Механика. Рубрика в журнале - Вестник Донского государственного технического университета
Статья научная
Introduction. Slender structures of subsea energy production systems are under constant influence of currents and waves. Hydrodynamic loads result from the interaction of subsea pipelines, umbilicals, equipment supports with fluid flows, and lead to the vortex formation in the area behind the structures. Vortex-induced forces are the sources of the cyclic loading. They accelerate gradually the fatigue damage, which may result in a failure. One of the ways to reduce the loads on subsea structures is to alter the shape of a cross-section, taking into account the flow regime. Dependence of the resulting hydrodynamic loads on the cross-sectional shape and relative position of structures has not been studied in details for the uniform flow in the critical mode. The current work is aimed at filling this gap. The research objective is to consider the impact of the distance between the structures, and also, the presence of a D-shaped structure, placed upstream relative to the group of three cylinders of different cross-sectional shapes.Materials and Methods. The computational fluid dynamics approach was used in this work for numerical simulations of vortex-induced forces in the ANSYS Fluent software for cylinder with D = 0.3 m. Modelling was conducted with the Detached Eddy Simulation (DES) method, which combined advantages of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equation (RANS) method and the Large Eddy Simulation (LES) method. The object of the research was the system of four structures in the 2D computational domain, which included the upstream D-shaped cylinder and the main group of three cylinders with the circular, squared and diamond shapes of the cross-section. The transient process was considered, where structures were under the influence of the uniform flow in the critical regime at Re = 2.5×10⁵.Results. Five sets of data were obtained in simulations for the time-dependent coefficients of the lift and drag forces: for the main system - of the D-shaped, circular, square and diamond structures, and also for the four systems - of only D-shaped, only circular, only square and only diamond shaped structures. Additional analysis was conducted for the effect of the distance between the structures on the amplitude of fluctuating hydrodynamic force coefficients. The obtained results are presented as time histories of coefficients of the lift and drag forces, frequency analysis and contours of velocity, pressure and vorticity fields. The results indicate a positive effect of the upstream D-shaped structure on reducing the drag force, acting on the central structure in the group of three cylinders located downstream.Discussion and Conclusion. The results of the performed studies facilitate the informed decisions regarding the arrangement of subsea structures in a group of four objects, depending on the cross-sectional shape and the distance between the structures. The upstream D-shaped structure provides reducing the hydrodynamic drag force acting on the central structure in the downstream group of three structures, thereby slowing the fatigue accumulation and increasing the time of safe operation.
Бесплатно
Статья научная
Introduction. The use of probabilistic analysis is important when the input data are random, that leads to stochastic results. This paper describes the integration of a probabilistic design strategy of the solid and hollow stems implanted in a proximal femur in order to compare their advantages. The used hollow stem is called “Improved Austin-Moore” (IAM) model. Materials and Methods. Probabilistic methods allow variations in factors which control the biomechanical effects of the implanted femur to be taken into account while determining its performance. Different material properties were generated randomly using Monte Carlo simulation (MCS). Monte Carlo sampling techniques were applied, and different von Mises stresses of the layers (bone and metal) were chosen as a performance indicator. Results. A simple 2D implant-bone study of solid and IAM stem design was carried out with a high level of confidence, 99.87%, which corresponds to a target reliability index with regard to statistical uncertainties. The probabilistic design results show that the input and output parameters for the IAM stem are highly correlated relative to those for the solid stem. Discussion and Conclusions. The sensitivity analysis shows that the input parameters for the IAM stem play a much larger part in the output parameters relative to the solid stem. The IAM stem is much more advantageous than the solid stem which causes an increase in the performance of the hip prosthesis.
Бесплатно
Автомодельность задачи тепловой конвекции, осредненной по тонкому слою
Статья научная
В работе получены три типа автомодельных замен для задачи тепловой конвекции, осредненной по тонкому слою испаряющейся жидкости и являющейся моделью высыхания невязкой, нетемпературопроводной протяженной капли. Для построения автомодельных решений в работе выполнен переход к инвариантам Римана. Автомодельные решения представляют собой функции времени и координаты, определяющие высоту капли, а также скорость массопереноса и тепловой поток, осредненные по толщине капли. Осуществлена классификация найденных автомодельных решений на основании поведения функции, описывающей высоту капли в процессе испарения-конденсации. Выявлена область применимости различных автомодельных решений к моделированию различных ситуаций высыхания капель и пленок.
