Фотография раздела

Строительная механика - Научные направления

До 1947 года на кафедре велись разрозненные научные исследования по некоторым мало связанным между собой научным направлениям. Ф.И.Слюсарчук вел весьма перспективные исследования по проблемам оптимального проектирования, но работал в одиночку. Аналогично, без учеников работали профессора Н.М.Абрамов и И.В.Урбан.

Основоположником научной школы прочнистов по праву считается Авраам Яковлевич Александров.

В большую науку Абрам Яковлевич буквально ворвался в 1947 году, когда неожиданно для многих представил к защите докторскую диссертацию на тему "О деформировании соприкасающихся упругих тел", то, что мы сейчас называем контактной задачей теории упругости. Защита проходила в МИСИ, одним из оппонентов был Александр Юльевич Ишлинский, ставший впоследствии академиком АН СССР, директором института проблем механики. Он высоко оценил предоставленную работу, впоследствии оказывал Абраму Яковлевичу большую помощь в работе. После защиты диссертации А.Я.Александров переходит на работу в Сибирский научно-исследовательский институт авиации и почти одновременно в НИИЖТ вначале по совместительству на должность доцента. Впоследствии его утверждают в ученом звании профессора, он становится начальником кафедры строительной механики, получает звание директора-полковника тяги и навсегда переходит на постоянную работу в наш институт.

С приходом профессора А.Я. Александрова на кафедре началось усиленное развитие экспериментальной базы, была создана лаборатория фотоупругости, существенно расширена механическая лаборатория. Однако Абрам Яковлевич не прекращает работу в СибНИА. Здесь он руководит группой молодых исследователей в составе Куршина, Прусакова, Брюккера и других, которая занимается созданием методов расчета и проектирования трехслойных пластин и оболочек.

Эти перспективные и конструктивные элементы, состоящие из двух внешних относительно тонких, но жестких слоев со средним слоем из легкого материала, позволяют достичь сочетания малого веса с высокой прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами. Вначале они получили применение в авиации, космической технике, а затем в строительстве и на железнодорожном транспорте. Однако существовавшие к тому времени методы расчета однослойных пластин и оболочек не всегда отражали основные особенности работы этих конструкций, что стало препятствием на пути их широкого внедрения. Работы эти производились как в теоретическом, так и экспериментальном плане.

Итогом этой многолетней работы стали монографии "Расчет трехслойных панелей" (1960 г. -19 п.л.), "Конструкции с заполнителями из пенопласта" (1962 г. и 1972 г.-11 п.л.), "Руководство для конструкторов самолетов и крылатых ракет" (1968 г. - 7,5 п.л.) и около 40 статей. Л.М.Куршин и Прусаков - первые ученики А.Я. Александрова, защитили вначале кандидатские, а затем и докторские диссертации. Лев Моисеевич Куршин - один из наиболее ярких учеников Абрама Яковлевича, он закончил НИВИТ и одновременно заочно механико-математический факультет Томского университета. Обидно рано ушел из жизни этот яркий талантливый человек.

В 1947 году вышла монография М.Фрохта "Фотоупругость" (переводное издание). Эта книга произвела на Абрама Яковлевича большое впечатление. Он стал с присущей ему энергией заниматься созданием лаборатории фотоупругости в нашем институте. Как известно, фотоупругость основана на свойстве многих прозрачных материалов становится при нагружении оптически анизотропными, причем мера этой анизотропии зависит от уровня напряжений в этом материале. Поэтому, если из подходящего прозрачного материала изготовить геометрически подобную модель какой-либо конструкции или детали, а затем нагрузить соответственно эту модель, то по возникающей на экране установки интерференционной картине можно расшифровать поле напряжения в модели, а затем используя теорию моделирования перейти к напряжениям в натурном изделии. Эта схема стала использоваться в лаборатории для исследования распределения давления по подошве фундамента, на поверхности сваи, для изучения напряжений в дисковых арках и в некоторых других случаях. Однако классическая схема применялась лишь для исследования упругих, в основном плоских задач.

