Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Статьи журнала - Вестник Донского государственного технического университета
Все статьи: 1573
Анализ технологий нанесения высокоэнтропийных покрытий методом физического осаждения
Статья обзорная
Введение. Современная трибология решает задачи повышение надежности узлов трения с помощью нанесения вакуумных износостойких покрытий методом физического осаждения (англ. physical vapor deposition, PVD). Высокоэнтропийным сплавам (ВЭС) посвящены более 5 тыс. научных трудов. Однако оставался открытым актуальный вопрос о возможности получения износостойких и антифрикционных высокоэнтропийных покрытий (ВЭП) PVD-методом. Его решение открывает возможность применения ВЭП в машиностроении. Представленная статья призвана восполнить указанный пробел. Задачи исследования: обозначить основные результаты работ по созданию ВЭП такими PVD-методами, как вакуумно-дуговое испарение и магнетронное распыление; установить трибологические характеристики PVD-покрытий.Материалы и методы. С ноября 2023 года по февраль 2024-го авторы проанализировали материалы на русском и английском языках, опубликованные в базах Web of Science, Elibrary, Scopus, Medline, CINAHL.Результаты исследования. На первом этапе рассматривалась литература о вакуумно-дуговом методе нанесения покрытий. Изучались вопросы создания вакуумно-дугового разряда, его технологические особенности, недостатки, а также процессы в катодной области дуги. Отмечены условия существования катодных пятен, влияние температуры на коэффициент эрозии, процессы на аноде и подложке. Показана зависимость скорости осаждения от значения потенциала на подложке. Анализируются нитридные и комбинированные покрытия, полученные вакуумно-дуговым методом: TiN, TiCN, TiAlN, TiMoS, TiSiN, TiN/VN, TiAlN/DLC-Ti. На втором этапе представлена история магнетронного метода распыления, описываются технологические особенности, виды магнетронов и полученные таким образом нитридные покрытия. Третий этап посвящается пятиэтапному процессу формирования структуры покрытия. Рассматриваются механизмы роста покрытий: островковый, послойный, смешанный. Дается схематическое изображение фундаментальных процессов структурообразования. Отмечаются дефекты в вакуумных покрытиях. На четвертом этапе представлено ВЭП на базе ВЭС. Указаны параметры, предсказывающие образование твердого раствора ВЭС. Рассматриваются шесть семейств высокоэнтропийных сплавов. Оцениваются современные высокоэнтропийные покрытия, полученные вакуумно-дуговым и магнетронным методами. Обобщаются в виде таблицы результаты исследований структурно-фазовых и физико-механических свойств. Приводятся данные трибологических исследований высокоэнтропийных покрытий.Обсуждение и заключение. В литературе о ВЭП описываются структура покрытия, физико-механические свойства, термическая устойчивость. Авторы представленной статьи обнаружили пробел в исследованиях трибологии высокоэнтропийных покрытий. Из известных результатов можно сделать вывод, что данные покрытия относятся к фрикционными. Однако из-за высокой твердости и пластичности они демонстрируют высокую износостойкость. К тому же сложно говорить об их трибологическом назначении. Для решения вопроса о возможности применения PVD-покрытий в машиностроении следует уделить внимание разработке составов с высокой твердостью, износостойкостью и низким коэффициентом трения. Их можно будет эксплуатировать в трибонагруженных узлах.