Бесплатно
Статья научная
Введение. В статье изучается осесимметричная задача теории упругости для радиально-неоднородной трансверсально-изотpопной незамкнутой сферы, не содержащей ни один из полюсов 0 и 𝜋. Считается, что модули упругости являются линейными функциями от радиуса сферы. Предполагается, что боковая поверхность сферы закреплена, а на конических сечениях заданы произвольные напряжения, оставляющие сферу в равновесии.Целью данной работы является асимптотический анализ задачи теории упругости для радиально-неоднородной трансверсально-изотропной сферы малой толщины и исследование на базе этого анализа трехмерного напряженно-деформированного состояния.Материалы и методы. На основе уравнений теории упругости методом однородных решений и асимптотического анализа исследуется трехмерное напряженно-деформированное состояние радиально-неоднородной сферы.Результаты исследования. После выполнения однородных граничных условий, заданных на боковых поверхностях сферы, получено характеристическое уравнение и произведена классификация его корней относительно малого параметра, характеризующего толщину сферы. Построены соответствующие асимптотические решения, зависящие от корней характеристического уравнения. Показано, что решения, соответствующие счетному множеству корней, имеют характер пограничного слоя, локализованного в конических срезах. Разветвление корней порождает новые решения, которые характерны только для трансверсально-изотропной радиально-неоднородной сферы. Появляется слабозатухающее погранслойное решение, которое может проникать глубоко вдали от конических сечений и изменять картину напряженно-деформированного состояния.Обсуждение и заключения. На основе построенных решений можно определить области применимости существующих прикладных теорий и предложить новую более уточненную прикладную теорию для радиально-неоднородной трансверсально-изотpопной сферической оболочки.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Функционально-градиентные материалы находят большое применение, т.к. неоднородность свойств позволяет управлять прочностью и жесткостью контрукций. Этим вызван большой интерес к данной теме в мировой научной литературе. Построение решения таких задач существенно зависит от типа граничных условий. В настоящей работе рассматривается равновесие тонкостенного кругового цилиндра, механические свойства которого заменяются вдоль радиуса. На цилиндрических поверхностях заданы однородные граничные условия, которые до этого не рассматривались, воздействие оказывается на торцах. Математическая постановка задачи осуществляется в линейной теории упругости в рамках осесимметричной деформации. В работе построены выражения для компонент напряженно-деформированного состояния цилиндра, в которых некоторые коэффициенты находятся из решения полученной системы линейных алгебраических уравнений.Материалы и методы. Материал цилиндра является линейно упругим, модуль упругости которого линейно зависит от радиальной координаты. Основным методом исследования является ассимптотический метод, в котором в качестве малого параметра выступает половина логарифма отношения внешнего и внутреннего радиусов. Для построения характеристик напряженно-деформированного состояния цилиндра применены итерационные процессы.Результаты исследования. Для линейно-упругого функционально-градиентного полого тонкостенного цилиндра получены однородные решения краевой задачи. Анализ этих решений позволяет раскрыть характер напряженно-деформированного состояния в стенке цилиндра. С этой целью проведен асимптотический анализ решений, получены соотношения для перемещений и напряжений. Установлено, что эти решения соответствуют пограничному слою, при этом их первые члены определяют краевой эффект Сен-Венана, аналогичный теории плит.Обсуждение и заключение. Построенное с помощью асимптотического разложения аналитическое решение задачи о равновесии неоднородного по радиусу тонкостенного цилиндра может быть использовано для численного решения конкретной задачи. Для этого нужно решить полученные системы линейных алгебраических уравнений и определить соответствующие коэффициенты. Полученные асимптотические представления позволяют анализировать трехмерное напряженно-деформированное состояние. Выбор количества членов разложения позволяет рассчитать перемещения и напряжения с заданной степенью точности. Этот анализ может быть полезен при оценке адекватности прикладных методов расчета, применяемых в инженерной практике.
