Эффекты при отражении волны напряжений в деревянных образцах

Введение. Волновые процессы распространения напряжений и деформаций в древесине как в конструкционном материале имеют свои особенности. Геометрическая форма элементов деревянных конструкций как граница физических сред, конструктивная форма узлов и соединений, обычно из стальных элементов, клеевые слои, слои модифицированной клеем древесины создают сложные граничные условия развития напряженно-деформированного состояния.

Цель. Обоснование модели процесса отражения волны напряжения от границы среды в деревянном образце, с качественной и количественной оценками изменения напряжения во времени и по геометрической длине образца. Модель деформирования древесины как природного полимера позволит на основе кинетической теории прочности обосновать длительную прочность древесины и деревянных конструкций.

Материалы и методы. Проанализированы исследования Г. Кольского, Р.М. Дейвиса, Ю.Н. Работнова в части обоснования предложенной модели волновых процессов в древесине и деревянных конструкциях. Дополнительно обоснована гипотеза о влиянии волнового распространения деформаций на длительную прочность. Численный эксперимент показал эффекты при отражении волны напряжений от границ принятой упругой ограниченной среды. Предложены две новые гипотезы: в зависимости от физических свойств материала и геометрических размеров элемента строительной конструкции, а также величины и продолжительности приложения внешней нагрузки может быть определен так называемый «порог глубины», глубже которого начинает проявляться полный волновой эффект распространения напряжения в объеме образца; тороидальное тело с длиной, многократно превышающей его диаметр, стремящейся к бесконечности, можно считать цилиндром бесконечной длины, моделирующей бесконечную среду.

Результаты. Напряжения распространяются в объеме образца волнообразно, постепенно затухая до значения в 27 МПа эквивалентного напряжения по Мизесу, в состоянии покоя нагруженного образца. Напряжения на поверхности приложения внешней нагрузки стабилизируются быстрее, волновые процессы изменения напряжений характеризуются незначительной амплитудой.

Выводы. В численном и натурном экспериментах выявлена закономерность, подтвердившая ранее сформулированную гипотезу о значительном превышении значения волны напряжения над величиной напряжения в состоянии покоя нагруженного элемента. При сжатии образца выявлен эффект колебания волны напряжения отражения, амплитуда которой устанавливается относительно значения напряжения в состоянии покоя.

1. <i>Кольский Г.</i> Волны напряжений в твердых телах. Москва: Изд-во иностр. лит-ры; 1955.

2. <i>Дейвис Р.М</i>. Волны напряжений в твердых телах. Москва: Изд-во иностр. лит-ры; 1961.

3. <i> Работнов Ю.Н.</i> Механика деформируемого твердого тела. 2-е изд. Москва: Наука; 1988.

4. <i>Романов П.Г., Сивцев П.В.</i> Численное моделирование волновых проявлений сопротивления деревянного образца с идеализированной анизотропией упругих параметров. Строительная механика и расчет сооружений. 2020;(1):37–43.

5. <i>Romanov P.G., Sivtsev P.V.</i> Features of the deformation of cross-glued wooden panel structures for northern construction. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;625(1):012018. https://doi.org/10.1088/1755-1315/625/1/012018.

6. <i>Romanov P.G., Sivtsev P.V.</i> Features of modeling of stress and strain waves in an anisotropic medium on the example of a wooden element. Journal of Physics: Conference. 2021;2131(3):032089. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/3/032089.

7. <i>Романов П.Г. Сивцев П.В.</i> Численный эксперимент по испытаниям на сдвиг перекрестно-склеенного деревянного элемента. Строительная механика и расчет сооружений. 2023;306(1):56–64. https://doi.org/10.37538/0039-2383.2023.1.56.64.

8. <>iSivtsev P.V., Romanov P.G.</i> Numerical modeling of deformation of cross-glued pine wood samples. AIP Conference Proceedings. 2022;2528(1):020017. https//doi.org/10.1063/5.0106881.

9. <i>Romanov P.G., Sivtsev P.V.</i> Visualization of deformation and stress waves in wooden solid and glued elements of building structures. Scientific Visualization. 2024;16(1):95–104. https://doi.org/10.26583/sv.16.1.08.

10. <i>Романов П.Г.</i> Численное моделирование напряженно-деформированного состояния узла соединения ДПК-панелей. Строительная механика и расчет сооружений. 2025;(1):2–8. https://doi.org/10.37538/0039-2383.2025.1.2.8.