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Мобильные роботы, способные осуществлять всенаправленное движение, широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Для обеспечения высокой точности позиционирования всенаправленных платформ с меканум-колёсами требуется разработать их детальные математические модели, используемые при построении системы управления движением. Из-за непростой конструкции меканум-колёс при построении всенаправленных платформ могут возникать различные погрешности, включая погрешность установки таких колёс на платформу. Влияние ее на точность движения платформы ранее не исследовалось. Целью данной работы является оценка ошибок позиционирования, возникающих из-за наличия конструкционных погрешностей в установке меканум-колёс, и анализ влияния указанных погрешностей на точность отработки программного движения при использовании управления на кинематическом уровне.Материалы и методы. Анализ точности позиционирования основан на математическом моделировании кинематики платформы с учетом конструкционных погрешностей в установке меканум-колёс. Для описания взаимосвязи между угловыми скоростями вращения колес и скоростями платформы используются условия непроскальзывания точек контакта по опорной поверхности. Численные расчеты проведены в математическом пакете Wolfram Mathematica.Результаты исследования. Получена формула для оценки погрешностей псевдоскоростей платформы при программном управлении, формируемом на кинематическом уровне. Проведена оценка погрешностей скоростей платформы для простых движений. По результатам расчетов показано, что погрешности скоростей являются значительными для роботов с меканум-колёсами, функционирующих автономно.Обсуждение и заключение. Результаты расчетов продемонстрировали существенное влияние погрешностей установки колес на точность позиционирования меканум-платформы и подтвердили необходимость учитывать указанные конструкционные погрешности при создании автономных меканум-платформ. Построенная модель кинематики робота позволяет прогнозировать ошибки отработки скоростей платформы, возникающие при программном управлении, а также отклонения координат геометрического центра платформы от программного движения. Кинематическая модель может быть использована для повышения точности позиционирования за счет формирования управления движением платформы, компенсирующего влияние неточностей установки меканум-колёс.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Статья посвящена исследованию эффективности обогрева или поддержания рабочей температуры жидкости, находящейся в мерной емкости передвижной насосной установки, от выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Цель работы - совершенствование процесса проектирования и снижение затрат на натурные эксперименты.Материалы и методы. Для решения поставленной задачи были использованы методы численного анализа при расчете систем обогрева мерной емкости с внешним расположением трубопровода от выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на примере широко распространенных установок ЦА-320, УНБ, АЧФ и др. Применен нестационарный нелинейный решатель газодинамических процессов (Siemens STAR-CCM+), позволяющий оценить правильность постановки задачи и значительно сокращающий затраты на полномасштабные натурные испытания.Результаты исследования. Исследование проводилось для условий работы цементировочного агрегата на шасси «Камаз-43118» с насосом «СИН-32» и приводом от коробки отбора мощности на коробке переключения передач двигателя шасси.В расчетной модели применен конвекционный тип теплопередачи между корпусом мерной емкости и окружающим воздухом; между корпусом мерной емкости и жидкостью; между трубопроводом выхлопной системы шасси и воздухом окружающей среды; между трубопроводом выхлопной системы и выхлопными газами.В результате исследования получены графические зависимости изменения температуры жидкости мерной емкости в контрольных точках; распределение поля температур жидкости в мерном баке; распределение поля температур окружающего воздуха; линии потоков и поля скоростей окружающего воздуха и выхлопных газов ДВС.Обсуждение и заключения...