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
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
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
Бесконечная пластина, нагруженная нормальной силой, движущейся по сложной траектории
Статья научная
Введение. Рассматривается метод решения задачи о бесконечной пластине, лежащей на упругом основании и периодически нагруженной силой, которая перемещается по произвольной замкнутой траектории и произвольному закону.Материалы и методы. Рассмотрен оригинальный метод решения задач теории упругости для пластин, нагруженных силой, движущейся произвольно по замкнутой траектории произвольной формы. Исследуется задача о бесконечной пластине, лежащей на упругом основании. Пластина нагружена нормальной силой, движущейся с переменной скоростью. Нагрузка раскладывается в ряд Фурье на временном отрезке, длина которого равна времени ее прохождения по траектории. Решение указанной задачи реализуется посредством суперпозиции решений задач, соответствующих нагрузке, задаваемой слагаемыми указанного ряда Фурье. Окончательное решение задачи представляется в виде отрезка ряда Фурье, каждое слагаемое которого соответствует решению задачи о действии на бесконечную пластину нагрузки, распределенной по замкнутой траектории движения силы. Для построения этих решений используется фундаментальное решение уравнения колебания бесконечной пластины, лежащей на упругом основании.Результаты исследования. Представлено решение задачи о бесконечной плоскости, по которой с переменной скоростью движется сосредоточенная сила. В качестве траектории рассматривалась гладкая замкнутая кривая, состоящая из дуг окружностей. Исследуется характер поведения перемещений и напряжений вблизи движущейся силы, а также изучается процесс распространения энергии упругих волн. Для этой цели рассматривается изменение вектора Умова-Пойтинга.Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в расчетах при проектировании дорог. Исследование распространения энергии упругих волн от движущихся транспортных средств позволит оценить воздействие указанных волн на расположенные вблизи дороги строения. Анализ характера изменения перемещений и напряжений вблизи движущейся силы позволит оценить износ дорожного покрытия.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены проблемы нелинейной динамики процесса обработки материалов резанием. Предложена математическая модель динамической системы, учитывающая динамическую связь, формируемую процессом резания. Динамическая подсистема инструмента представлена линейной динамической системой в плоскости, нормальной к поверхности резания. На основе выполненных исследований даются рекомендации по проектированию систем, имеющих требуемые стационарные многообразия в пространстве состояния. Полученные данные позволяют сделать следующие выводы. Динамическая система резания может служить примером сложного поведения, зависящего от параметров подсистемы инструмента и представления сил в координатах состояния. Представление сил в координатах состояния зависит от множества физических процессов, сопровождающих обработку. Важно отметить, что в зависимости от моделей, взаимодействующих через процесс обработки, в окрестности равновесия могут формироваться различные критерии множества, вызывающие регулярные или нерегулярные свойства формируемой при резании поверхности.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается осесимметричная контактная задача теории упругости о вдавливании жесткого сферического штампа с неровной формой поверхности в трансверсально изотропное полупространство с функционально градиентным трансверсально изотропным покрытием. Модули упругости в покрытии изменяются с глубиной по произвольным непрерывным или кусочно-постоянным независимым друг от друга законам. Решение задачи сведено к решению парного интегрального уравнения, шероховатая структура штампа моделируется отрезком ряда Фурье-Бесселя. Трансформанта ядра аппроксимируется произведением дробно-квадратичных функций, для которых получены замкнутые аналитические решения парных интегральных уравнений. Полученные решения асимптотически точны для малых и больших значений относительной толщины покрытия. Разработана схема численного построения функций податливости для случая одновременного действия произвольных осесимметричных нормальной и касательной нагрузок.
