Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред
Все статьи: 742
Статья научная
Для создания рабочих тел приводов широко применяются сплавы с памятью формы. Движение рабочего тела обеспечивается накоплением деформаций прямого превращения при охлаждении и явлением памяти формы при нагреве. В данной работе моделируется поведение привода, состоящего из последовательно соединенных стержня из сплава с памятью формы и упругого элемента смещения, в рамках объединенной модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы с учетом изотропного и трансляционного упрочнения. Для описания неупругого деформирования по структурному механизму в мартенситном состоянии и при термоупругих фазовых переходах используется поверхность нагружения в пространстве девиаторов напряжений. Параметром изотропного упрочнения в уравнении поверхности нагружения служит максимальное значение интенсивности фазово-структурной деформации, осредненной по мартенситной части представительного объема. Во время прямого термоупругого превращения, кроме образования мартенситных элементов, учитывается также их развитие. Производится сравнение численных результатов моделирования рабочего хода с полученными ранее данными без трансляционного упрочнения, определяются условия, при которых этот вид упрочнения можно не принимать во внимание. Выявлено, что деформирование по структурному механизму и трансляционный сдвиг поверхности нагружения возможны во время приложения полезной нагрузки и в течение рабочего хода. Установлено, что трансляционный сдвиг центра поверхности нагружения заметно отражается на уровне напряжений и смещении точки соединения рабочего тела и тела смещения при рабочем ходе, максимальные значения этих параметров достигаются в конце рабочего хода и не зависят от модуля трансляционного упрочнения. Влияние трансляционного упрочнения на результаты моделирования значительно снижается при увеличении как начальной деформации рабочего тела, так и отношения податливостей упругого тела смещения и рабочего тела. За время совершения холостого хода центр поверхности нагружения не меняет своего положения, учет трансляционного упрочнения не сказывается на подборе параметров системы, обеспечивающих замкнутый цикл, то есть на возвращение системы в исходное состояние после холостого хода.
Бесплатно
Моделирование процесса конечного деформирования анизотропных тел
Статья научная
Рассматривается поведение анизотропной сплошной среды при конечных деформациях под действием внешних сил в неоднородном нестационарном внешнем температурном поле с учётом взаимного влияния полей деформаций и температуры. Получены связанные уравнения равновесия и теплопроводности в вариационной форме. Приведена замкнутая система уравнений связанной задачи термоупругости. Исследовано напряжённо-деформированное состояние многослойного баллона из композиционного материала. Баллон нагружен внутренним давлением и находится в неоднородном температурном поле, обусловленном внешними по отношению к баллону источниками тепла. Показано, что число слоёв композиционного материала и ориентация главных осей анизотропии в каждом его слое существенно влияют на осевые и касательные напряжения, возникающие между слоями.
Бесплатно
Моделирование процесса кристаллизации полимерной пластины с учетом больших деформаций
Статья научная
Рассматриваются вопросы моделирования термомеханического поведения полимерного материала в процессе охлаждения, сопровождающегося кристаллизацией. Предложенный подход применяется к задаче деформирования при охлаждении бесконечной пластины, изготовленной из полиэтилена низкого давления, в процессе его кристаллизации. Формулируются математические постановки теплокинетической и термомеханической краевых задач. Приводятся результаты численного решения связанной задачи, включающей нестационарное уравнение теплопроводности и уравнение кинетики кристаллизации, при условии зависимости характеристик материала от температуры. При решении краевой задачи термомеханики за основу берутся полученные авторами ранее феноменологические нелинейные определяющие соотношения, непрерывным образом описывающие поведение полимерного материала в широком интервале температур, включающем температурный диапазон фазовых превращений. Построение определяющих соотношений проведено с использованием потенциала Пенга-Ландела. Строится методом Галеркина слабая вариационная постановка краевой задачи. Осуществляется процедура линеаризации, позволяющая свести решение изначально нелинейной краевой задачи к решению последовательности линейных задач относительно малых приращений компонент вектора перемещений. При этом линеаризация геометрических соотношений выполняется посредством наложения малых приращений деформаций на конечные, линеаризация определяющих соотношений - путем их разложения в ряд Тейлора с последующим удержанием линейных слагаемых и в предположении малости приращений компонент тензора деформаций. Демонстрируется подход, при котором естественным образом учитываются возникающие в материале малые приращения температурных и структурных деформаций. Анализируются аспекты численной реализации созданного алгоритма на основе конечно-элементной технологии построения дискретного аналога рассматриваемой задачи. Приводятся и сравниваются результаты решений обсуждаемой задачи в линейной постановке в предположении малости деформаций и в нелинейной постановке.