Бесплатно
Аналитическая модель оценки предела выносливости сварных соединений феррито-перлитных сталей
Статья научная
Введение. Микродефекты и зоны с концентрацией напряжений в сварных соединениях обусловливают появление усталостных макротрещин. Такие повреждения потенциально опасны, особенно если ресурс усталостной прочности конструкции практически исчерпан. В этом случае размер трещины близок к критическому значению, и крайне важно определить ее длину. Статья посвящена разработке инженерной аналитической модели для оценки критической длины трещины и предела выносливости сварных соединений с образовавшимся зерном в структуре феррито-перлитных сталей после сварки. Материалы и методы. Использованы теория и методы механики разрушения материалов на мезоуровне. Получена простая аналитическая зависимость, позволяющая определить критические размеры макротрещины для феррито-перлитных сталей без использования формулы Гриффитса. Приведены результаты расчета критических длин трещин различных сталей в зависимости от их предела текучести. Представлена аналитическая зависимость расчета предела выносливости для наиболее опасного симметричного цикла нагружения по стандартному набору механических характеристик и среднему диаметру зерна ферритоперлитной стали. Результаты исследования. Выполнен структурно-деформационный анализ процесса развития трещин. На его базе разработана инженерная методика оценки предела выносливости. Создана математическая модель, которая позволяет рассчитывать предел выносливости и критическую длину трещины в элементах сварных конструкций крупногабаритной техники с учетом циклических нагрузок симметричного цикла. С помощью данной модели можно оценить степень чувствительности металла к исходным характеристикам (предел текучести, коэффициент Пуассона, диаметр зерна, относительное сужение, модуль Юнга, коэффициент степенного упрочнения и др.).Обсуждение и заключение. При напряжениях, соответствующих пределу выносливости стали, сближаются скорости раскрытия критической трещины вершины и берегов. Этот момент энергетически примерно соответствует переходу трещины в нестабильное состояние. Накопление односторонних пластических деформаций приводит к предельному состоянию пластичности области, примыкающей к вершине трещины и лавинообразному или резко ускоренному ее движению. Эта критическая область взаимосвязана с диаметром зерна материала, характеристикой критической пластичности и критическим раскрытием в вершине трещины на пределе выносливости. Предложенные аналитические зависимости могут быть использованы для оценки остаточного ресурса и предела выносливости сварных конструкций, влияния различных факторов на предел выносливости сварных соединений феррито-перлитных сталей, используемых в машиностроении, судостроении, трубопроводном транспорте и др.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье получены уравнения движения привода рабочих органов комбайна при включении лениксной передачи, которая в этот период проявляет свойства нелинейной неголономной связи второго порядка. Показано, что без существенных погрешностей для практики уравнение нелинейной неголономной связи можно линеаризовать и применить для построения аналитической модели разгона привода комбайна уравнения Ценова второго рода.
Бесплатно
Аналитическая оценка частоты собственных колебаний плоской решетки
Статья научная
Введение. Предлагается новая схема плоской статически определимой регулярной решетки. Стержни решетки соединены шарнирами. Цель исследования - вывести формулу зависимости от числа панелей первой частоты собственных колебаний узлов, наделенных массами, каждая из которых имеет две степени свободы в плоскости решетки. Жесткость всех стержней принята одинаковой, опоры (подвижный и неподвижный шарниры) недеформируемыми. Другая цель исследования - найти в аналитической форме зависимость усилий в наиболее сжатых и растянутых стержнях от числа панелей. Материалы и методы. Используется приближенный метод Донкерлея определения нижней оценки собственной частоты колебаний решетки. Жесткость решетки находится в аналитической форме по формуле Максвелла - Мора. Усилия в стержнях и реакции опор определяются из уравнений равновесия, составленных для всех узлов решетки. Обобщение результата на произвольное число панелей выполняется методом индукции с применением операторов символьной математики Maple по аналитическим решениям ряда задач для решеток с различным числом панелей. Результаты исследования. Нижняя аналитическая оценка первой частоты колебаний хорошо согласуется с численным решением для минимальной частоты спектра колебаний конструкции. Найдены формулы для усилий в четырех наиболее сжатых и растянутых стержнях и их линейные асимптотики. Все необходимые преобразования производятся в системе символьной математики Maple. Обсуждение и заключения. Полученная зависимость первой частоты колебаний решетки от числа панелей, массы и размеров конструкции имеет компактную форму и может быть использована как тестовая задача для численных решений и при оптимизации конструкции.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Статья посвящена аналитическому определению общих критериев для прогнозирования износостойкости тяжелонагруженных пар трения, в частности, штамповочного инструмента, работающих при различных условиях нагружения. В основу предложенной системы критериев положены физические зависимости, связывающие основной показатель износостойкости - число циклов нагружения NF с параметрами трещиностойкости n и C.Целями работы являлись разработка и аналитическое обоснование расчетной методики, позволяющей прогнозировать износостойкость штамповочного инструмента для различных условий нагружения, а также создание предпосылок для экспериментального подтверждения эффективности применения разработанной методики.Материалы и методы. Предложены математические модели, связывающие основной критерий износостойкости - число циклов нагружения NF c параметрами трещиностойкости n и C. Проведено аналитическое обоснование предложенных моделей.Результаты исследования. Разработаны математические модели для прогнозирования износостойкости штамповочного инструмента, работающего в различных условиях нагружения...
Бесплатно
Аналитическое решение контактной задачи о внедрении сферического индентора в мягкий упругий слой
Статья научная
Приводится эффективный метод построения приближённого аналитического решения контактной задачи о внедрении сферического индентора в мягкий упругий слой, лежащий на жёстком упругом основании. Метод позволяет получить решение задачи, эффективное для всего диапазона значений характерных геометрических и физических параметров задачи. Рассмотрены случаи отличия модулей Юнга слоя и подложки более, чем в 100 раз. Полученные контактные напряжения для различной степени жёсткости основания сравниваются с ранее известными результатами для случая недеформируемого основания; показано, что при отличии свойств слоя и подложки в 100 раз, максимальная разница между результатами составляет менее 3 %. Определена связь между вдавливающей силой и радиусом сферы. Задача поставлена в связи с проблемой контроля упругих свойств тонких упругих покрытий.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Рассматриваются ракета-носитель (РН) в полете и динамические составляющие нагрузок от воздействия порыва ветра трапецеидального профиля. Предлагается определить динамические составляющие силовых факторов с помощью аналитических решений для ускорений точек конструкции. Цель работы - создание методики выбора продолжительности нормативного порыва, при воздействии которого достигаются максимальные нагрузки в сечениях корпуса ракеты-носителя.Материалы и методы. Ракета-носитель представляется в виде неравномерной балки. Описание ее колебаний приводится к системе независимых обыкновенных дифференциальных уравнений, определяющих движение эквивалентной системы осцилляторов. Уравнение колебаний осцилляторов под действием трапецеидальной импульсной нагрузки решается методом наложений и сводится к вычислению интеграла Дюамеля. Предлагается получать параметры эквивалентной системы осцилляторов по результатам расчета динамических характеристик для конечноэлементной модели РН в программе Nastran.Результаты исследования. Приведены аналитические соотношения для ускорений точек корпуса РН под воздействием порыва ветра трапецеидального профиля. Для балочной модели проведены тестовые расчеты ускорений по методике, предложенной в настоящей статье. Эти данные сравниваются с результатами конечноэлементного моделирования. С помощью аналитических решений построены зависимости, определяющие характер изменения величины изгибающего момента для различных сечений ракеты-носителя при варьировании продолжительности порыва ветра.Обсуждение и заключения. Благодаря представленной методике можно на примере ракеты-носителя строить эквивалентную динамическую модель систем с большим числом степеней свободы и получать аналитические решения для ускорений точек механической системы при трапецеидальном внешнем воздействии. Данные решения применимы для исследования динамических нагрузок. Итоги такого анализа позволяют выбрать продолжительность порыва ветра, при которой достигаются максимальные нагрузки в сечениях корпуса РН. Вычисления на базе аналитических решений весьма экономичны с точки зрения затраченного времени. Их можно использовать в проектных расчетах для предварительной оценки нагружения.
Бесплатно
Анатолий Андреевич Рыжкин (1938-2021)
Другой
27 января 2021 года на 84-м году жизни скоропостижно скончался замечательный ученый, инженер и организатор, доктор технических наук, профессор Анатолий Андреевич Рыжкин.
Бесплатно
Антифрикционные композиты в активных водных средах
Статья научная
Приводятся результаты экспериментальных исследований работоспособности антифрикционных полимерных композиционных покрытий в активных водных средах с водородным показателем рН в диапазоне 1,68…12,45. Работоспособность покрытий определяется величиной адгезионной прочности зоны «покрытие - субстрат». В качестве критерия была выбрана прочность на отслаивание при угле отгиба 180 градусов. Для исследованного диапазона водородного показателя получены адекватные регрессионные модели, позволяющие рассчитать величину адгезионной прочности покрытий и оценить процент её остаточной прочности. Приводятся результаты исследования вклада деформации ползучести полимерных покрытий в формирование эксплуатационного зазора в трибосопряжении. Установлено повышение жёсткости полимерного композита при относительно малых нагрузках в результате капиллярной конденсации водных сред в микропорах и последующей их диффузии в толщу композита. Полученные экспериментальные данные дают представление о процессах деградации свойств антифрикционных покрытий в кислых и щелочных водных средах, а также о возможном снижении ресурса антифрикционных покрытий.
Бесплатно
Аппаратно-программный комплекс управления противокоррозионной защитой магистрального трубопровода
Статья научная
Предложена структурная схема построения аппаратно-программного комплекса (АПК) управления устройством электрохимической защиты (УЭХЗ) транспортного трубопровода от коррозии. Показаны особенности функционирования АПК в режиме диагностики состояния трубопровода по разработанным алгоритмам с использованием методов нечеткой логики.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается решение проблемы описания экспериментально полученных зависимостей. Предложенный автором метод основывается на получении локальных приближений фрагментов данных зависимостей и аддитивном сведении их в единое аналитическое выражение. Такой эффект определяется применением специальных «выделяющих» функций, ограничивающих область ненулевого определения каждой из аппроксимирующих функций. По применяемым принципам аппроксимации метод назван «cut-glue». Наиболее близкий его аналог - сплайн-аппроксимация. Однако метод cut-glue значительно гибче, т. к. не связан ни количеством аппроксимируемых сплайном точек, ни порядком функций, аппроксимирующих участки. Порядок аппроксимирующего полинома или другой аппроксимирующей функции, а также её структура для каждого участка могут быть произвольными. Ещё одно выгодное отличие cut-glue аппроксимации состоит в единой аналитической записи всей кусочной функции вместо задания векторной сплайн-функции громоздкой системой уравнений. Такого эффекта удалось добиться применением аналитической функции, аппроксимирующей и параметрически сколь угодно приближающейся к единичной функции Хевисайда. Приведены результаты аналитического и численного исследования свойств и итогов применения предложенного метода. Они проиллюстрированы практическими примерами приложения метода к практическим задачам, табличными и графическими данными.
Бесплатно
Аппроксимация автоволновых решений в моделях ламинарного пламени
Статья научная
Предложен новый алгоритм расчёта параметров ламинарного пламени в горючей смеси. От известных оптимизационных алгоритмов разработку отличает способ аппроксимации точного решения задачи — постулируется реалистичный вид не температурного поля, а его производной по автомодельной переменной. В результате процедура определения эффективных параметров модели упростилась, а погрешность аппроксимации сохранилась на приемлемом уровне.
Бесплатно
Аппроксимация профиля лопаток газотурбинных двигателей
Статья научная
Введение. Повышение долговечности лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) достигается за счет применения специальных защитных покрытий их поверхности. Для разработки таких покрытий основной исходной информацией является геометрический профиль сечения лопатки. Для передачи заданного профиля сечения лопатки в соответствующую CAD/CAM-систему или пакет инженерного анализа применяются методы параметрического моделирования, позволяющие автоматизировать данную операцию. Однако известные подходы к созданию параметрической модели профиля лопатки не лишены ряда недостатков, и общепринятой методики ее создания в настоящее время не существует. Целью данной работы является создание методики аппроксимации профиля лопаток ГТД, удобной для использования при последующем анализе условий работы специальных покрытий поверхности лопаток.