ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 691.7
DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-1-93-99
Аннотация
Современное развитие техники предъявляет все большие требования к повышению жесткости и надежности функционирования материалов и конструкций. Традиционно это достигается созданием новых химических составов используемых материалов и методов их обработки. В настоящей работе на основе компьютерного конечно-элементного моделирования демонстрируется еще один эффективный метод повышения жесткости и надежности материалов и конструкций за счет подбора рациональной геометрии элементов структуры и условий их взаимодействия друг с другом. Такие структуры были впервые предложены математиками и получили название самозаклинивающихся. Самозаклинивающаяся структура – это набор выпуклых тел, такой, что любое бесконечно малое движение одного из них возможно лишь как часть совместного движения всех тел вместе (как единого твердого тела). Моделирование производилось в программном комплексе Abaqus с целью демонстрации концептуального подхода к использованию самозаклинивающихся структур в области разработки конструкционных материалов различного назначения. На основе результатов моделирования изучены различные паттерны распределения нагрузки в подобных системах, с помощью которых выдвинуты теории о их применении в будущих исследованиях. Было установлено, что в зависимости от различных сценариев нагружения подобные структуры могут рассеивать приложенные точечные нагрузки по всему объему конструкционного элемента. Также продемонстрирован потенциал оптимизации геометрии отдельных элементов самозаклинивающихся структур, позволяющий расширить их эксплуатационные свойства с сохранением ключевых особенностей. Научно обосновано будущее применение подобных структур для перераспределения нагрузок как в конструкционных материалах, так и в широком спектре инструментов.
Ключевые слова
самозаклинивающиеся структуры, жесткость, надежность функционирования, новые материалы, конструкции, конечно-элементное моделирование, перераспределение напряжений
Для цитирования
Применение самозаклинивающихся структур: демонстрация концепции на основе КЭ-моделирования / Константинов Д.В., Матвеев С.В., Песин А.М., Корчунов А.Г., Пивоварова К.Г. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №1. С. 93-99. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2023-21-1-93-99
1. Dyskin A.V., Estrin Y., Kanel-Belov A.J. and Pasternak E. Toughening by fragmentation – how topology helps // Advanced Engineering Mater. 2001, vol. 3, pp. 885-888.
2. Dyskin A.V., Estrin Y., Kanel-Belov A.J. and Pasternak E. Topological interlocking of platonic solids: A way to new materials and structures // Phil. Mag. Lett. 2003, vol. 83, pp. 197-203.
3. Dyskin A.V., Estrin Y., Pasternak E., Khor H.C. and Kanel-Belov A.J. Fracture resistant structures based on topological interlocking with nonplanar contacts // Advanced Engineering Mater. 2003, vol. 5, no. 3, pp. 116-119.
4. Канель-Белов А.Я. Самозаклинивающиеся структуры // Квант. Физико-математический журнал для школьников и студентов. 2009. Т. 1. C. 20-23.
5. Dyskin A.V., Estrin Y., Pasternak E., Khor H.C., Kanel-Belov A.J. The principle of topological interlocking in extraterrestrial construction // Acta Astronautica. 2005, vol. 57, no. 1, pp. 10-21.
6. Estrin Y., Dyskin A.V., Pasternak E., Khor H.C. and Kanel-Belov A.J. Topological interlocking of protective tiles for Space Shuttle // Phil. Mag. Letters. 2003, vol. 83, pp. 351-355.
7. Dyskin A.V., Estrin Y., Kanel-Belov A.J. and Pasternak E. Interlocking properties of buckyballs // Physics Letters A. 2003, vol. 319, pp. 373-378.
8. Djumas L., Simon G.P., Estrin Y. et al. Deformation mechanics of non-planar topologically interlocked assemblies with structural hierarchy and varying geometry // Scientific Reports. 2017, vol. 7, no. 1, 11844. https://doi.org/10.1038/s41598-017-12147-3
9. Заявка № 2021126274 РФ. 07.09.2021. Стыковое соединение железобетонного перекрытия с колонной / Кришан А.Л., Песин А.М., Белов А.Я., Пастернак Е., Локотунина Н.М., Сагадатов А.И.
10. Пат. 2756086 РФ. МПК B32B7/02. Способ получения слоистого биметалла сталь-алюминиевый сплав / Песин А.М., Белов А.Я., Дискин А.В., Тулупов О.Н., Пустовойтов Д.О., Локотунина Н.М., Бирюкова О.Д.; патентообладатель Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова. № 2021103956, заявл. 16.02.2021; опубл. 27.01.2021. Бюл. № 27.
11. Заявка на изобретение № 2021101410, 22.01.2021. Способ получения слоистого проката / Песин А.М., Белов А.Я., Пастернак Е., Белов В.К., Пустовойтов Д.О., Локотунина Н.М., Бирюкова О.Д., Кожемякина А.Е.
12. Заявка на изобретение № 2021106748, 15.03.2021. Способ производства биметаллической проволоки / Песин А.М., Харитонов В.А., Белов А.Я., Пастернак Е., Тулупов О.Н., Пустовойтов Д.О., Локотунина Н.М.
13. Заявка на изобретение № 2021110188, 12.04.2021. Волока / Песин А.М., Харитонов В.А., Тулупов О.Н., Белов А.Я., Дискин А.В., Пустовойтов Д.О., Локотунина Н.М.
14. Заявка на изобретение № 2021110189, 12.04.2021. Составная волока / Песин А.М., Харитонов В.А., Корчунов А.Г., Белов А.Я., Пастернак Е., Пустовойтов Д.О., Пивоварова К.Г. Решение о выдаче патента от 06.10.2021 г.
15. Заявка на изобретение № 2021113061, 04.05.2021. Роликовая волока / Песин А. М., Харитонов В.А., Белов А. Я., Дискин А.В., Барышников М.П., Пустовойтов Д.О., Извеков Ю.А., Носов Л.В., Песин И.А.