Бесплатно
Взаимодействие штампов на ортотропном полупространстве
Статья научная
Получено интегральное уравнение трехмерной контактной задачи для ортотропного полупространства (9 независимых упругих параметров в законе Гука), ядро которого не содержит квадратур и зависит от решения характеристического бикубического уравнения. Рассмотрено взаимодействие двух одинаковых симметрично внедряемых жестких штампов, имеющих форму эллиптических параболоидов. При неизвестной области контакта для решения этой задачи использован метод нелинейных граничных интегральных уравнений Галанова, позволяющий одновременно определить область контакта и давления в этой области. Для отладки компьютерной программы использовано точное решение для одного эллиптического штампа. При заданной осадке, форме основания и взаимной удаленности штампов для разных ортотропных материалов рассчитаны контактные давления, области контакта и вдавливающие силы. Модель ортотропного тела применяется для описания многих востребованных в технике и промышленности материалов: сера, сегнетовая соль, вольфрамит, барит, древесина различных пород.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Развитие методов машинного обучения дало новый толчок в области решения обратных задач механики. Многие работы показывают, что наряду с хорошо зарекомендовавшими себя техниками ультразвукового, магнитного, теплового неразрушающего контроля, применяются новейшие методы, в том числе на основе нейросетевых моделей. В данной работе продемонстрирован потенциал применения методов машинного обучения в задаче двумерной ультразвуковой визуализации. Материалы и методы. Авторами построена тестовая модель акустического ультразвукового неразрушающего контроля, в которой происходит зондирование исследуемого объекта с последующей фиксацией сигналовоткликов. Распространение ультразвуковой волны моделируется методом конечных разностей во временной области. На вход сверточной нейронной сети подается ультразвуковой сигнал, полученный во внутренних точках объекта контроля. На выходе генерируется изображение, визуализирующее внутренний дефект. Результаты исследования. В ходе проведенного комплекса численных экспериментов был создан набор данных, предназначенный для обучения сверточной нейронной сети. Представлена сверточная нейросетевая модель, разработанная для решения задачи визуализации внутренних дефектов на основе методов ультразвукового неразрушающего контроля. Данная модель имеет небольшой размер, который составляет 3,8 миллиона параметров. Её простота и универсальность обеспечивают высокую скорость обучения и широкие возможности применения в классе смежных задач. Представленные результаты показывают высокую степень информативности ультразвукового отклика и его соответствия реальной форме внутреннего дефекта, находящегося внутри объекта контроля. Исследовано влияние геометрических параметров дефектов на точность работы нейросетевой модели. Обсуждение и заключение. На основе полученных результатов выявлено, что предлагаемая модель показывает высокую точность работы (F1 > 0,95) в случаях, когда длина волны зондирующего импульса в десятки раз меньше размера дефекта. Авторы полагают, что комбинация предложенных методов в данном подходе может послужить хорошей отправной точкой для будущих исследований в области решения задач дефектоскопии и обратных задач в целом.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Исследованы резонансные частоты продольных колебаний системы, состоящей из цепочки разных по геометрическим и физическим параметрам элементов: пьезокерамического, упругих и акустического. Проведено сравнение результатов в пакетах COMSOL и ACELAN. Оценена зависимость значения первой собственной частоты от геометрических параметров. Исследовано влияние динамической вязкости на АЧХ продольных колебаний. Материалы и методы. Для исследования выбрана система упругих и акустических элементов, позволяющая описывать работу ультразвукового режущего устройства. Возбудителем колебаний выступает пьезокерамический преобразователь, совершающий колебания по толщине. Концентратор колебаний и стержневой элемент принимаются в качестве упругих элементов и выполнены из нержавеющей стали. Имитатором режущего элемента выступает акустическая жидкость. Проведен модальный и гармонический анализ сложной системы, состоящей из разных по физическим свойствам элементов. Результаты исследования. Построены осесимметричная и трехмерная конечноэлементные модели исследуемой системы. Для концентратора колебаний предложены различные виды кривизны и толщины звена с изменяемой формой поверхности. Получены первые собственные частоты продольных колебаний стержневого элемента, контактирующего с акустической жидкостью. Установлено хорошее согласие с результатами работы конечноэлементного пакета ACELAN. Получены амплитудно-частотные характеристики колебаний концевой части вблизи первой резонансной частоты. Отмечено, что вязкость акустической среды мало влияет на амплитуду колебаний упругого стержня и совсем не влияет на резонансную частоту. Обсуждение и заключения. Гармонический и модальный анализ показал, что высокочастотные продольные колебания стержневого элемента значительно зависят от тангенса угла потерь упругих элементов и слабо зависят от вязкости контактирующей акустической среды. Полученные результаты могут представлять интерес при конструировании ультразвуковых режущих медицинских приборов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Типичным примером процессов самоорганизации в трибосистемах является избирательный перенос. В этом случае в области контакта формируются сопрягающие поверхности сервовитной пленки, что принципиально меняет условия трения и изнашивания. Для образования избирательного переноса в зоне сопряжения контактирующих поверхностей необходима некоторая мощность необратимых преобразований подводимой энергии, которая зависит от упруго-диссипативных свойств контактирующих поверхностей.Материалы и методы. Приводится математическая модель динамической системы с учетом эволюционно изменяющейся сервовитной пленки. Ее формирование зависит от фазовой траектории мощности необратимых преобразований в зоне сопряжения поверхностей и представляется в виде интегрального оператора Вольтерры второго рода.Результаты исследования. Приводится анализ результатов исследования, в том числе зависимости формирования сервовитной пленки от динамических параметров взаимодействующих подсистем. Впервые рассматривается проблема математического моделирования эволюции свойств узла трения с образованием или разрушением сервовитной пленки.Обсуждение и заключение. В ходе эволюционного процесса образования сервовитной пленки меняются параметры динамической связи, формируемой в узле трения. Следовательно, меняются и динамические свойства системы. Впервые проанализирована динамика трибосистемы в процессе образования избирательного переноса.
