Z., Gomenyuk S.N., ta іn. Matematicheskoe modelirovanie i issledovanie prochnosti silovyh elementov konstrukcij kosmicheskih letatel'nyh apparatov (Mathematical modeling and research of strength of power elements of spacecraft structures) – Vіsnik Zaporіz'kogo unіversitetu. Fіziko-matematichnі nauki. 2015.– №3. ‑ P. 6-13
  2. Akimov D.V., Klimenko D.V., Larionov I.F., ta іn. Konechnoelementnyj analiz i eksperimental'noe issledovanie prochnosti trekhslojnoj sotovoj konstrukcii perekhodnogo otseka kosmicheskogo letatel'nogo apparata (Finite element analysis and experimental study of the strength of a three-layer honeycomb structure of a spacecraft transition compartment) // Problemy prochnosti, 2016. №3 - P. 52-57.
  3. Akimov D.V., Grishchak V.Z., Gomenyuk S.I., ta іn. Eksperimental'noe issledovanie deformirovannogo sostoyaniya i prochnosti mezhstupenchatogo otseka raketonositelya pri staticheskom vneshnem nagruzhenii (Experimental study of the deformed state and strength of the interstitial compartment of a raketonositelya under static external loading) // Novi мaterialy i tekhnolohii v metalurhii ta mashynobuduvanni, 2016. №1 – P. 82-89.
  4. Akimov D.V., Grishchak V. Z., Gomenyuk S.I., ta іn. Chislenno-eksperimental'nyj analiz napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya toplivnogo baka tret'ej stupeni raketonositelya (Numerical and experimental analysis of the stress-strain state of the third stage fuel tank of a launch vehicle) // Novi мaterialy i tekhnolohii v metalurhii ta mashynobuduvanni, 2018. №2, – P. 98-105.
  5. Alifanova O.A. Ingul'cev V.L. Ustojchivost' i sobstvennye kolebaniya trekhslojnyh obolochek vrashcheniya (Stability and natural oscillations of three-layer shells of revolution) // Soprotivlenie materialov i teoriya sooruzhenij.– K.: Budivel'nik, 1977.– №31. – P. 12-16.
  6. Bekher S. A., Bobrov A. L. Osnovy nerazrushayushchego kontrolya metodom akusticheskoj emissii (Fundamentals of non-destructive testing using acoustic emission method)// ucheb. posobie — Novosibirsk: Izd-vo SGUPSa, 2013. — 145 p.
  7. Budak V.D., Grigorenko A.Ya., Borisenko M.Yu., Bojchuk E.V. Opredelenie sobstvennyh chastot ellipticheskoj obolochki postoyannoj tolshchiny metodom konechnyh elementov (Determination of natural frequencies of an elliptical shell of constant thickness using the finite element method) // Mat. metodi ta fіz.-mekh. polya, 2014. –57, № 1. – P. 145-152.
  8. Budak V.D., Hryhorenko O.Ya., Borysenko M.Yu., Boichuk O.V. Vplyv ekstsentrysytetu eliptychnoi obolonky na rozpodil yii dynamichnykh kharakterystyk (Influence of the eccentricity of an elliptical shell on the distribution of its dynamic characteristics) // Visnyk Kyivskoho natsionalnoho universytetu imeni Tarasa Shevchenka, seriia: «Fizyko-matematychni nauky», 2015. – 2. – S. 23-28.
  9. Grigorenko A.Ya., Puzyrev S.V., Volchek E.A. Issledovanie svobodnyh kolebanij nekrugovyh cilindricheskih obolochek s pomoshch' metoda splajn-kollokacii (Study of free vibrations of non-circular cylindrical shells using the spline collocation method)// Mat. metodi ta fіz.-mekh. polya, 2011. – 54, № 3. – P. 60-69.
  10. Gulgazaryan G.R. Formula raspredeleniya chastot cilindricheskoj obolochki s proizvol'no napravlyayushchej (Frequency distribution formula for a cylindrical shell with an arbitrary guide) // Izv. AN SSSR. Mekhanika tverdogo tela, 1979. – № 2. – P. 139-143.
  11. Drozdov O.V., Harchenko V.V., Dzyuba V.S., ta іn. Mnogofunkcional'naya informacionno-izmeritel'naya sistema PMX-TEST dlya osnashcheniya stendov i ustanovok pri provedenii prochnostnyh ispytanij materialov, modelej i elementov konstrukcij iz kompozicionnyh materialov (Multifunctional information and measuring system PMX-TEST for equipping stands and installations during strength testing of materials, models and structural elements made of composite materials) // Problemy prochnosti, 2016. №5, –P. 52-60.