Бесплатно
Моделирование процесса прессования стальной заготовки
Статья научная
Работа посвящена численному моделированию процесса прессования стальной заготовки (сталь 30ХГСА), имеющей в начальном состоянии форму восьмигранной усеченной пирамиды. Моделирование соответствует технологической схеме, включающей осадку равномерно нагретого до определенной температуры слитка в форме пирамиды, его разгрузку, прессование с помощью деформирующих инструментов (подставки и штампа) в направлении, перпендикулярном к предыдущему, и последующую разгрузку. С использованием уравнения Рамберга-Осгуда и заимствованных из литературных источников механических свойств стали 30ХГСА при температуре 500ºС построена диаграмма деформирования. С учетом больших пластических деформаций и нелинейных свойств материала определено напряженно-деформированное состояние заготовки и ее формоизменение на каждом этапе обработки давлением. В соответствии с технологией процесса решена нелинейная упругопластическая задача осадки стального слитка и последующей его разгрузки. Установлено, что после разгрузки заготовки величина интенсивности пластических деформаций остается практически неизменной (из-за малости упругих деформаций), а величина интенсивности напряжений существенно изменяется. Форма боковой поверхности исследуемого тела в конце операции осадки до величины 29,3% имеет вид выпуклой одинарной бочки. Выполнена серия вычислительных экспериментов, с помощью которых исследована точность конечно-элементного решения для процесса осадки при различной степени дискретизации расчетной области. На основе полученных результатов проведено численное моделирование следующих технологических этапов: штамповки заготовки с помощью деформирующих инструментов и ее разгрузки. Как и в случае осадки, в заготовке остаются значительные остаточные напряжения, связанные с неоднородностью пластических деформаций, возникающих при штамповке исследуемого тела. Расчет осуществлен в рамках теории пластического течения в приращениях с помощью конечно-элементного программного продукта SIMULIA/Abaqus с использованием пошаговой процедуры и метода Ньютона-Рафсона для решения упругопластической задачи на каждом шаге.
Бесплатно
Моделирование процесса разрушения сварных соединений
Статья научная
Проведено компьютерное моделирование распространения трещин в сварных соединениях и исследована их прочность при трещиноподобном дефекте в соединительном шве. Сварное соединение представляется в виде двухслойного структурированного композита, который содержит прямолинейную острую внутреннюю трещину нормального отрыва. Процесс разрушения такого композита описан с помощью модифицированной модели Леонова-Панасюка-Дагдейла, содержащей дополнительный параметр - поперечник зоны пластичности (ширину зоны предразрушения) в слое из наиболее слабого материала. В качестве модели материала выбран идеально упругопластический деформируемый материал, обладающий предельным относительным удлинением. К этому классу материалов относятся, например, низколегированные стали, применяемые в конструкциях, работающих при температурах ниже порога хладноломкости. Подробно анализируются такие биматериалы, у компонентов которых упругие характеристики совпадают, а прочностные свойства существенно различаются. В условиях маломасштабной текучести и при наличии сингулярной особенности поля напряжений в окрестности вершины трещины предлагается использовать двухпараметрический дискретно интегральный критерий прочности. Деформационный критерий разрушения формулируется для вершины реальной трещины, а силовой критерий для нормальных напряжений с учетом осреднения - для вершины модельной трещины. Длины реальной и модельной трещин отличаются друг от друга на размер зоны предразрушения. Так как прочностные характеристики сварного шва меньше аналогичных характеристик основного материала, то зона пластичности полностью располагается в слабейшем материале. Выполнено численное моделирование распространения зон пластичности в квадратных пластинах из биметалла при квазистатическом нагружении. Преимущество численной модели над аналитической состоит в том, что с ее помощью исследованы такие материалы, характеристики которых соответствуют режимам деформирования при маломасштабной и полномасштабной текучести слабейшего материала (материала сварного шва). Обнаружено, что результаты численных экспериментов хорошо согласуются с результатами расчетов по аналитической модели разрушения материала со структурой слабейшего из материалов при нормальном отрыве в режиме маломасштабной текучести. Получена оценка размеров пластической зоны в окрестности вершины трещины. Построены диаграммы квазихрупкого разрушения структурированного композита.
