Новое слово в науке о прочности

УДК 624.2

Новое слово в науке о прочности

В.М.Никитин

Аннотация

Анализ научной, инженерной и педагогической деятельности профессора А.П. Филина, 85-летний юбилей которого отмечается в этом году.

Ключевые слова: деятельность; труды; расчёты; конструкции; механика деформируемых тел; прочность.

Введение

5 декабря 2005 года известному ученому, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, профессору Анатолию Петровичу Филину исполняется 85 лет. С его именем связана не только научная деятельность высших учебных заведений, в которых он преподавал и заведовал кафедрами (ТбИИЖТ, ХабИИЖТ, ЛИИЖТ, ЛИИВТ, ЛКИ), но и развитие наук прочностного цикла в целом. Он был в числе первых, кто своими трудами подготовил почву для перехода научных исследований и учебных программ на новую ступень, связанную с компьютеризацией процессов вычислений.

1.Вехи жизненного пути

Свое обучение, после окончания в 1938 году средней школы, А.П. Филин начал в Ленинградском кораблестроительном институте, а закончил в 1945 году Тбилисский институт инженеров железнодорожного транспорта, где с 1945 по 1947 год обучался в аспирантуре по специальности «Искусственные сооружения». Уже в 1947 году он -кандидат технических наук. В 1947-49 г.г.- младший научный сотрудник Бюро антисейсмического строительства Академии наук Грузинской ССР. В 1949-53 г.г. -преподаватель, а с1951 г. - заведующий кафедрой строительной механики Хабаровского института инженероов железнодорожного транспорта. В1950 году защитил в ЛИИЖТе докторскую диссертацию и в 1953 году был приглашен на работу в ЛИИЖТ, где проработал до 1979 года, заведуя кафедрами «Сопротивление материалов» (1957-59) и «Строительная механика» (1959-76), одновременно являясь руководителем Механической лаборатории имени профессора Н.А. Белелюбского. С 1979 по 1994 г.А.П. Филин работал в ЛКИ профессором кафедры «Сопротивление материалов» (1979-84 и 198994), заведующим этой кафедрой (1984-89), деканом факультета повышения

квалификации преподавателей (1983-92). В 1994 году он эмигрировал в США.

2. Научная и инженерная деятельность

Научная и инженерная деятельность профессора А.П. Филина связана со многими разделами механики и типами конструкций (мосты, арочные плотины, оболочки покрытий, корпуса судов, фюзеляжи вертолетов, кузова вагонов, сильфоны). Характерной чертой его научной деятельности является применение в прикладной механике такого математического аппарата, который ранее в ней почти не использовался, но который, с одной стороны, позволяет более удачно формулировать и развивать теорию, а, с другой стороны, облегчает практическое решение с применением ЭВМ. Примером сказанному является введение А.П. Филиным в арсенал расчетных средств механики теории матриц, теории линейных пространств и теории графов.

Уже в 1960 году на конференции по теории пластин и оболочек в г. Казани им была предложена стержневая расчетная схема оболочки, описание которой осуществлено с применением матричного формализма.

В 1961 году был издан составленный А.П. Филиным и переведенный под его редакцией с английского языка на русский сборник статей «Современные методы расчета сложных статически неопределимых систем». Это была первая книга на русском языке, посвященная применению ЭВМ в расчетах сложных конструкций с использованием матричного представления информации. В нее была включена большая статья А.П.Филина, посвященная разделам линейной алгебры, используемой при расчете конструкций. В этой статье, кроме классификации матриц и описания операций над ними, рассматривается n - мерное эвклидово пространство, понятие базиса в нем, полнота системы базисных векторов с интегральным представлением скалярного произведения векторов. Обсуждается использование n - мерного эвклидова пространства в строительной механике стержневых систем (в последующих работах этот вопрос рассмотрен более детально). Кроме этого, в той же статье дана матричная трактовка линейных преобразований и действий с ними, рассмотрено приведение матриц к диагональному виду, обсуждается проблема собственных чисел и собственных векторов, предложен матричный алгоритм метода начальных параметров.

В 1962 году А.П. Филиным был предложен алгоритм расчета решетки из двух систем пересекающихся стержней. Такая система может рассматриваться как инженерная расчетная схема оболочки, в которой не учтена пуассонова поперечная деформация и которая требует соответствующей модификации распределения касательных напряжений в поперечном сечении при переходе от стержня к оболочке.

2

В его монографии (Филин А.П., 1966) уделено внимание ряду принципиальных вопросов теории и практики расчета стержневых систем. Показано, как влияет вид основной системы на меру обусловленности матрицы канонических уравнений и меру устойчивости обратной ей матрицы, а, значит, и на точность вычислений. Рассматривается принципиальный вопрос возможного, а при высокой степени статической неопределимости, необходимого отказа от использования понятий основной системы и систем соответствующих неизвестных. Автор находит удачное сравнение, говоря, что указанные понятия можно уподобить строительным лесам, позволяющим построить здание общих методов расчета. Поскольку здание уже построено, то от лесов можно отказаться. Такой отказ полезен и потому , что позволяет глубже проникнуть в сущность проблемы расчета статически неопределимых стержневых систем, чем при использовании вышеупомянутых понятий. В своей книге А.П. Филин не ограничивается только обсуждением данной проблемы, а формулирует условия, которым должна удовлетворять система линейно независимых вектор-функций, приходящая на смену традиционным понятиям и приводит алгоритм ее построения.