Уже в те годы Абрам Яковлевич предложил принципиально новую схему поляризационно-оптического метода, которая впоследствии получила название метода фотоупругих покрытий. В этой схеме прозрачные слои из оптически чувствительных материалов наносятся (обычно наклеиваются) на поверхность конструкции и, в силу своей малой жесткости (для этих целей иногда используются даже прозрачные резины), просто повторяют деформации поверхности. Фотоупругое покрытие эквивалентно бесконечно большому количеству датчиков деформаций с практически нулевой базой измерения.

Такое предложение позволяет решать методами фотомеханики не только упругие, но и упруго-пластичные задачи, задачи теории ползучести, определять остаточные напряжения в натурных изделиях, изучать закономерности деформирования в таких малых объемах как зерно металла и т.д. Но вначале реализовать эту идею не удавалось, так как отсутствовали подходящие материалы для покрытий и клеев. Что-то начало получаться в середине 50-х годов после появления материалов на основе эпоксидных смол. Это направление оказалось настолько перспективным, что около 10 сотрудников, участвовавших в развитии этого направления, защитили кандидатские диссертации, а трое из них затем и докторские.

Своеобразным итогом этой большой работы, связанной как созданием метода фотоупругих покрытий, так и совершенствованием классических методов фотоупругости стала монография "Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела", которая вышла в Москве, в издательстве "Наука" объемом 38 печатных листов в 1973 г., написанная А.Я.Александровым в соавторстве с М.Х.Ахметзяновым. Всего по этому направлению опубликовано около 40 работ, а цикл исследований завершился присуждением Государственной премии СССР А.Я.Александрову и М.Х.Ахметзянову в 1980 году.

В этой большой работе участвовали доценты Л.А.Краснов, В.Н.Агуленко, С.П.Васильев, В.А.Кушнеров, Ф.Ф.Плешаков, Г.Н.Албаут, В.Н.Барышников и другие. В рамках этого направления позднее стали развиваться и другие оптические методы исследования деформаций на поверхности элементов конструкций, основанные на использовании лазеров. Это методы муаровых полос голографической интерферометрии, спектр-интерферометрии. В этом направлении работали и продолжают работать В.А.Жилкин, А.М.Попов, С.И.Герасимов, В.П.Кутовой, В.Б.Зиновьев, а также А.П.Устименко, А.Н.Черновол, В.П.Тырин, Л.А. Борыняк, ныне работающие в других организациях. Собственные школы создали В.А.Жилкин в Челябинском сельскохозяйственном университете, А.С.Ракин в Новосибирской водной академии, Л.А.Борыняк в Новосибирском педагогическом университете, Г.Н.Албаут в Новосибирской строительной академии. Все они - воспитанники школы прочнистов НИИЖТа.

Одновременно с развитием направления, связанного с фотоупругими покрытиями, в лаборатории большое внимание уделялось созданию методов исследования пространственных задач. Здесь основное внимание уделяется очень перспективному методу рассеянного света. На полученные здесь усовершенствования выдано 6 авторских свидетельств на изобретения. Большой вклад в эту работу внесли Ф.Ф.Плешаков, Р.А.Елистратов, а позднее В.М.Тихомиров, который защитил кандидатскую диссертацию по этой проблеме.

В 1985 г. НИИЖТом совместно с институтом Горного дела СО АН СССР был проведен всесоюзный семинар "Интерференционно-оптические методы механики твердого деформируемого тела и механики горных пород", посвященный 70-летию со дня рождения А.Я.Александрова.

В 1995 г. в нашем университете была проведена международная конференция "Фотомеханика - 95", посвященная памяти А.Я.Александрова. К нам приехали специалисты из Франции, Италии, Польши, Китая и из стран ближнего зарубежья. Конференция проводилась под эгидой международного оптического общества, труды ее изданы в США.

Третье научное направление, которое начало развиваться с приходом профессора А.Я.Александрова в наш институт, связано с решением пространственных задач теории упругости. Это наиболее сложный тип задач. Для плоских или двумерных решения получаются проще, здесь весьма эффективным оказалось применение аппарата теории функций комплексного переменного.

Этот метод получил название метода Колосова-Мусхелишвили, он замечательно изложен в известной монографии последнего. Абраму Яковлевичу принадлежит приоритет в установлении связи между плоскими и пространственными напряженно-деформируемыми состояниями, которые позволили использовать для решения некоторых типов пространственных задач аппарат теории функций комплексного переменного. Этот цикл исследований сразу же был замечен научной общественностью, и в 1964 году профессору Александрову была присуждена премия имени академика Галеркина, которая вручалась АН СССР один раз в 2 года и являлась самой престижной премией для механиков-упругистов.

