Дослідження та математичне моделювання дробово-диференціальних реологічних моделей

Abstract

Досліджено процеси деформування у середовищах із фрактальною структурою. Дослідження, які стосуються питань побудови математичних методів та моделей взаємозв’язаних деформаційно-релаксаційних та тепломасообмінних процесів у середовищах із фрактальною структурою, сьогодні на початковому етапі. Серед нерозв’язаних задач, зокрема, до кінця не розв’язаною залишається задача коректного та фізично осмисленого формулювання початкових і граничних умов для нелокальних математичних моделей нерівноважних процесів у середовищах із фрактальною структурою. Для розроблення адекватних математичних моделей процесів тепломасоперенесення та в’язкопружного деформування у середовищах із фрактальною структурою, для яких характерні ефекти пам’яті, самоорганізації та просторової нелокальності, детермінованого хаосу та мінливості реологічних властивостей матеріалу, необхідно застосовувати нетрадиційні підходи, зокрема використовувати математичний апарат дробових інтегро-диференціальних операторів. Наявність у диференціальних рівняннях дробової похідної за часом характеризує ефекти пам’яті (еридитарності) або немарковість процесів моделювання. Математичні моделі можна реалізувати як аналітичними, так і чисельними методами. Зокрема, у цій роботі наведено інтегральний вигляд дробово-диференціальних реологічних моделей на підставі використання властивостей нецілочисельного оператора інтегродиференціювання та методу перетворення Лапласа. Отримані аналітичні розв’язки математичних моделей деформування у в’язкопружних фрактальних середовищах дали можливість одержати термодинамічні функції, ядра повзучості та релаксації фрактального типу. Розроблено програмне забезпечення для дослідження впливу параметрів дробового диференціювання на реологічні властивості в’язкопружних середовищ. Виконані дослідження дають можливість підвищити ефективність математичного моделювання процесів в’язкопружного деформування матеріалу з урахуванням ефекту “пам’яті” та самоорганізації, зменшивши залишкові напруження у матеріалі та визначивши адекватний напружено-деформаційний стан. Окрім цього, наведеними результатами можна скористатись для розв’язання задач параметричної ідентифікації математичних моделей у в’язкопружних середовищах із фрактальною структурою.

Deformation processes in media with fractal structure have been studied. At present, research on the construction of mathematical methods and models of interconnected deformation-relaxation and heat-mass transfer processes in environments with a fractal structure is at an early stage. There are a number of unsolved problems, in particular, the problem of correct and physically meaningful setting of initial and boundary conditions for nonlocal mathematical models of nonequilibrium processes in environments with fractal structure remains unsolved. To develop adequate mathematical models of heat and mass transfer and viscoelastic deformation in environments with fractal structure, which are characterized by the effects of memory, selforganization and spatial nonlocality, deterministic chaos and variability of rheological properties of the material, it is necessary to use non-traditional approaches – differential operators. The presence of a fractional derivative in differential equations over time characterizes the effects of memory (eridity) or non-marking of modeling processes. The implementation of mathematical models can be carried out by both analytical and numerical methods. In particular, in this paper the integral form of fractionaldifferential rheological models is obtained on the basis of using the properties of the non-integer integral-differentiation operator and the Laplace transform method. The obtained analytical solutions of mathematical models of deformation in viscoelastic fractal media made it possible to obtain thermodynamic functions, creep nuclei and fractal-type relaxation. Developed software to study the effect of fractional differentiation parameters on the rheological properties of viscoelastic media.