В 1962 - 64 г.г. в Механической лаборатории ЛИИЖТа под руководством и непосредственном участии А.П. Филина с применением упомянутого выше алгоритма был выполнен расчет плотины Ингурской ГЭС (высота 300 м, пролёт 600 м) как оболочки сложной формы. Полученные результаты оказались достаточно близкими к

экспериментальным, полученным другими институтами (МИСИ, ВНИИГ).

Подтверждением заслуг А.П. Филина и руководимого им коллектива в ЛИИЖТе в области расчётов с применением ЭВМ явилось Совещание по применению ЭЦВМ в строительной механике, проходившее в пленарносекционном режиме в ЛИИЖТе и в Ленинградском Доме учёных. Совещание привлекло около 500 участников из более чем сорока городов страны и получило статус Всесоюзной конференции, которой был присвоен первый номер. Это совещание послужило началом проведения ряда одноимённых конференций (в Киеве, Тбилиси, Ташкенте, Таллинне, Ленинграде), на которых А.П. Филин всегда был членом оргкомитета и выступал с пленарным докладом.

К середине 70-х годов в мировой научно-технической литературе, посвященной дискретным расчётным схемам, использовавшимся в механике твердого деформируемого тела, было опубликовано огромное количество трудов. Возникла важная проблема их систематизации. Она была успешно решена. (Филин А.П., 1972) на основе анализа более трёхсот отечественных и зарубежных работ. Особое внимание было уделено путям согласования континуального объекта с дискретным объектом, так как

3

этот момент является одним из наиболее ответственных этапов всего процесса проектирования.

Методу конечных элементов (МКЭ) посвящена целая серия работ А.П. Филина. В одной из них построен совместный конечный элемент для расчёта сильфонов, не требующий дифференцирования искомых функций. В остальных работах предложены: новый смешанный метод построения базиса; метод построения явных базисных функций, точно воспроизводящих смещение элемента как жёсткого тела; подход к обеспечению совместности при корректном представлении жесткого смещения; комбинированное использование МКЭ и классических прямых методов решения краевой задачи; метод построения базиса, точно описывающего смещение и не зависящего от способа закрепления конечного элемента. Не был оставлен без внимания и вопрос применения МКЭ к пространственной задаче теории упругости.

Проблема алгоритмизации построения систем разрешающих уравнений теории стержневых систем с использованием теории графов нашла отражение в книге (Филин А.П. и др., 1983), вышедшей под общей редакцией А.П. Филина.

Целый ряд новых научных результатов получен А.П. Филиным и в области оптимизации конструкций (мостовых арок, арочных плотин, обделок тоннелей, балок, в том числе на упругом основании), как в линейной, так и в нелинейной постановках. Этой проблеме были посвящены его первые работы, в которых рассматривалась работа мостовых арок. К вопросу оптимизации А.П. Филин возвращался неоднократно, привлекая аппарат вариационного исчисления и линейного программирования. Им была предложена модель пространственной верёвочной сети, автоматически принимающей единственное, статически определимое очертание, соответствующее системе сосредоточенных параллельных сил. Такая сеть является основой для построения рационального очертания срединной поверхности оболочки, что и было использовано А.П. Филиным для отыскания очертания арочной плотины.

Теория оболочек нашла отражение в целом ряде работ (Филин А.П.,1987). Им предложены две теории непологих оболочек (выведены все уравнения), по принципу построения аналогичные теории пологих оболочек. и получены два варианта разрешающих уравнений нелинейной теории осесимметрично деформируемых оболочек вращения.

А.П. Филиным выполнен целый ряд математических работ.Им был предложен метод решения краевой задачи, из которого, как частные случаи, вытекают методы Галёркина и Треффтца, в замкнутом виде решена проблема интерполяции функции нескольких переменных, предложена экономная матричная форма для многократных интегралов.

В последние годы в творчестве А.П. Филина важное место

4

занимает история вообще и история науки, в частности. Им написаны интереснейшие воспоминания об академиках С.П.Тимошенко, К.С.Завриеве, профессорах А.Н.Митинском и К.Г.Протасове.

В рукописном отделе библиотеки ПГУПСа имеется несколько томов воспоминаний А.П. Филина о его жизненном пути, в том числе и о работе в ЛИИЖТе.

3. Педагогическая деятельность

Преподавательская работа А.П. Филина проходила в пяти перечисленных ранее вузах страны. Пожалуй в ЛИИЖТе, где он проработал дольше всего, талант А.П. Филина - педагога проявился наиболее ярко. Здесь существенным было то, что он начал работать совместно с такими выдающимися педагогами как профессор А.Н. Митинский на кафедре «Статика сооружений» и В.К. Качурин на кафедре «Сопротивление материалов». Последний бережно хранил традиции, сформировавшиеся при Н.М. Беляеве. От них А.П. Филин и принял эстафету, сохраняя всё лучшее, что было до него и на этой основе реализуя новые идеи. Студентам он читал курсы статики сооружений, теории упругости, динамики и устойчивости сооружений. Всем, кому посчастливилось слушать лекции или выступления А.П. Филина, запомнили его как блестящего оратора, умеющего самую сложную проблему изложить в доступной даже для не специалиста форме.