Бесплатно
Моделирование процесса распыла с использованием адаптивных сеточных моделей
Статья научная
Распыл струи жидкости под воздействием воздуха имеет широкое применение во многих сферах практической деятельности. При конструировании и доводке устройств распыливания жидкости всё большее значение приобретает трехмерное численное моделирование, которое, тем не менее, нуждается в верификации. В работе представлены результаты численного моделирования с использованием адаптивных сеточных моделей. Рассмотрено два случая распада жидкой пленки: дробление цилиндрической струи жидкости под действием набегающего потока воздуха и распад жидкой пленки при столкновении двух струй. Выполнено сравнение с экспериментальными данными. Обе задачи позволяют исследовать такие физические аспекты, связанные с процессом распыливания, как влияние параметров воздушного потока и нестабильность пленки при механическом воздействии. Изучена зависимость от вида расчетной сетки качества описания течения и дробления струи жидкости при использовании VOF (Volume of Fluid) подхода для моделирования второй фазы. Показано, что применение локальной динамической адаптации делает возможным достижение необходимой точности при определении границ жидкой пленки и размеров капель, получаемых при её дроблении, даже на сравнительно небольших для VOF подхода сеточных моделях. Отмечено, что на результатах расчета сказывается не только выбор алгоритма адаптации, но и тип начальной сеточной модели (регулярная гексаэдрическая сетка, нерегулярная изотропная тетраэдрическая сетка). Приведены параметры расчетов, при которых удалось достичь убедительного соответствия расчетных и экспериментальных данных. Показано, что реализация VOF подхода с динамическим измельчением сетки разрешает выполнять расчеты распада жидкости на капли с высокой точностью.
Бесплатно
Статья научная
Исследование новых, ранее не наблюдавшихся, процессов формирования кратеров правильной осесимметричной формы в зонах вечной мерзлоты требует создания моделей, объясняющих такие явления. В данной работе рассмотрена задача теплового разрушения газожидкостным потоком вертикального канала (скважины), в основном состоящего из льда. В математической модели принято, что в канал на входе подается теплый газ, который, по мере продвижения, отдает часть своей энергии стенкам канала. При этом происходит их тепловое разрушение, продукты которого (вода и порода) за счет высокого давления выносятся потоком к поверхности. Построена система обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка для нахождения основных параметров системы «канал-газовый поток» - давления, температуры и скорости потока, а также массовых расходов потока на входе и выходе и их составляющих (воды и породы). Численная реализация задачи течения восходящего потока в вертикальной скважине разделена на два этапа. На первом этапе решается полученная система обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием метода Рунге-Кутты четвертого порядка, при этом для поиска начального значения скорости потока применяется метод стрельбы. Суть метода стрельбы заключалась в том, что скорость на входе подбиралась такой, чтобы на выходе ее максимальное значение не превышало величину скорости звука при местном уровне давления, а давление в конце канала было не ниже атмосферного. Здесь при фиксированных во времени значениях радиуса скважины и характеристик ее теплового влияния устанавливаются параметры газового потока из решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Для описания разрушения стенок канала используется второй этап. Здесь при найденных распределениях параметров потока совершается шаг по времени, и решается задача определения текущего радиуса скважины и оценки ее теплового влияния на систему. Решение строится с помощью уравнения теплопроводности в квазистационарном приближении. В работе получены критические значения радиусов скважины, при которых меняются режимы течения. Показана динамика изменения параметров потоков процессе теплового разрушения скважины. Выявлено, что с увеличением радиуса канала интенсивность его разрушения возрастает.