SMART-МАТЕРИАЛЫ: НОВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ МЕХАНИКИ И НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ

Автор: Валерий Павлович Матвеенко

Организация: Институт механики сплошных сред УрО РАН – филиал ПФИЦ УрО РАН, Пермь

Smart-материалы подобно материалам биологических объектов должны функционально изменять свои свойства в зависимости от состояния окружающей среды. В общем случае они представляют собой композитные структуры, включающие сенсорные элементы, исполнительные элементы и элементы обработки информации.

В настоящей работе в качестве актуаторов рассматриваются пьезоэлектрические материалы и материалы с памятью формы, а в качестве сенсоров — пьезоэлектрические и оптоволоконные датчики. С точки зрения функциональных задач, решаемых с использованием актуаторов, рассматриваются задачи управления геометрией конструкций и задачи управления динамическими характеристиками. При использовании smart-материалов с сенсорами рассматриваются задачи регистрации характеристик деформационного поведения конструкции.

Для smart-материалов на основе пьезоэлементов разработаны математические постановки задач о квазистатическом деформировании, собственных и вынужденных установившихся колебаниях конструкций. При наличии электродированных поверхностей у пьезоэлементов к ним могут быть подключены электрические цепи различной архитектуры, состоящие из резисторов, ёмкостей и индуктивностей. Эти элементы, являясь в механических процессах электрическими аналогами вязкости, упругости, массы, расширяют спектр параметров, влияющих на динамические процессы. В рассматриваемые системы могут быть включены элементы из графеновых композитов, которые при наличии электродированных поверхностей могут играть роль резисторов, реализуя дополнительный диссипативный механизм. Разработанные методы апробированы на модельных задачах [1,2].

Для smart-материалов на основе материалов с памятью формы, разработаны методы и алгоритмы для расчёта формоизменения элементов конструкций за счёт использования одномерных элементов из материалов с памятью формы, встроенных в материал или фиксируемых на поверхности объекта. 

На основе моделирования проанализирована возможность изменения спектра собственных частот колебаний при локальных механических воздействиях, вызывающих дополнительные напряжения и деформации. Эти воздействия могут быть результатом реализации эффекта памяти формы или пьезоэлектрического эффекта. 

Для smart-систем, наделённых сенсорами, получены теоретические и экспериментальные результаты, обеспечивающие обоснованное использование волоконно-оптических датчиков деформаций, встраиваемых в материал или фиксируемых на его поверхности [3,4].

Тезисы подготовлены в рамках реализации Программы создания и развития научного центра мирового уровня «Сверхзвук» на 2020–2025 годы при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (соглашение от 21 апреля 2022 года № 075-15-2022-329).

1.Matveenko V.P., Iurlova N.A., Oshmarin D.A. Damping of vibrations of smart-systems incorporating piezoelectric elements and shunt circuits with parameters derived from the models of continuum and discrete mechanics // Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2023. DOI: 10.1080/15376494.2023.2241134 

2.Матвеенко В.П., Ошмарин Д.А., Юрлова Н.А. Об использовании электропроводящих композиционных материалов для дополнительного демпфирования smart-систем на основе пьезоэлементов // Прикладная механика и техническая физика, 2021, т.62, №5. – с. 45-57. DOI: 10.15372/PMTF20210505

3.Matveenko V, Serovaev G, Kosheleva N, Fedorov A. Numerical and experimental analysis of the reliability of strain measured by surface-mounted fiber-optic sensors based on Bragg gratings // Struct Control Health Monit. 2022. art.no. e3142. DOI: 10.1002/stc.3142

4.Matveenko V., Kosheleva N., Serovaev G., Fedorov A. Measurement of Gradient Strain Fields with Fiber-Optic Sensors // Sensors. 2023. V. 23. № 410. P. 1-12. DOI: 10.3390/s23010410