Одним из первых аспирантов Абрама Яковлевича, работавшим по этому направлению, был Ю.И.Соловьев, который после защиты кандидатской диссертации предложил использовать для решения пространственных осесемметричных задач созданный им аппарат обобщенных аналитических функций и на этой основе подготовил докторскую диссертацию. Эти исследования были обобщены в монографии "Пространственные задачи теории упругости", которую написали профессора А.Я. Александров и Ю.И.Соловьев. Монография вышла в издательстве "Наука" в 1978 г. объемом 25 печатных листов. В настоящее время этим направлением руководит Ю.И.Соловьев, создавший собственную школу механиков-упругистов, в которой защитили кандидатские диссертации, Г.Ф. Залесов, А.Г. Власов и другие.

Еще в 1955 году Абрам Яковлевич опубликовал в трудах НИИЖТа несколько статей, в которых по-существу были заложены основные идеи метода граничных интегральных уравнений в варианте способа компенсирующих нагрузок. Позже, в 70-х годах, он возвращается к этим идеям, но уже с использованием возможностей счета, представляемыми ЭВМ. Созданная группа расчетчиков в составе Б.М.Зиновьева, Т.Ф.Кармановой, В.В.Шушунова активно занималась развитием этого очень перспективного направления. Б.М. Зиновьев уже после смерти Абрама Яковлевича защитил докторскую диссертацию, а его коллеги - Карманова и Шушунов - кандидатские диссертации.

В начале 60-х годов профессора А.Я.Александров и Л.М.Куршин совместно с В.К.Косенюком начинают заниматься вопросами выбора оптимальных параметров подкрепления отверстий в панелях. Как известно, отверстия в конструкциях являются местами концентраций напряжений, т.е. зонами откуда может начать расти усталостная трещина. Эта группа поставила перед собой задачу построить методику отыскания таких параметров подкрепления, при которых поле напряжений в пластине или оболочке с концентратором напряжений не отличалось бы от такового в сплошной панели. Это были первые шаги на пути оптимизации конструкций. Это направление продолжил И.Б.Лазарев, который развил методы ОПК, стал известным специалистом в этой области и руководителем научной школы оптимального проектирования конструкций. Он подготовил несколько кандидатов наук, среди них В.П.Валуйских, А.И.Круглов, П.В.Грес, Е.В.Редьков, написал две монографии.

Параллельно с международной конференцией "Фотомеханика-95" работала конференция "Расчетные методы механики деформируемого твердого тела" в составе 3-х секций. Одна секция была посвящена задачам теории упругости под руководством профессора Соловьева Ю.И., другая секция оптимального проектирования конструкций под руководством профессора Лазарева И.Б.

Необходимо отметить также исследования в области моделирования задач механики деформируемого тела. Наиболее существенные результаты были здесь получены профессором С.Д.Клячко и доцентом В.Б.Геронимусом. Первому принадлежит приоритет в области установления аналогий между температурными и изотермическими задачами, между задачами теории пластичности для изотропных и анизотропных материалов что позволяет в ряде случаев упростить постановку эксперимента, Владимир Борисович Геронимус развил идеи нелинейного подобия, стал известным специалистом в области моделирования, соавтором нескольких книг по подобию.

Развитые в нашей школе новые подходы широко использовались для решения многих инженерных проблем. С сентября 1964 года в нашем институте была организована отраслевая научно-исследовательская лаборатория прочности при кафедре строительной механики.

Период наибольшего расцвета и плодотворной деятельности НИЛ прочности приходится на 1970 -1985 годы. В лаборатории в это время работало около 30 человек штатного состава и около 40 совместителей. Совместителями были профессора, доценты и преподаватели кафедр строительной механики, теоретической механики, математики, физики, мостов и другие.

Научные исследования выполнялись по приказам МПС СССР и хоздоговорам. Заказчиками были: МПС (Главное управление пути), ВНИИЖТ, службы пути Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской, Забайкальской, Свердловской, Южно-уральской и Алма-Атинской железных дорог, Сибирский НИИ авиации, ЦАГИ, КБ Туполева, п/я Климовска, Миасса, Бийска, Ленинградский металлический завод, Институт электросварки имени Патона и многие другие.

