Механика развивалась на Дальнем Востоке, и, в частности, во Владивостоке, задолго до создания ИАПУ ДВО РАН. Техническое образование в Дальневосточном регионе насчитывает более ста лет. Здесь всегда творчески работали инженеры: строители и кораблестроители, специалисты по силовому и электротехническому оборудованию судов и технологи по обработке металла, проектировщики зданий и сооружений, создатели физических методов геологоразведки, сейсмоакустики и акустики океана. Все они в своем творчестве становились исследователями-механиками. Говоря об истории дальневосточной механики, прежде всего необходимо вспомнить таких признанных ученых, как В.П. Вологдин, Н.В. Барабанов, Н.Г. Храпатый, Б.Ф. Титаев, В.И. Комиссаров и др. Предметом же нашего очерка является не развитие механики Дальнего Востока в целом, а только творческая деятельность ученых-механиков в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН. Так как отдельный очерк доктора технических наук О.В. Абрамова, помещенный в данном номере журнала, посвящается теории управления и теории надежности, то здесь речь пойдет лишь о механике сплошных сред и конструкций. Мы не станем затрагивать также замечательные работы ученых-механиков - создателей подводной робототехники. Эти работы под руководством академика Михаила Дмитриевича Агеева были начаты в ИАПУ ДВО РАН, а теперь продолжаются в Институте проблем морских технологий ДВО РАН. Мы не станем описывать исследования по динамике океана и атмосферы, проводимые в ИАПУ ДВО РАН до 1985 года. Отметим только, что они были тесно связаны с исследованиями ТОИ ДВО РАН, который выступал в качестве ведущего института.
В нашем очерке мы остановимся на развитии механики сплошных сред в ИАПУ ДВО РАН за последние двадцать лет. Но все же, невозможно не отметить более раннюю деятельность доктора физико-математических наук В.В. Пикуля и возглавляемой им лаборатории. Теория пластин и оболочек, включая многослойные, созданная в рамках этой лаборатории, выгодно отличается от классических подходов корректным отношением к законам сохранения и потому оказывается более точной, заметно не теряя в простоте используемого математического аппарата. Соответствующие методы для новой математической модели тонкостенных конструкций был также разработан в лаборатории.
В 1987 году по инициативе председателя Президиума ДВО РАН академика В.И. Ильичева и академика Е.В. Золотова для работы на Дальнем Востоке приглашаются такие выдающиеся русские ученые, как В.П. Мясников, В.П. Коробейников, Г.П. Черепанов, Г.И. Быковцев, В.В. Величенко. С этими именами во многом связан прогресс в развитии механики в XX веке. К сожалению, нам не хватило чуткости и внимания для того, чтобы Геннадий Петрович Черепанов остался работать на Дальнем Востоке. А ведь он к этому стремился, переехал сюда с семьей, был преисполнен творческих планов по созданию исследовательского коллектива по разрушениям материалов.
Новый этап в развитии механики в ИАПУ ДВО РАН начинается с избранием Вениамина Петровича Мясникова директором института, а Геннадия Ивановича Быковцева - заместителем директора по науке. В институте создается лаборатория механики деформируемого твердого тела, которую составили ученики Г.И. Быковцева, переехавшие с ним на Дальний Восток - А.А. Буренин, А.И. Хромов, Ю.В. Фофанов, М.Н. Осипов, В.А. Рычков, А.П. Наумкин, А.И. Царев. Позднее была создана лаборатория экспериментальных методов в механике, которую возглавил замечательный экспериментатор Михаил Николаевич Осипов. Под руководством блестящего инженера, кандидата технических наук Владимира Васильевича Игнатьева создается лаборатория нетрадиционных транспортных средств. И опять с сожалением приходится констатировать, что не удалось закрепить на Дальнем Востоке и М.Н. Осипова, и В.В. Игнатьева. На память об их работе остались только замечательные результаты экспериментов (голограммы областей пластического течения в окрестностях распространяющихся трещин разрушения) и фотографии самолета на воздушной подушке.
В становлении теперь уже признанной Дальневосточной школы по механике деформирования определяющую роль сыграл Геннадий Иванович Быковцев. Наряду с работой в ИАПУ ДВО РАН при его самом деятельном участии создавался исследовательский коллектив механиков г. Комсомольска-на-Амуре, где до настоящего времени работают его ученики и сподвижники - В.И. Одиноков, А.И. Хромов. Притягательная сила личности профессора Г.И. Быковцева была столь велика, что молодые перспективные ученые ехали за ним на Дальний Восток (здесь надо еще вспомнить В.В. Катрахова, С.М. Ситника, А.И. Сазонова, А.Г. Быковцева) не за степенями, званиями и должностями, а лишь для того чтобы работать рядом с ним, учиться у него, чувствовать каждодневную творческую поддержку. А как вдохновляло его умение радоваться научным результатам соратников и учеников! Мудрость его заключалась еще и в том, что уже в 1988 году по его деятельной инициативе был произведен набор на новую специальность ДВПИ им. Куйбышева "Прикладная математика" и чуть позже открыта базовая кафедра Математического моделирования и информатики ДВГТУ при ИАПУ ДВО РАН. "Пока мы учим, мы учимся, а наука в качестве деятельности по получению новых знаний и есть учеба" - любил повторять Геннадий Иванович, и подавал в этом блестящий пример. Он, научный руководитель около пятидесяти кандидатских диссертаций и нескольких докторских, читал лекции на первых курсах (старших еще не было), руководил курсовыми работами, только поруководить дипломами не успел. Но его убеждение в совершенной необходимости такой деятельности передалось его ученикам и последователям, как во Владивостоке, так и в Комсомольске-на-Амуре. Трудно представить наш институт без выпускников базовой кафедры, они составляют в наше время основное молодежное творческое звено не только лаборатории механики деформируемого твердого тела, но и лабораторий спутникового мониторинга, математического моделирования экологических систем, машинной графики и др. Квалификация и уровень полученных научных результатов некоторых из них (Л.В. Ковтанюк, В.Е. Рагозина, Е.В. Ласт) позволяют им уже сейчас стать во главе научных направлений. Только шесть лет проработал Геннадий Иванович в ИАПУ ДВО РАН, но дальневосточная механика без его имени немыслима.
Важнейшим моментом для развития механики на Дальнем Востоке было создание в 1989 году специализированного совета по защите докторских диссертаций. Напомним, что требования к докторским диссертациям в то время были исключительно жесткими, диссертационных советов были единицы, и открытие такого совета в ИАПУ ДВО РАН явилось, главным образом, признанием научных заслуг В.П. Мясникова, В.П. Коробейникова, Г.И. Быковцева, В.В. Пикуля, Н.Г. Храпатого, Б.И. Друзя, К.П. Горбачева и других дальневосточных ученых. Факт для дальневосточной механики весьма отрадный, что в составе совета согласились работать московские ученые: В.А. Левин, С.А. Шестериков, А.Г. Куликовский - все они в последствии стали членами-корреспондентами РАН. Совместное прослушивание и обсуждение новых докторских диссертаций, а защищались тогда часто и из разных регионов России, включая Москву, Ленинград и Самару, самым благотворным образом сказывалось на становлении молодой дальневосточной механики. Спектр исследуемых фундаментальных проблем механики деформирования оказался достаточно широким. Признание научной общественности получили результаты дальневосточных ученых (А.А. Буренин, В.Е. Рагозина, В.А. Рычков, О.В. Дудко, А.П. Наумкин, А.А. Манцыбора) в динамике деформирования. Известно, что при сколь угодно гладком нестационарном воздействии на деформируемое тело нелинейные эффекты могут приводить к образованию ударных волн. В отличие от газовой динамики такие поверхности разрывов скоростей носят комбинированный характер: рвутся не только объемные деформации, но и деформации изменения формы. В то же время, движущиеся поверхности разрывов являются границами возмущенных областей и, следовательно, на них обязаны быть поставлены соответствующие краевые условия. Таким образом, конкретные сведения о возникающих поверхностях разрывов, их характере обязаны присутствовать уже в постановочной части краевых задач теории. Условия существования и закономерности распространения поверхностей разрывов деформаций были изучены для нелинейной упругой и упругопластических сред. Это позволило поставить и решить целый ряд автомодельных задач динамики ударного деформирования (по соударению тел, о внедрении жестких тел в деформируемые, о взаимодействии ударных волн между собой и с преградами). Для неавтомодельных задач были предложены приближенные методы решений. Один из них основан на методе возмущений и связан со сведением краевой задачи ударного деформирования к сингулярной задаче метода возмущений. При этом внутреннее разложение (пограничный слой) примыкает к распространяющимся поверхностям разрывов и отражает основные нелинейные эффекты ударного деформирования. Второй приближенный способ основан на методе лучевых разложений, когда решение представляется в виде ряда по времени или по лучевой координате, отсчитываемой от движущейся поверхности разрывов. Коэффициентами в таких рядах выступают разрывы скоростей (или деформаций) и их производных. Эти разрывы оказываются связанными рекуррентными условиями совместности. Общая теория таких рекуррентных соотношений была завершена сравнительно недавно (В.Е. Рагозина, Е.А. Герасименко). Построенные таким способом прифронтовые разложения решений могут использоваться в разностных схемах расчетов при составлении алгоритмов при выделении поверхностей разрывов (П.В. Зиновьев, А.В. Завертан). Свои характерные особенности возникают для сред, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию (О.В. Дудко, А.А. Лаптева, А.П. Наумкин), в несжимаемых средах (В.Е. Рагозина, Н.Ф. Лебедева), в динамике конструкций (В.Е. Рагозина, Д.Н. Лозицкий). В настоящее время исследовательский коллектив в ИАПУ ДВО РАН, занятый нелинейными проблемами динамики деформирования, оказался среди совсем немногих в мире, квалифицированно использующих математический аппарат теории движущихся поверхностей разрывов, что является заметным отличительным моментом для всей Дальневосточной механики. В 1995 году в международном журнале "Applaed Mechanics Reviews" (V. 48, № 1) помещен обзор работ, связанных с методами нестационарной динамики деформирования и посвященный светлой памяти профессора Г.И. Быковцева, в котором работам механиков ИАПУ ДВО РАН дается самая лестная оценка.