Материалы и методы. При построении параметрических моделей профиля лопаток газотурбинных двигателей авторами использован метод, основанный на применении ортогональных полиномов Лежандра. Это позволило обеспечить высокую точность аппроксимации и построение непрерывного отображения для параметров аппроксимации профиля лопатки. Для автоматизированной обработки исходных профилей создано приложение на языке Python, позволяющее вычислять коэффициенты аппроксимирующих полиномов для линий контура лопатки, визуализировать результаты расчета и создавать по точкам аппроксимирующих функций dxf-файл для передачи его в CAD-систему. Далее геометрические модели лопаток использовали для решения задачи обтекания лопатки стационарным аэродинамическим потоком. Результаты решения этой задачи использованы при исследовании влияния профиля лопатки на ее остывание в аэродинамическом потоке.Результаты исследования. В качестве примера рассмотрены три варианта профилей лопаток, относящихся к разным типам ГТД. Показано, что для всех трех изученных профилей предложенная методика позволяет получать параметрические модели, обеспечивающие высокую точность построения аппроксимирующих линий, что подтверждается близкими к единице значениями коэффициентов детерминации. Для иллюстрации возможности использования полученных моделей приведены примеры решения задачи газовой динамики при потенциальном обтекании лопатки в стационарном аэродинамическом потоке. Методом конечных элементов рассчитаны распределения давлений и температур на поверхности лопатки.Обсуждение и заключение. Результаты вычислений показали, что предлагаемая методика аппроксимации профиля лопатки ГТД, основанная на использовании ортогональных многочленов, является удобным инструментом, позволяющим автоматизировать создание геометрической модели лопатки и проводить сравнение различных типов и профилей лопаток, решая соответствующие задачи газовой динамики. При этом для заданного профиля лопаток и условий работы ГТД можно получить распределение температур и усилий, действующих на поверхности лопатки, что необходимо для прогнозирования долговечности специальных покрытий
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы аппроксимации характеристик нелинейных резонаторов - нелинейных элементов параметрических преобразователей, работающих в высших зонах неустойчивости колебаний. Проведен расчёт коэффициентов для аппроксимаций функциями гиперболического синуса, степенно-показательной, дробно-рациональной, степенной функциями и полиномом пятой степени. Проведено сравнение результатов, полученных с помощью различных аппроксимирующих функций, с реальной экспериментальной кривой
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены архитектура и возможности построения системы пространственной ориентации беспилотных и сверхлегких летательных аппаратов на основе современных твёрдотельных инерциальных датчиков. Подтверждена возможность применения микромеханических датчиков для построения недорогой инерциально-навигационной системы для беспилотных и сверхлегких летательных аппаратов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Рассмотрена возможность автоматизации проверки работ участников олимпиад по программированию. Описана архитектура и работа серверной части системы проверки выполнения олимпиадных задач по программированию. Материалы и методы. В качестве средств создания приложения были рассмотрены технологии MySQL, PHP, C++, JavaScript, HTML, CSS. Программа-тестировщик реализована на языке C++ для операционных систем семейства Windows NT. Результаты исследования. Реализована возможность автоматизации проверки работ участников олимпиады в режиме реального времени. Для проверки олимпиадных работ по программированию разработана программа-тестировщик системы. Обсуждение и заключения. В результате анализа функционирования глобальной сети Internet и технологии «клиент-сервер» были определены возможности для организации взаимодействия приложения с Internet-ресурсами. Разработанное приложение доказало целесообразность и эффективность организации взаимодействия приложения с Internet-ресурсами.
Бесплатно
Асимптотические решения смешанных задач для упругой полосы и клина
Статья научная
Получены асимптотические решения двух новых задач теории упругости со смешанными граничными условиями. Первая задача - о трещине сдвига в полосе при разных вариантах граничных условий на внешних гранях полосы. Вторая - контактная задача для трехмерного клина при действии сосредоточенной силы вне области контакта на ребре клина и скользящей заделке другой грани.
Бесплатно
Статья научная
Исследована задача кручения радиально-неоднородной трансверсально-изотропной сферической оболочки методом однородных решений. Получены асимптотические разложения однородных решений, показано, что напряженно-деформированное состояние складывается из проникающего напряженно-деформированного состояния и решения характера пограничного слоя. В случае существенной анизотропии некоторые погран-слойные решения не обладают свойством затухания и могут охватывать всю область, занятую оболочкой.
Бесплатно