По его инициативе на факультете «Мосты и тоннели» была проделана большая работа по приёму студентов в специальную группу с усиленной механико-математической подготовкой инженеров, предназначавшихся для выполнения научных работ.

В книге ректора ЛИИЖТа Е.Я. Красковского «ЛИИЖТ в пути» 1990 г по этому поводу сказано: “В современных условиях целевой подготовки специалистов по заказам производства представляет интерес опыт мостового факультета 70-х годов по выпуску инженеров с углублённым изучением фундаментальных дисциплин (идеи кафедры строительной механики, проф. А.П. Филин). Специалисты, получившие такую подготовку, направлялись для ведения научных исследований и автоматизированного проектирования искусственных сооружений.”

А.П. Филиным был разработан учебный план для таких спецгрупп,. включавший ряд дисциплин в дополнение к дисциплинам обычного плана. К числу их относились: высшая алгебра, вариационное исчисление, приближенные методы математического анализа, теория функций комплексного переменного, теория вероятностей и статистические методы, векторное и тензорное исчисление, аналитическая механика, теория пластин и оболочек, теория моделирования и экспериментальные методы механики.

5

Введение спецгрупп подняло всю учебную работу кафедры на новый более высокий, уровень. Большинство выпускников спецгрупп активно включились в научную работу и защитили диссертации.

По инициативе профессора А.П. Филина были сделаны реальные шаги (приобретение ЭВМ, создание специализированной лаборатории) к использованию современной вычислительной техники в учебном процессе. В этом вопросе кафедра заняла одно из ведущих мест в стране.

Понадобилась и учебная литература, отвечающая новым требованиям. В соответствии с этим, были написаны необходимые учебники (Филин А.П., 1975) и учебные пособия (Филин А.П., 1971). Они были рассчитаны и на аспирантов, преподавателей и инженеров-прочнистов. Свой опыт преподавания наук прочностного цикла А.П. Филин обобщил в период его работы в ЛКИ (Филин А.П., 1993). Характерной особенностью его книг является обсуждение в них многих вопросов, связанных с физикой явлений, новыми материалами, (Филин А.П., 1978) с применением адекватного математического аппарата, (Филин А.П., 1994) с элементами теории трещин и теории композитов (Филин А.П., 1975) с историей науки и её творцами (Филин А.П., 1993).

4.Заключение

Всего профессором А.П. Филиным опубликовано более 150 работ, из которых 22 - книги, в том числе трёхтомник «Прикладная механика твёрдого деформируемого тела», названный в монографии профессора Н.М. Малинина «Кто есть кто в сопротивлении материалов» энциклопедией науки о прочности.

Своими обширными знаниями А.П. Филин щедро делился со своими ученикам (студентами, аспирантами, соискателями).Под его руководством 56 человек написали и защитили кандидатские диссертации. Из них 13 в дальнейшем стали докторами и профессорами. Сам Анатолий Петрович Филин являлся активным членом диссертационных Советов по защите докторских и кандидатских диссертаций. Он 190 раз выступал официальным оппонентом (из них 60 раз по докторским диссертациям) в 38 Советах в 16 городах.

Анатолий Петрович и сейчас не прерывает интенсивной творческой деятельности. Он завершает работу над книгами «Какова она есть механика твёрдого деформируемого тела?» и «Хронология важнейших открытий в механике твёрдого деформируемого тела». Все почитатели таланта Анатолия Петровича Филина будут с нетерпением ждать выхода их в свет, что наверняка явится ещё одним его новым словом в науке о прочности.

6

5.Литература

Филин А.П. Матрицы в статике стержневых систем. -Л.- М.: Стройиздат. -1966. - 440 с.

Филин А.П. Приближённые методы математического анализа,

используемые в механике твёрдых деформируемых тел.- Л.: Стройиздат. - 1971. - 160 с.

Филин А.П. Современные проблемы использования ЭЦВМ в механике твёрдого деформируемого тела.- Л.: Стройиздат. -1972. - 72 с.

Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела. Т.1.-М.: Наука. - 1975. - 832 с.

Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела. Т.2.-М.: Наука. - 1978. - 616 с.

Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела. Т.3.-М.: Наука. - 1981. - 480 с.

Филин А.П., Тананайко О.Д., Чернева И.М., Шварц М.А. Алгоритмы

построения разрешающих уравнений механики стержневых систем.-Л.: Стройиздат. - 1983. - 232 с.

Филин А.П. Элементы теории оболочек. Издание третье. - Л.: Стройиздат.

1987. - 384 с.

Филин А. П. Введение в строительную механику корабля. - СПб.: Судостроение. - 1993. -640 с.

Филин А.П. Элементы статики стержневых систем. - СПб.: Изд-во ГМТУ.-1994. - 362 с.

7