Бесплатно
Статья научная
Введение. При фрезеровании сложных поверхностей деталей выбор траекторий и ориентации инструмента влияют на параметры шероховатости. Однако в исследованиях, посвященных формированию траекторий, не учитываются рекомендации, позволяющие обеспечить качество микрогеометрии поверхностей. К тому же при написании программ для оборудования с ЧПУ в CAM-системах (от англ. computer-aided manufacturing - автоматизированное производство) ограничения режимов резания определяются исключительно с помощью геометрического подхода. Он не учитывает влияние углов ориентации сфероцилиндрического инструмента относительно плоскости нормали на качество обработки поверхностей, а именно на шероховатость.Цель работы - создание методики по выбору предельных значений углов ориентации сфероцилиндрического инструмента для оптимизации процесса механической обработки пространственно-сложных поверхностей. Задачи: достижение минимальных значений амплитудного параметра шероховатости Rz и определение эффективности различных траекторий обработки.Материалы и методы. Использовались методы корреляционного и регрессионного анализа, результаты сравнивались и обобщались. Для оценки параметров уравнения регрессии применялся метод наименьших квадратов. Для экспериментальных исследований задействовали обрабатывающий центр DMU 50 ecoline. Шероховатость измеряли на профилометре Surfcom 1800 D. Материал образцов - сталь 12Х18Н10Т. Материал инструмента - твердый сплав 1620 Sandvik с PVD-покрытием (от англ. physical vapor deposition - физическое осаждение паров металлов, ближайший отечественный аналог - Т15К6).Результаты исследования. Детально показано, как параметры шероховатости Rz зависят от угла наклона и диаметра инструмента. Двадцать примеров представлены в виде таблицы. Естественные коэффициенты регрессии рассчитаны по линейной и гиперболической моделям. Установлено, что диаметр инструмента больше влияет на формирование параметра шероховатости Rz, чем угол наклона. Для детального описания особенностей влияния сравнивались коэффициенты множественной, частной, парной корреляции и множественной детерминации. Определены ограничения, связанные с углами наклона инструмента при обработке сложных поверхностей. Визуализирована схема для расчета угла нормали, которая включает выбранный шаг по оси для определения длин отрезков ломаной кривой. Даны в виде рисунков профилограммы поверхностей, полученные при различных траекториях формообразования. Это позволило сделать вывод о непригодности фрезерования сверху вниз при наклоне инструмента 5°- 35°. Составлена карта, по которой можно судить о шероховатости, зная вид фрезерования и угол наклона (от 5°до 80°). Графически показана зависимость параметра шероховатости от скорости обработки и применения охлаждающей жидкости. Сведены в таблицу расчетные параметры для определения оптимального угла наклона инструмента. Их анализ доказал адекватность предложенного метода подготовки управляющей информации.Обсуждение и заключение. Представленная методика позволила определить оптимальные значения углов ориентации сфероцилиндрического инструмента с учетом скорости резания и достижения минимально возможного амплитудного параметра шероховатости Rz. Рассмотрена ситуация подачи fz = 0,4 мм/зуб для участков поверхности с суммарным углом 5°- 50°. В этом случае обработка по траекториям в попутном, встречном направлении и снизу вверх обеспечила шероховатость в диапазоне 3-6 мкм по параметру Rz. Траектория движения сверху вниз не рекомендована к применению на окончательных операциях из-за значительной высоты параметра Rz.