  12. Efimova T.L. Reshenie zadach o svobodnyh kolebaniyah tolstostennyh ortotropnyh neodnorodnyh cilindrov (Solution of problems on free vibrations of thick-walled orthotropic inhomogeneous cylinders) // Mat. Metodi ta fіz.-mekh. polya, 2009. – T.52. – S. 92-100.
  13. Zajcev B.F., Protasova T.V., Klimenko D.V. ta іn. Dinamicheskij analiz kompozitnogo obtekatelya rakety pri otdelenii s uchetom rassloeniya struktury (Dynamic Analysis of a Composite Missile Fairing During Separation Taking into Account Structural Delamination) // Aviacionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. – 2020. – № 8/168. – P. 19–26.
  14. Lekomcev S.V. Konechno-elementnye algoritmy raschyota sobstvennyh kolebanij tryohmernyh obolochek (Finite element algorithms for calculating natural vibrations of three-dimensional shells) // Vychislitel'naya mekhanika sploshnyh sred, 2012. – T.5, №2. – P. 233-243.
  15. Luhovyi P.Z., Sirenko V.M., Kotenko K.E., Luhovyi P.M. Dynamika trysharovykh neodnoridnykh tsylindrychnykh obolonok na pruzhnii osnovi pry nestatsionarnykh navantazhenniakh (Dynamics of three-layer inhomogeneous cylindrical shells on elastic  foundation under nonstationary loadings ) // Prykl. Mekhanika. 2024. 60, № 3. P. 32-44.
  16. Marchuk M., Klymenko D., Kharchenko V., Khom’iak M. Matematychna model ta metod rozrakhunku sharuvatykh kompozytsiinykh obolonok obertannia z rozsharuvanniamy (Mathematical model and method for calculating layered composite shells of rotation with delaminations) // Matematychni problemy mekhaniky neodnoridnykh struktur. – Lviv: IPPMM im. Ya. S. Pidstryhacha NANU, 2014, P. 66-69.
  17. Rychkov S. P. Modelirovanie konstrukcij v srede Femap with NX Nastran (Modeling of structures in the Femap with NX Nastran environment) – M.: DMKPress, 2016. – 784 p.
  18.  Ali M. Al-Shammari M. A. Effect of Cracks on the Natural Frequency of Cylindrical Shell Structures // Engineering and Technology Journal. 2020. 38(12A). Р. 1808-1817.
  19. Bespalova E. I., Urusova G. P. Determining the natural frequencies of highly inhomogeneous shells of revolution with transverse strain // Int. Appl. Mech. 2005.– 41, №4. – P. 980 - 987.
  20. Budak V.D., Grigorenko A.Ya., Horushko V.V., Borisenko M.Yu. Holographic Interferometry Study of the Free Vibrations of Cylindrical Shells of Constant and Variable Thickness // Int. Appl. Mech. – 2014. – 50, № 1. – P.  68 - 74. 
  21. Hudramovich V.S., Sirenko V.N., Klimenko D.V., et аl. Розробка нормативної методики обґрунтування залишкового ресурсу пускових конструкцій корпусів ракет-носіїв // Strengths of Materials, 2019. V5. P. 333 – 340.
  22. Lugovoi P.Z., Sirenko V.N., Skosarenko Yu.V., Batutina T.Ya. Dynamics of a Discretely Reinforced Cylindrical Shell Under a Local Impulsive Load  // Intern. Appl. Mech. – 2017, 53, № 2 – Р. 173–180.
  23. Lugovoi P. Z , Prokopenko N. Ya., Orlenko S.P. Effect of the Number of Ribs on a Transient in a Cylindrical Shell under a Disturbing Load // Int. Appl. Mech. – 2021. – 57, N 3. – Р. 290 – 296.
  24. Lugovyi P. Z., Sirenko V. M. Klimenko D.V., Kotenko K.E. Transient Processes in Three-Layer Cylindrical Elements with Inhomogeneous Core Under Combined Nonstationary Loads // Int. Appl. Mech. – 2023. – 59, № 5. – Р. 573 – 584.
  25. Solodov I., Rahammer M., Gulnizkij N. &  Kreutzbruck M. Noncontact Sonic NDE and Defect Imaging Via Local Defect Resonance // 2016. Volume 35, article number 48.
  26. Zarutskii V. A., Prokopenko N. Ya. Natural Vibrations of Ribbed Cylindrical Shells with Low Shear Stiffness  // Int. Appl. Mech. 2005.– 41, №4.  –  P. 392 – 396.