Одной из первых тем в этой лаборатории была тема, связанная с определением уровня остаточных напряжений в железнодорожных рельсах. В те годы разрабатывалась технология закалки рельсов.

В первых партиях рельсов, прошедших объемную закалку, были обнаружены высокие остаточные напряжения, наблюдались даже случаи саморастрескивания рельсов. Для того чтобы откорректировать технологию термической обработки рельсов и их последующей правки, необходимо было научиться определять эти напряжения. На базе метода фотоупругих покрытий удалось создать оригинальную методику, которая ВНИИЖТом была признана в качестве образцовой, по которой оценивались все приближенные ускоренные методы контроля остаточных напряжений. Несколько лет в лаборатории определяли эти напряжения в опытных партиях термообработанных рельсов, что позволило отработать режимы закалки и последующего отпуска при допустимых уровнях остаточных напряжений. В этих исследованиях активное участие принимали В.А.Кушнеров и Ф.Ф.Плешаков. К большому горю оба они очень рано ушли из жизни.

В этот же период нашей лаборатории начинает работать Г.И.Тарнопольский; область его интересов - проблемы надежности железнодорожных рельсов. Используя статистические данные о выходе рельсов по различным дефектам при различных условиях эксплуатации, то есть рассматривая железнодорожный путь как естественную лабораторию, где непрерывно идут испытания на надежность под воздействием потока случайных нагрузок, он строит модели отказов железнодорожных рельсов, которые позволяют решать такие задачи, как планирование ремонта железнодорожного пути, оптимальное размещение рельсовых ресурсов, планирование сроков использования средств дефектоскопии и др. В то время эти работы встретили сопротивление, неприятие, особенно со стороны сотрудников ВНИИЖТа. Сейчас, просматривая работы этих сотрудников, видишь, что они занимаются перепевом тех идей, которые лет двадцать тому назад разрабатывались в нашей лаборатории, где этими исследованиями занимались уже ученики Г.И.Тарнопольского - В.Н.Шкляр и И.Ф.Сухов.

За последние двадцать лет лидирующими отказами железнодорожных рельсов стали отказы по контактно-усталостным дефектам типа поперечных и продольных трещин в головке рельса и по боковому их износу в кривых. Поперечная трещина, возникает на глубине 10- 12 мм от поверхности катания и постепенно развиваясь может привести к поперечному излому рельса. В лаборатории на базе метода составных моделей была разработана методика определения контактных напряжений в головке рельса, выяснены наиболее неблагоприятные условия контакта, оценены с точки зрения этих напряжений различные предложения по изменению формы поверхности катания колес и рельс, даны оценки ресурса рельсов с поперечной трещиной, получены количественные данные об эффективности усиления ослабленного сечения рельса стыковыми накладками. В этих работах принимали участие В.Н.Агуленко, В.П.Тырин, которые защитили кандидатские диссертации на основе материалов исследований.

Проблема износа стала острейшей на железнодорожном транспорте. Боковой износ гребней колес и головки рельсов возрос в несколько раз, участились случаи поломки колес. В нашем университете под руководством профессора К.Л.Комарова создан коллектив, объединяющий специалистов из нескольких кафедр и нескольких институтов.

В работе, изучающей проблемы износа рельса, участвуют и специалисты СибНИА, где работают над созданием уникального стенда для испытания вагонных колес. Проблема взаимодействия колеса и рельса носит комплексный характер. Здесь тесно переплетаются механика, физика, химия, а именно такие темы успешно решают учебные вузы, где работают специалисты разных отраслей.

Абрам Яковлевич, как выпускник железнодорожного института, не мог пройти мимо проблемы угона железнодорожного пути. Эта уникальная задача интересовала многих исследователей. Только в нашем институте ей занимались Фришман в годы войны, а, позднее профессора В.Г.Альбрект и М.С.Боченков. Большинство исследователей строили модели угона, основываясь на различного типа гипотезах кинетического или силового характера. В работах А.Я.Александрова и В.М.Абраменко угон определялся чисто расчетным путем для балки с односторонними вертикальными связями, работающей с отлипанием и проскальзыванием относительно упругого основания. Расчетами были получены величины угона примерно равные тем, которые наблюдались в пути, но главное - появилась методика, которая позволяла прогнозировать угон пути при изменении условий эксплуатации, т.е. при изменении конструкции пути, при использовании новых типов вагонов, при изменении нагрузок и т.д. К сожалению, эти работы прекратились. Вслед за Абрамом Яковлевичем очень рано ушел из жизни В. М. Абраменко.