Бесплатно
Влияние формы гофрированного картона на амортизирующие свойства упаковки
Статья научная
Целью работы является поиск таких форм гофрирования картона, которые позволили бы эффективно амортизировать ударную нагрузку на картонный лист - как вертикальную, так и горизонтальную. Предмет исследования - эффективность амортизации картонной упаковки с сотовой структурой и альтернативной (с MS-профилем) под действием ударной нагрузки поперек и вдоль соты. В качестве задач проведенных изысканий рассматривались измерение и сравнение скорости деформации, а также способности поглощения ударной нагрузки образцов картонной упаковки со стандартным и альтернативным MS-гофрированием. Образцы находились под ударным воздействием. Амортизирующие свойства многослойной картонной упаковки размером 127×127 мм оценивались при следующих условиях: высота падения - 610 мм; скорость падения - 3,5 м/с; падающий вес - 12,5 кг; усилие сжатия - 340 H. При этом регистрировались: сила сжатия; энергия удара; величина деформации. В результате проведенных экспериментов было установлено, что трех- и пятислойный образец с MS-профилем обладает лучшими амортизирующими свойствами (по сравнению с картоном со стандартной сотой такой же толщины). Применение семи- и девятислойного картона с MS-профилем нецелесообразно, ввиду незначительного преимущества по сравнению с трех- и пятислойным образцом.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Увеличение скоростей движения железнодорожного транспорта и повышение нагрузок на оси колесных пар обуславливают необходимость модернизации существующего парка. Научные исследования в области динамики подвижного состава направлены на учёт колебательных процессов, возникающих при движении железнодорожных транспортных средств в традиционном конструктивном исполнении. Присоединение дополнительных элементов рассматривалось на уровне сцепки двух вагонов и присоединении третьей тележки в центре тяжести железнодорожной платформы. Построению математических моделей, позволяющих оценить динамические состояния таких конструктивных решений, в научной литературе не уделено достаточно внимания. Цель данного исследования - создать метод оценки динамических состояний вагона. Рассматривается ситуация, когда в его структуру вводится дополнительная совокупность масс-инерционных и упругих элементов, причем от корректировки их параметров зависит общее динамическое состояние транспортного средства.Материалы и методы. Базовым инструментом проведения исследований является структурное математическое моделирование, в основе которого лежит подход, когда исходная расчетная схема представляет собой механическую колебательную систему в виде твердого тела на упругих опорах с дополнительной введёнными в её структуру типовыми элементами. Динамическим аналогом используемой расчетной схемы является структурная схема системы автоматического управления, применение которой позволяет детализировать связи между типовыми упругими и масс-инерционными элементами.Результаты исследования. Предложен метод оценки динамических состояний железнодорожных транспортных средств, основанный на построении математических моделей, с учетом введения дополнительной структуры масс-инерционных и упругих элементов. Исследовано влияние дополнительных параметров на динамическое состояние транспортного средства. Получены аналитические соотношения, позволяющие при изменении соответствующих параметров технического объекта снизить динамические нагрузки на основные конструктивные упругие элементы. Приведена передаточная функция межпарциальных связей, позволяющая контролировать взаимодействие между координатами движения транспортного средства при действии двух кинематических возмущений синфазного типа.Обсуждение и заключение. Сформированная математическая модель позволяет оценить динамическое состояние железнодорожного транспортного средства в условиях действия кинематических возмущений. Результаты исследований могут быть применены при модернизации существующих и создании новых транспортных средств с улучшенной динамикой.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Наполненные композиты на основе политетрафторэтилена обладают свойствами, позволяющими работать при высоких контактных давлениях, возвратно-поступательном характере сдвиговых нагрузок и в широком диапазоне температур. Благодаря этому их применяют в качестве антифрикционных слоев опорных частей с шаровым сегментом. Для моделирования механического поведения таких материалов в условиях эксплуатации нужны адекватные определяющие уравнения упруговязкопластичности и методы их идентификации по данным базовых экспериментов.