Внутренняя логика развития фундаментальной механики в конце прошлого века насущно высветила проблему создания теории больших упругопластических деформаций. Создания такой теории требовала и технологическая практика обработки металлов давлением и упрочнения металлоизделий. Разработанные до начала девяностых годов прошлого века теории главным образом основывались на гипотезе о взаимно однозначном соответствии каждому актуальному напряженно-деформированному состоянию единственного состояния, называемого состоянием разгрузки. Предложение ученых ИАПУ ДВО РАН (В.П. Мясников, Г.И. Быковцев, А.А. Буренин, А.В. Шитиков, Л.В. Ковтанюк) состояло в принципиально ином определении для обратимых и необратимых деформаций, когда для них постулировались уравнения изменения (переноса). Впрочем, существо разработанной на таком предложении теории изложено в помещенной в настоящем номере журнала специальной научной статье Л.В. Ковтанюк и А.В. Шитикова. Здесь отметим лишь, что в рамках созданной математической модели были получены решения ряда краевых задач теории, моделирующих различные технологические процессы и указывающие реологические механизмы, ответственные за упрочнение изделий или, наоборот, за снижение усталостной прочности металлоконструкций (А.А. Буренин, Л.В. Ковтанюк, М.В. Полоник, Е.В. Мурашкин). Диссипативный механизм математической теории пластичности, принципиально отличный от реологического, принято связывать со структурными изменениями в материалах. На основе представлений физики твердого тела о кристаллическом строении металлов и присутствия в них дефектов структуры в виде дислокаций, дисклинаций и точечных дефектов неоднократно предлагались так называемые физические модели теории пластичности. Их роль связана с пониманием столь сложного явления, как пластическое течение. В ИАПУ ДВО РАН (В.П. Мясников, М.А. Гузев) было показано, что структурные дефекты могут быть описаны, лишь выходя за рамки классической кинематики, когда внутренняя геометрия деформирования уже не является евклидовой, а деформации становятся несовместными. На таком пути был построен класс обобщенных математических моделей для сплошных сред с упругими и пластическими свойствами. Оказалось, что введением специальных геометрических объектов можно описать присутствие деформаций в ненагруженном теле, а, следовательно, и указать распределение остаточных напряжений. Такое глубокое проникновение в существо явления, называемого пластическим течением, на основе сложного, но адекватного сути рассматриваемого явления математического аппарата для лидера дальневосточной механики академика Вениамина Петровича Мясникова было характерным. Эта отличительная особенность присутствует во всех его работах и по эволюции приповерхностных слоев планет Земной группы, и по методам расчетов течений вязкопластических сред и по теории кипящего слоя и др. Особенно следует отметить способность Вениамина Петровича к глубокому и быстрому проникновению в существо исследуемых процессов, продемонстрированную в экстремальных условиях ликвидации аварии на IV блоке Чернобыльской АЭС. В считанные дни им вместе с академиком В.П. Масловым были указаны практические пути охлаждения завалов с помощью естественной конвекции. Еще до расчетов был дан прогноз о существовании стационарных режимов фильтрационного охлаждения, который подтвердился далее в расчетах (В.Г. Данилов, Н.А. Луценко), и, что еще более важно, на практике.
В последних работах Г.И. Быковцева прозвучало предложение об использовании в механике деформирования при формулировании консервативного ее механизма потенциалов деформаций, зависящих от кусочно-линейных инвариантов напряжений. Построенная таким образом неклассическая теория упругости обладает экстремальными свойствами и предоставляет возможность, в отличие от классической теории, для локализации деформации в теле. Если же на такой основе построить нелинейную математическую модель неустановившейся ползучести, то свойства системы уравнений в частных производных такой модели оказываются близкими к свойствам уравнений теории идеальной пластичности (Г.И. Быковцев, А.А. Буренин, В.М. Ярушина), поэтому для решения нелинейных краевых задач неустановившейся ползучести оказалось возможным привлечь хорошо разработанный математический аппарат теории идеальной пластичности. Таким способом был получен ряд новых решений о ползучести элементов конструкций и о релаксации напряжений в них (В.М. Ярушина). На развитие исследований по механике исключительно благотворно сказался переезд на Дальний Восток в 1994 году чл.-корр. РАН Владимира Алексеевича Левина. Непосредственно после своего приезда он активно включился в деятельность базовой кафедры ДВГТУ в ИАПУ ДВО РАН, где приступил к чтению специального курса по гидроаэромеханике, стал руководить курсовыми и дипломными работами. Для студентов и молодых научных работников требовательное и всегда доброжелательное отношение столь грамотного и квалифицированного специалиста явилось устойчивым стимулом в их исследованиях. Такое же отношение интенсифицировало и деятельность уже сложившихся исследовательских коллективов. Важным стимулом явилось здесь приобретение в 1997 году усилиями В.П. Мясникова и В.А. Левина первой отечественной супер-ЭВМ МВС-100 и создание на такой основе Центра коллективного пользования. После создания центра, исследования Тихого океана перешли на новый качественный уровень. Была разработана программа расчета океанических течений с учетом реального рельефа дна и береговых очертаний (С.В. Смирнов). В качестве иллюстрации был проведен расчет течений в Японском море, результаты которого хорошо совпали с данными многочисленных наблюдений, полученных при помощи морских экспедиций. Заметим, что успешная деятельность Центра коллективного пользования была бы невозможной без большой работы, проведенной ИАПУ ДВО РАН по созданию оптоволоконной сети, объединяющей институты РАН и вузы. Под руководством В.А. Левина были начаты исследования по охлаждению пористых тепловыделяющих элементов прокачкой через их массив холодного газа. Эти работы были инициированы исследованиями академиков В.П. Маслова и В.П. Мясникова по охлаждению блока Чернобыльской АЭС. В результате проведенных исследований были определены критические значения параметров, при которых существует стационарное решение поставленной задачи. С использованием разработанного численного метода, основанного на комбинации явных и неявных конечноразностных схем, показано, что при моделировании движения газа через пористую тепловыделяющую среду необходимо учитывать температурную зависимость его вязкости. Впервые обнаружено явление неограниченного разогрева и расплавления пористого тепловыделяющего элемента при докритических краевых условиях, при которых возможно существование установившегося стационарного режима. Показано, что форма тепловыделяющего элемента существенно влияет на процесс его охлаждения. У некоторых элементов обнаружены зоны со слабым движением воздуха (застойные зоны), которые приводят к сильному локальному нагреву и разрушению стационарности процесса охлаждения (Н.А. Луценко). В рамках выполнения программы Президиума РАН № 20 "Взаимодействие плазмы с высокоскоростными потоками" под руководством В.А. Левина изучаются сверхзвуковые течения в условиях энерговыделения в потоках. Была решена задача о взаимодействии ударной волны с областью электрического разряда, находящегося в сверхзвуковом потоке и моделируемой локальной областью энерговыделения (Е.В. Трифонов). Оказалось, что при некоторых значениях энерговыделения и интенсивностей ударной волны происходит ее полное разрушение в области следа за энергоисточником, т.е. интенсивность ударной волны катастрофически уменьшается и происходит ее переход в звуковую волну. Этот результат важен для защиты быстролетящих летательных аппаратов от взрывных нагрузок посредством организации перед ними областей энерговыделения при помощи электрических разрядов. Анализируя сверхзвуковые течения с закруткой, впервые были определены условия, при которых на поверхностях сильного разрыва (ударных или детонационных волнах) выполняется дополнительный закон сохранения, а именно, сохраняется величина начальной завихренности, деленной на плотность газа перед скачком (Г.А. Скопина). Важно отметить, что целый ряд новых научных результатов получен средствами математического моделирования с использованием современных вычислительных алгоритмов и средств вычислительной техники. Освоение современных вычислительных методов молодыми учеными при внесении в них собственных алгоритмических разработок открывает новые перспективы для исследования сложных термомеханических процессов средствами механики сплошных сред. Перспективы развития механики в ИАПУ связываем с молодостью основных участников исследований, но в то же время они уже накопили значительный опыт, наработали совершенно необходимую квалификацию, имеют должный интерес к науке и, очень надеемся, необходимые условия для творческой работы. Все это позволяет с оптимизмом смотреть в будущее механики в ИАПУ ДВО РАН и в регионе в целом.
ЛИТЕРАТУРА