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено математическое моделирование процесса сложного упругопластического деформирования стали 45 по плоской траектории в векторном пространстве А.А. Ильюшина, содержащей участки как постоянной, так и переменной кривизны (спираль Архимеда). Использована приближенная математическая модель теории упругопластических процессов для плоских траекторий с аппроксимациями функционалов, которые зависят не от текущей кривизны траектории деформирования, а от начального значения кривизны. Основные уравнения математической модели приведены к задаче Коши, для численного решения которой применен метод Рунге-Кутты четвертого порядка точности. Для оценки достоверности математической модели в приложении к данному классу криволинейных траекторий деформирования выполнено сравнение полученных результатов расчета с данными физического макроэксперимента, проведенного на автоматизированном испытательном комплексе СН-ЭВМ в лаборатории механических испытаний Тверского государственного технического университета. Показано, что взятая приближенная математическая модель качественно и количественно хорошо описывает основные эффекты сложного пластического деформирования с рассматриваемым классом траекторий на участках малой и средней кривизны. При больших кривизнах для достижения более точных результатов в аппроксимациях функционалов пластичности необходим учет всех параметров сложного нагружения, в том числе текущей кривизны траектории деформирования.
Бесплатно
Статья научная
Исследованы закономерности деформирования углепластика на основе тканого препрега с различными схемами армирования при испытаниях на изгиб и межслоевой сдвиг методом короткой балки. Оба вида испытаний основаны на схеме трёхточечного изгиба. Проведен ряд экспериментов для нескольких партий образцов, имеющих разную толщину, при различных отношениях расстояния между опорами к толщине. Для верификации экспериментов выполнен конечно-элементный анализ напряжённо-деформированного состояния образцов. Изучено влияние на эффективные характеристики образца задаваемого модуля упругости монослоя в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, и модуля межслоевого сдвига. Затронуты проблемы, связанные с корректным экспериментальным нахождением модулей межслоевого сдвига, обусловленные большой толщиной образцов, сложностью их изготовления, а также особенностями измерения и идентификации деформации при сдвиге. Построены зависимости эффективного модуля упругости при изгибе от фактической толщины монослоя, отношения расстояния между опорами к толщине и от ширины образца. Отмечена необходимость учёта сдвиговых деформаций в схеме трёхточечного изгиба при планировании эксперимента и проведении расчётов. Проверена достоверность определения упругих и прочностных характеристик в зависимости от вида испытаний. Сделаны выводы о значимости тех или иных факторов при моделировании напряжённо-деформированного состояния образцов и при проведении эксперимента.
Бесплатно
Статья научная
Излагаются основные положения механики поврежденной среды для анализа процессов накопления усталостных повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах). Модель малоцикловой усталости, развитая в работах авторов, основана на совместном интегрировании связанных определяющих соотношений циклического упругопластического деформирования материала и эволюционных уравнений накопления усталостных повреждений. Эволюционные уравнения накопления усталостных повреждений формулируются на базе энергетического подхода. Приводятся результаты сравнительного анализа предложенной модели с моделью J.L. Chaboche, заложенной в современную вычислительную систему конечно-элементного анализа ANSYS, и результаты моделирования процессов накопления усталостных повреждений для двухблочного регулярного малоциклового нагружения. Вычисленные данные сравниваются с данными натурных экспериментов.
Бесплатно
Моделирование пьезоэффекта в полимерной плёнке, наполненной дисперсным пьезоэлектриком
Статья научная
Выполнено мезоскопическое моделирование композитного материала, который выглядит как плёнка из электронейтрального полимера (матрицы) с диспергированным в ней порошком твёрдого пьезоэлектрика (наполнителем). Использована схема в духе метода представительного элемента объёма - Representative Volume Element (RVE). Представительный элемент (ячейка) имеет вид прямой призмы квадратного сечения, высота которой равна толщине плёнки. Вблизи среднего по высоте сечения призмы находится несколько (от двух до четырёх) сферических частиц пьезоэлектрика, расположенных близко друг к другу. Длина стороны основания призматического элемента определяется исходя из предполагаемой объёмной концентрации твёрдой фазы в композите. Для расчёта плёнки ячейки объединяются в сплошной плоский слой, в котором сопрягаются посредством задания циклических граничных условий на их боковых сторонах. Для снижения артефактов модели положение центра каждой частицы выбирается в пределах площади поперечного сечения призмы случайным образом. В рамках этого подхода в качестве примера рассмотрена плёнка состава полиэтилен низкой плотности-титанат бария. Одна из границ плёнки закреплена, вторая считается свободной. При характеристиках пьезочастиц, близких к используемым в эксперименте, и типичных материальных параметрах матрицы (модуль упругости, коэффициент Пуассона, диэлектрическая проницаемость) рассчитана разность электрических потенциалов (пьезоэффект), возникающая между границами плёнки в ответ на приложенное к её свободной стороне однородное давление. Показано, что распределение потенциала в плёнке неоднородно: он нарастает внутри частицы и падает в межчастичном промежутке. Для представления результатов в удобном для сравнения с данными эксперимента виде при каждом варианте системы (число частиц, концентрация твёрдой фазы) рассчитанные значения потенциала усредняются по нескольким десяткам реализаций распределения частиц в элементе.
Бесплатно
Моделирование разрушения упругопластических тел
Статья научная
Рассмотрены имеющиеся подходы к расчету разрушения. Описана теоретическая модель, численный метод и результаты расчета разрушения растягиваемых образцов из упругопластического материала с макропорами и жесткими включениями. Макропоры рассмотрены непосредственно как полости в сплошной среде, имеющие круглую или эллиптическую, ориентированную под некоторым углом, форму. Материал подчиняется уравнениям теории упругопластического течения, дополненным кинетическим уравнением для поврежденности и зависимостью модулей упругости и предела текучести от поврежденности. Рост поврежденности происходит при выполнении условия начала разрушения, которое выражает достижение максимальной главной деформацией предельной величины. С ростом поврежденности модули упругости и предел текучести стремятся к нулю, что означает постепенную потерю материалом несущей способности в зоне запредельных деформаций. Исследовано влияние макропор и жестких включений на пространственно осредненные диаграммы растяжения. На основании численных экспериментов даны рекомендации по выбору свойств методов моделирования процессов разрушения, которые желательны для обеспечения достоверности численных решений
Бесплатно
Моделирование распада пленки на капли в результате развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца
Статья научная
В статье с помощью метода объема жидкости изучается срыв набегающим высокоскоростным потоком воздуха капель с поверхности жидкой пленки (в качестве жидкости была рассмотрена вода) в результате развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Разработан подход к моделированию первичного распада, и на его основе исследована сеточная сходимость и выбран оптимальный размер элементов сетки, а также проведен расчет первичного распада пленки в канале. Получены зависимости усредненных величин угла отброса, модуля скорости и среднего зáутеровского диаметра капель от продольной по отношению к каналу координаты Показано, что последовательное усреднение по ансамблю капель и по времени позволяет построить гладкие координатные зависимости характеристик ансамбля капель. При этом значение наиболее важного для инженерных приложений параметра - среднего зáутеровского диаметра D32 (его величина равна отношению среднего объёма капель к их средней площади), оказывается близким к тому, которое можно получить по полуэмпирической формуле, известной из литературы, построенной на основе эксперимента, в котором жидкий воск распылялся высокоскоростным потоком. Характер зависимости среднего зáутеровского диаметра от толщины слоя жидкости в качественном отношении также согласуется с найденным в эксперименте. Исследование сеточной сходимости показало, что число самых мелких капель быстро растет при уменьшении пространственного шага сетки. Однако вклад от этих капель в усредненные характеристики остается незначительным, вследствие чего не имеет смысла уменьшать размер ячейки сетки для учета мелких капель.
Бесплатно
Статья научная
Разрушение по границе соединения - один из наиболее типичных видов повреждения слоистых материалов при деформации. В теоретической части работы предложена феноменологическая модель, позволяющая прогнозировать поврежденность и разрушение расслоением при пластической деформации граничного слоя металлического материала, изготовленного сваркой взрывом. Объектом исследования является промежуточный слой, включающий границу соединения разнородных материалов и пограничные зоны. Расслоение рассматривается как процесс возникновения и развития на границе соединения материалов микродефектов сплошности, которые при определенных условиях приводят к образованию межслойных трещин. Разрушение расслоением происходит за счет двух основных механизмов - отрыва и сдвига. Модель учитывает влияние напряженного состояния на предельные деформации, вызывающие расслоение по механизму отрыва и сдвига, накопление поврежденности и разрушение граничного слоя в слоистом металлическом материале. Применение модели на практике основывается на использовании диаграмм предельной пластичности при отрыве и сдвиге граничного слоя. В экспериментальной части работы предложена методика построения таких диаграмм, и с ее помощью получены диаграммы предельной пластичности на отрыв и сдвиг для граничного слоя в биметалле «сталь 08Х18Н10Т - сталь10». Возможности модели при установлении значений предельных деформаций, при которых осуществимо деформирование без расслоения, продемонстрированы в экспериментах на примере прокатки биметаллической полосы «сталь 08Х18Н10Т - сталь10». Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что они практически совпадают, и тем самым подтверждается применимость модели к реальным технологическим процессам.
Бесплатно
Статья научная
Изучаются закономерности протекания статической рекристаллизации при наплавке слоя металла на грань призматического образца, предварительно обработанную пластическим деформированием. Данная задача представляет интерес для выбора рациональных параметров процесса гибридного аддитивного производства легких и прочных линейных элементов сегментированных конструкций из алюминиево-магниевых сплавов с применением послойной проковки пневматическим ударным инструментом. Для этого численно решаются независимые задачи односторонней проковки образца и теплопроводности при плазменно-дуговой наплавке слоя на этот же образец. Далее накопленные пластические деформации и история изменения температуры используются при расчете объемной доли статически рекристаллизованного материала в наклепанном слое образца в условиях термоцикла. Расчет процесса проковки выполнялся в пакете LS-DYNA®, тепловая задача решалась в Comsol Multiphysics®, а доля рекристаллизованного материала определялась средствами Wolfram Mathematica. Воздействие пневмомолотка в численной модели оценивалось с помощью тензометрированной стальной мишени и подтверждалось по измеренным в эксперименте искажениям поперечного сечения прокованного бруса из сплава АМг6. Тепловое воздействие рассчитывалось с учетом позиционно-интегрирующего регулятора, автоматически управляющего процессом наплавки в установке гибридного аддитивного производства. Для расчета объемной доли статически рекристаллизованного материала использовался закон Аврами и данные о зависимости времени 50%-ной трансформации материала от накопленной деформации и температуры, взятые из литературы для алюминиево-магниевого сплава 5083, аналогичного АМг6. Модель Аврами предсказывает высокую чувствительность доли рекристаллизованного материала к предварительной пластической деформации и максимальной температуре в термоцикле при наплавке слоя, и поэтому более локализованный погранслой рекристаллизованного материала по сравнению с погранслоем пластических деформаций. Результаты расчета позволили определить необходимые условия послойной обработки давлением, которые обеспечат толщину слоя рекристаллизованного материала, соизмеримого с толщиной наплавляемого слоя. Рациональность рекомендованного режима гибридного аддитивного производства с тройной проковкой каждого слоя экспериментально подтверждена заметно более высокими характеристиками прочности и пластичности материала по сравнению с аналогичными характеристиками материалов, полученных аддитивным производством без проковки или с однократной проковкой.
Бесплатно
Моделирование реологических свойств расплавов полиэтиленов при их одноосном растяжении
Статья научная
Рассмотрено применение модифицированной реологической модели Виноградова-Покровского в задаче установления напряжений при одноосном растяжении полимерного расплава. В эту модель были внесены изменения. Первое коснулось анизотропного закона внутреннего трения и позволило принять во внимание немонотонную зависимость стационарной вязкости при растяжении от скорости растяжения, наблюдаемую в экспериментах. Другое изменение связано с учетом множественного характера релаксационных процессов, сопутствующих деформации полимерного расплава. Модификация модели дала возможность найти величину вязкости при растяжении, которая, как оказалось, втрое выше наблюдаемой у расплава сдвиговой вязкости в линейном режиме деформирования. Для пяти промышленных образцов полиеэтиленов с разветвленной структурой макромолекул выполнено сопоставление результатов вычислений с экспериментальными данными, взятыми из литературы. Расчеты по математической модели проводились методом Рунге-Кутты, при этом компоненты релаксационного спектра были теми же, что и в экспериментах...
Бесплатно
Статья научная
Представлена система конечно-элементного моделирования процессов формирования структуры и напряженно-деформированного состояния в металлических сплавах, подвергнутых упрочняющей электромеханической обработке (ЭМО). В едином комплексе принимаются во внимание процессы получения на поверхности изделий упрочненных слоев с ультрадисперсной структурой и повышенными эксплуатационными характеристиками. Излагаются основные этапы построения комплекса моделей температурно-силовых воздействий при ЭМО, инициирующих структурно-фазовые превращения и возникновение полей технологических остаточных напряжений. Приводятся используемые при моделировании определяющие соотношения теплопроводности при электронагреве металла переменным током и теории пластического течения с изотропно-трансляционным упрочнением, учитывающие зависимость теплофизических и механических свойств материала от температуры, скорости деформирования и фазового состава. Осуществляется оценка расчетных данных и их сопоставление с экспериментом. Показано, что импульсный характер теплового действия переменного тока способствует образованию регулярной структуры поверхности с чередующимися фрагментами упрочненного слоя и зонами самоотпуска. Расчетные картины структурных зон хорошо согласуются с результатами металлографического анализа упрочненной ЭМО поверхности исследованных сплавов. Такой же периодический характер присущ полям остаточных напряжений - зоны сжимающих напряжений в упрочненных фрагментах чередуются с областями растягивающих напряжений в прослойках неупрочненного металла. Рассмотрены основные механизмы (силовой, термический и фазовый) формирования величины и знака остаточных напряжений в указанных областях. Изложен подход к аналитическому описанию распределения остаточных напряжений по радиусу цилиндрического образца, удобный для прогнозирования последствий технологических воздействий при поверхностном упрочнении деталей посредством ЭМО, реконструкции эпюр остаточных напряжений в условиях ограниченного объема экспериментальных или расчетных данных, а также аппроксимации результатов численного расчета. В качестве базовой функции принята аппроксимация окружных напряжений в форме синусоиды, аргументом которой является преобразующая функция, корректирующая трансформацию базовой синусоиды. Функции радиальных и осевых напряжений находятся из совместного решения уравнений равновесия и физических соотношений материала образца.
Бесплатно
Статья научная
Численное моделирование изменений структуры цементных композитов при варьировании большого числа факторов позволяет разрабатывать оптимальные технологические режимы получения бетонов с заданными свойствами. Сложность физико-химических процессов набора прочности бетона побуждает развитие модельных подходов с той или иной степенью ограничений. В данной работе модифицирована модель связанных процессов в реагирующих средах. В нее включены структурные изменения цементного камня в присутствии мелкого полифракционного инертного заполнителя на ранних стадиях набора прочности (гидратации). Считается, что исходная смесь после затворения водой приобретает макроскопическую структуру. Максимально достижимая плотность упаковки мелкого инертного наполнителя способствует улучшению механических и микроструктурных характеристик бетонов и обеспечивается за счет оптимального выбора долей отдельных фракций в общем объеме наполнителя (песка). Исследуемый материал по всему рассматриваемому объему полагается гетерогенной средой, основу которой составляют реагирующие компоненты и инертные вещества с различной концентрацией, а также поры. Учитывается возможность формирования субструктуры контактирующих частиц инертного наполнителя на разных иерархических уровнях. Параметры цемента устанавливаются в соответствии с массовыми долями клинкерных минералов, привносящих вклад в гидратационную активность связующего. Для описания тепловых процессов применяются двухтемпературные уравнения теплового баланса, которые решаются методом конечных разностей с использованием центрально-разностной схемы. На фоне прогрева объема смеси вследствие экзотермической реакции гидратации реализуются задачи макрокинетики и фильтрации. Макрокинетические превращения определяются исходя из энергии активации, которая находится методом изотермической калориметрии в ходе схватывания цемента при температурах 20, 30 и 40°С. При оценке вынужденной фильтрации жидкой фазы принимается во внимание капиллярное давление, вызванное особенностями формирования поровой структуры цементного камня.
Бесплатно
Моделирование сейсмоакустического зондирования инородного слоя в безграничной среде
Статья научная
Выполнен расчет и анализ акустических и сейсмических SH-волновых полей, порождаемых виброисточником гармонических колебаний, установленным вблизи неоднородности, отличающейся от вмещающей среды скоростью распространения волн или плотностью. Построены фрагменты пространственного распределения амплитуды полей вблизи источника и слоя. Продемонстрирована принципиальная возможность зондирования неоднородности (инородного слоя) и определения информативных признаков, необходимых для прогноза параметров неоднородности.
Бесплатно
Моделирование структуризации в адгезионном слое при создании многослойных объектов
Статья научная
В настоящей работе предложена теплофизическая модель структуризации в слое клея при создании изделий методом ламинирования. Моделирование заключается в решении трехслойной сопряженной задачи теплопроводности. Тепловой контакт между слоями считается идеальным. Предполагается, что активируемая в промежуточном слое (слое клея) структуризация может приводить к изменению коэффициента теплопроводности клея. Управление процессом ламинирования осуществляется горячим роллом с заданным радиусом и фиксированной температурой. Ролл движется по внешней поверхности с постоянной скоростью; усилие прижатия ролла к поверхности определяет размер области контакта и максимальные действующие напряжения, которые известны из решения контактной задачи и в предлагаемой модели являются параметрами. Структуризация представляется как обратимая реакция, скорости прямой и обратной стадий которой зависят от температуры и действующих напряжений. Задача реализуется численно. Тепловая задача решается с использованием разностной схемы расщепления по координатам и метода прогонки, кинетическая - с помощью полунеявного метода Эйлера. Рассчитываются поля температуры и степени структуризации в различные моменты времени при варьировании значений параметров модели. Для нахождения стационарного или квазистационарного режимов процесса структуризации исследуется поведение среднеинтегральных значений степени структуризации и температуры. Выявлено, что параметры модели влияют на характер распределения температуры и степени структуризации неоднозначно; процесс структуризации не протекает до конца. Степень структуризации в слое клея зависит от технологических параметров (температуры ролла, давления прижатия и скорости его движения), а также от геометрических и физических параметров слоев.
Бесплатно