Руководителем научной школы по интерференционно-оптическим методам исследования задач механики деформируемого тела стал д-р техн. наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, академик академии транспорта Марат Халикович Ахметзянов.

Под его руководством продолжены исследования методами интегральной фотоупругости осесимметричных пространственных задач, контактных напряжений в железнодорожных рельсах с использованием методов голографической фазовой интерферометрии. Совместно с Р.А.Елистратовым были разработаны новые схемы измерений при исследовании пространственных задач методом рассеянного света, при этом были получены 6 авторских свидетельств на изобретения.

В 1993 г. под руководством М. Х. Ахметзянова была начата разработка системы контроля за температурными усилиями в рельсовых плетях бесстыкового пути на основе применения фотоупругого датчика деформаций. Тихомировым В.М. и Шабановым А.П. была отработана технология приклейки датчиков на шейку железнодорожного рельса, разработан и изготовлен прибор позволяющий визуально измерять температурные усилия. Работы в этом направлении продолжаются.

В настоящее время также продолжается цикл исследований по механике разрушения. Здесь экспериментальные работы сочетаются с расчетными. Используя весь арсенал разработанных интерференционно-оптических методов, удалось выяснить закономерность развития трещин, результаты были доложены М.Х.Ахметзяновым на 7 Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (1991 г.) и на 8 Всероссийском съезде (2001 г.) в совместном докладе с Г.Н.Албаут и В.М.Тихомировым.

В 80-90-х годах был выполнен цикл работ по использованию методов голографической интерферометрии при исследовании задач механики деформируемого твердого тела. Разработка и применение накладного голографического интерферометра Л.А.Борыняком и С.И.Герасимовым позволило решить проблему компенсации жестких перемещений при определении напряженно деформированного состояния элементов конструкций. В этот же период В.П.Кутовым при комплексном применении методов лазерной интерферометрии и томографии был разработан расчетно-экспериментальный метод решения наиболее сложных задач механики деформируемого твердого тела – пространственных. По результатам исследований в области лазерной интерферометрии подготовили и успешно защитили докторские диссертации Л.А.Борыняк(1996), С.И.Герасимов (1997 г.) и В.П.Кутовой (1999 г.). Развитые в более ранних работах основы метода нелинейной фотоупругости (для задач механики разрушения), легли в основу докторской диссертации Г.Н.Албаут. А.М.Попов завершил в 2000 году докторскую диссертацию по развитию метода муаровых полос и успешно защитил ее. В 2004 г. В.М. Тихомиров защитил докторскую диссертацию "Расчетно-экспериментальные методы исследования трехмерных задач механики разрушений".

В итоге в СГУПСе сложилась уникальная школа по интерференционно-оптическим методам исследования задач механики твердого деформируемого тела, равной которой по научному уровню не существует ни в России, ни в странах ближнего зарубежья.

По результатам работ, выполненных за все годы, было опубликовано 9 монографий; более 700 статей; защищено 63 диссертации, из них 46 кандидатских и 18 докторских. Докторские диссертации защитили:
1. Куршин Л.М. (1966 г.);
2. Прусаков А.П. (1966 г.);
3. Махо Г.П. (1966 г.);
4. Соловьев Ю.И. (1967 г.);
5. Ахметзянов М.Х. (1970 г.);
6. Клячко С.Д. (1975 г.);
7. Лазарев И.Б. (1980 г.);
8. Жилкин В.А. (1984 г.);
9. Чебаевский Б.П. (1986 г.);
10. Бабков В.В. (1990 г.);
11. Ракин А.С. (1990 г.);
12. Зиновьев Б.М. (1990 г.);
13. Борыняк Л.А.; (1996 г.)
14. Герасимов С.И. (1997 г.);
15. Албаут Г.Н. (1999 г.);
16. Кутовой В.П. (1999 г.);
17. Попов А.М. (2000 г.).
18. Тихомиров В.М. (2004 г.)

Поделиться: