РАЗРАБОТКА ВИБРОУДАРОЗАЩИТНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТАХ

А. Р. Валеев, А. В. Колчин, Е. И. Горбунова, К. К. Садреева

Аннотация


Введение Статья посвящена концепции новых виброударозащитных метаматериалов с квазинулевой жесткостью для снижения негативного воздействия на человека, машины и оборудование. На нефтегазовых объектах вибрация может возникать от разнообразных источников. Для защиты предлагается использовать современные подходы в виброизоляции. С точки зрения механики, самым перспективным направлением является использование специальных упругих механических систем, получивших название систем с квазинулевой жесткостью. Современные достижения в области аддитивных технологий, трехмерной печати, предоставляют широкие возможности в области создания метаматериалов. В частности, такой подход можно использовать для создания специальных упругих структур в эластичных конструкциях, иначе говоря, для создания новых средств защиты от вибрации и ударов. Создавая различные внутренние структуры упругих метаматериалов, можно придавать им различные силовые характеристики, в том числе и с квазинулевой жесткостью. Цели и задачи Изучить виброзащитный метаматериал с внутренней структурой, обеспечивающей квазинулевую жесткость при его сжатии. Предлагаемый виброзащитный метаматериал состоит из двух внешних упругих слоев, а также внутреннего слоя, представляющего собой упругую волнообразную структуру, которая при деформации обеспечивает квазинулевую жесткостью. Методы Проведено предварительное математическое моделирование одной ячейки предлагаемого метаматериала. Оценены возможные размеры ячеек. Для проверки данных результатов проведено компьютерное моделирование одной ячейки при помощи программного пакета ANSYS. Результаты Результаты аналитических и компьютерных расчетов показали, что данный виброударозащитный материал при принятых параметрах будет иметь оптимальную нагрузку равную 8154 кг/м2. Для проверки возможности изготовления данных метаматериалов были изданы демонстрационные образцы при помощи печати на 3D принтере Picaso Designer. Толщина слоев составила 0,3 мм. Анализ полученных образцов показал, что при помощи 3D печати возможно создание разрабатываемых виброударозащитных метаматериалов, которые потенциально могут иметь высокие эксплуатационные свойства. Предлагаемая структура метаматериалов позволяет эффективно и плавно гасить колебания объектов, иначе говоря, иметь высокие виброизоляционные и ударозащитные свойства, и быть эффективной на различных объектах нефтегазовой отрасли.

Ключевые слова


вибрация;виброизоляция;метаматериал;квазинулевая жесткость;аддитивные технологии;vibration;vibration isolation;metamaterial;quasi-zero stiffness;additive technology;

Полный текст:

PDF

Литература


Hassan R. McManus K. Perception of Low Frequency Vibrations by Heavy Vehicle Drivers // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2009. Vol. 21. P. 65-76.

Takahashi Y., Harada N.A. Consideration of an Evaluation Index for High-Level Low-Frequency Noise by Taking into Account the Effect of Human Body Vibration // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2009. Vol. 26. P. 15-27.

Takahashi Y.A. Consideration of the Relationship between Subjective Unpleasantness and Body Surface Vibrations Induced by High-Level, Complex Low Frequency Noise // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2009. Vol. 6. P. 7-17.

Li D., Dong L., Yin J., Dong L., Lakes R.S. Numerical Analysis on Mechanical Behaviors of Hierarchical Cellular Structures with Negative Poisson's Ratio // Smart Materials and Structures. 2017. Vol. 26. 7 p.

Valeev A. Numerical and Experimental Analysis of Metamaterials with Quasi-Zero Effect for Vibration Isolation // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1859. 4 p.

Valeev A. Vibration Isolating Metamaterial with Arc-Structure // IOP Conference Proceedings. 2017. Vol. 225. 6 p.

Alabuzhev P.A., Gritchin L., Kim L., Migirenko G., Chon V., Stepanov P. Vibration Protecting and Measuring Systems with Quasi-Zero Stiffness. New York: Hemisphere Publ., 1989. 100 p.

Valeev A.R., Kharisov Sh. A. Application of Vibration Isolators with a Low Stiffness for the Strongly Vibrating Equipment // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. P. 641-646.

Valeev A.R., Zotov A.N., Kharisov Sh. A. Designing of Compact Low Frequency Vibration Isolator with Quasi-Zero Stiffness // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2015. Vol. 34 (4). P. 459-474.

Carrella A. Passive Vibration Isolators with High-Static-Low-Dynamic-Stiffness: Cand. Engin. Sci. Diss. UK, University of Southampton, 2008. 226 p.

Corre D.M., Seepersad C.C., Haberman M.R. Mechanical Design of Negative Stiffness Honeycomb Materials // Integrating Materials and Manufacturing Innovation. 2015. Vol. 4:10. 11 p.

Correa D.M., Klatt T.D., Cortes S.A., Haberman M.R., Kovar D., Seepersad C.C. Negative Stiffness Honeycombs for Recoverable Shock Isolation // Rapid Prototyping Journal. 2015. Vol. 21(2). P. 193-200.

Валеев А.Р., Зотов А.Н., Тихонов А.Ю. Виброизоляционная подвеска валов с квазинулевой жесткостью // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2010. Вып. 3. С. 68-77.

Wang Z., Zhang Q., Zhang K., Hu G. Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency // Advanced Materials. 2016. Vol. 28. P. 9857-9861.




DOI: http://dx.doi.org/10.17122/ntj-oil-2019-3-113-121

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


(c) А. Р. Валеев, А. В. Колчин, Е. И. Горбунова, К. К. Садреева

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.