Материалы и методы. Тензорно-линейную модель упруговязкопластичности предлагается идентифицировать по данным экспериментов на свободное сжатие образцов. Их подвергают нагружению до максимальной деформации 10 %, выдерживают, разгружают и проводят аналогичный цикл нагружения до 160 МПа при стесненном сжатии. Эксперимент с композитом на основе политетрафторэтилена, наполненного 40 масс. % мелкодисперсной бронзы, проходил при комнатной температуре. Испытания на стесненное сжатие выполнялись для двух, на свободное сжатие - для трех значений скорости деформации в диапазоне 10-6 - 10-3 с-1. Для описания рассматривались две модели упруговязкопластичности, представляющие собой модификации моделей Свейна и Клечковски и соответствующие соединению вязкоупругого либо упругого нелинейновязкого элемента с пластическим или эндохронным элементом. В качестве вязкоупругого элемента рассматривался интегральный оператор с ядром Кольрауша.Результаты исследования. Итоги испытаний по стесненному сжатию позволили отделить от определяющих соотношений упругую связь объемных деформаций и средних напряжений. Данные циклов свободного сжатия при различных скоростях деформации использовали для определения материальных констант модели. С этой целью реализован эффективный поисковый алгоритм на основе симплекс-метода минимизации невязки. Обе модели обнаружили важность пластической составляющей (не зависящей от скорости деформации) для качественного описания циклического изменения напряжений, сопровождающего циклическое изменение деформаций, а также их зависимость от скорости деформаций.Обсуждение и заключения. Обе модели упруговязкопластичности корректно описывают поведение исследованного фторкомпозита в условиях нагружения, близких к условиям эксплуатации антифрикционных слоев опорных частей с шаровым сегментом, и могут рассматриваться в качестве основы для их дальнейшего обобщения с учетом зависимости от температуры.
Бесплатно
Выпучивание прямоугольных пластин при нелинейной ползучести
Статья научная
Введение. Задача анализа устойчивости пластин и оболочек в условиях ползучести актуальна для элементов конструкций из материалов, обладающих свойством старения, находящихся под действием длительных нагрузок, поскольку потеря устойчивости может происходить резко и задолго до исчерпания прочностного ресурса материала. Вопросы совместного учета геометрической нелинейности и ползучести в задачах выпучивания пластин в настоящее время остаются слабо изученными, существующие программные комплексы не позволяют выполнить такой расчёт. Целью настоящей работы выступает разработка алгоритма расчета на устойчивость прямоугольных пластинок с начальной погибью, испытывающих действие нагрузок в срединной плоскости с учетом геометрической нелинейности и ползучести.Материалы и методы. При получении разрешающих уравнений в основу положены геометрические и статические уравнения теории гибких упругих пластин. Физические уравнения выводятся из предположения, что полные деформации равны сумме упругих деформаций и деформаций ползучести. Окончательно задача была сведена к системе из двух дифференциальных уравнений, в которых в качестве искомых функций выступают функция напряжений и прогиба. Решение полученной системы уравнений выполнялось численно с помощью метода конечных разностей в сочетании с методом последовательных приближений и методом Эйлера. В качестве граничных условий для функции напряжений используется рамная аналогия, как в случае плоской задачи теории упругости.Результаты исследования. В рамках поставленной цели разработан алгоритм расчета и представлено решение задачи для пластины, сжимаемой в одном направлении равномерно распределенной нагрузкой. Исследован характер роста перемещений при различной величине нагрузки и начальной погиби. Установлено, что при достижении вертикальными перемещениями величин, соизмеримых с толщиной пластинки, скорость их роста начинает затухать даже при нагрузке больше длительной критической. Обсуждение и заключение. Результаты анализа устойчивости с использованием разработанного алгоритма показывают, что рост прогиба пластины при рассмотренных граничных условиях ограничен, потеря устойчивости не наблюдается при любых значениях нагрузки, не превосходящих мгновенную критическую. Это говорит о возможности длительной безопасной эксплуатации таких конструкций при нагрузке менее мгновенной критической.
Бесплатно
