Механика. Рубрика в журнале - Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)
Численное моделирование поведения кинематически нестабильных склонов при динамических воздействиях
Статья научная
Введение. Предложена концепция оценки динамических параметров системы «основание - ослабленный слой - блок» с учетом физической нелинейности материала при кинематическом способе возбуждения колебаний. В соответствии с данным подходом учет физической нелинейности материала основания и блока осуществляется с помощью модели Друкера-Прагера. Ослабленный слой моделируется 3D пружинными конечными элементами. На примере динамического расчета системы «основание - ослабленный слой - склон» осуществлена процедура верификации предлагаемой методики.Материалы и методы. Вычислительные эксперименты выполнены с помощью программного комплекса ANSYS Mechanical в сочетании с нелинейным решателем, базирующемся на процедуре Ньютона-Рафсона. Для дискретизации расчетных областей применены объемные конечные элементы SOLID45. Для моделирования смещения блока относительно неподвижного основания использованы комбинированные упруго-вязкие элементы COMBIN14.Результаты исследования. Разработана инженерная методика динамического анализа напряженно- деформированного состояния пространственной системы «основание - ослабленный слой - блок» при кинематическом способе возбуждения колебаний. На числовых примерах исследована точность и сходимость предлагаемой методики.Обсуждение и заключения. На основании выполненного математического моделирования показано, что разработанная методика позволяет оценить риски возникновения реальных оползневых процессов, обусловленных внешними нестационарными воздействиями.
Бесплатно
Численное моделирование поперечного обтекания пролетных строений балочных мостов
Статья научная
Введение. Верифицирована методика численного моделирования поперечного обтекания пролетных строений мостов на основе нестационарного решения Рейнольдса для уравнений Навье — Стокса (URANS, Unsteady Reynoldsaveraged Navier — Stokes). Данный двумерный подход используется в современных методах и пакетах прикладных программ вычислительной гидроаэродинамики.Цели работы — отладка и экспериментальное обоснование указанной методики. Для реализации поставленной цели использована ранее разработанная авторами база данных по аэродинамическим характеристикам поперечных сечений пролетных строений балочных мостов типовых форм.Материалы и методы. Проведено численное моделирование поперечного обтекания мостовых строений низкотурбулентными (гладкими) и турбулентными воздушными потоками в диапазоне практически интересных углов атаки. В итоге использовалась модель турбулентности SST k − ω. Методика предварительно отработана на тестовой задаче обтекания балок прямоугольного поперечного сечения...
Бесплатно
Статья научная
Описаны результаты численного моделирования натурного эксперимента низкочастотного импульсного воздействия на пьезоэлектрический генератор (ПЭГ) стекового типа для устройства накопления энергии. ПЭГ представляет собой многослойный осесимметричный пьезокерамический пакет. Разработана конечно-элементная модель устройства в ANSYS и проанализирована аналитическая упрощенная одномерная модель. Исследована зависимость выходного напряжения от величины активной нагрузки при гармоническом и нестационарном механическом воздействии на ПЭГ. Сопоставление экспериментальных результатов и численного расчета показало их хорошую сходимость, что позволяет использовать разработанные численные модели для оптимизации конструкции ПЭГ при заданных частоте внешнего воздействия и величине активного сопротивления внешней электрической цепи. Кроме того, установлено, что частотная зависимость выходного напряжения ПЭГ осевого типа имеет сложный характер, зависящий как от уровня сжимающей импульсной нагрузки и величины пьезомодуля материала чувствительного элемента ПЭГ, так и от электрического сопротивления нагрузки.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Термические характеристики материалов, созданных на базе трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП), становятся все более важными в свете роста интереса к материалам с особыми теплофизическими свойствами и их применениям в инженерии, энергетике и других областях. Поскольку эти материалы обладают уникальными структурными и функциональными характеристиками, понимание взаимосвязи между их геометрией и теплофизическими параметрами играет ключевую роль в оптимизации их использования. Несмотря на значительное внимание, уделенное проблеме, исследование взаимосвязи между геометрией пористых структур и их термическими характеристиками остается неполным. Существующие научные работы охватывают лишь отдельные варианты, а полное понимание влияния сложной микро- и макроструктуры на теплопроводность требует дальнейшего изучения. Существующий пробел в научном знании заключается в недостаточной систематизации и обобщении существующих данных, что затрудняет разработку универсальных подходов к расчету теплопроводности в таких материалах. Целью данного исследования являлась разработка упрощенных формул для расчета показателя эффективной теплопроводности пористых структур, основанных на ТПМП-ячейках типа S, предложенных Фишером и Кохом. Авторы также ставили задачу анализа теплопроводного процесса в пластине с заданными параметрами пористости. Это позволит улучшить понимание термодинамических процессов, происходящих в таких системах.
Бесплатно
Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом
Статья научная
Введение. Газовые разряды с жидкими электродами рассматриваются как перспективный инструмент для улучшения адгезионных свойств и подготовки поверхностей под нанесение покрытий. В литературе подробно изучены тлеющие и дуговые разряды с электролитическими электродами, однако большинство работ сосредоточено на конфигурациях с неподвижным электролитом. Для систем «струйный электролитический катод — металлический анод» при атмосферном давлении формы горения разряда, границы их устойчивости и энергетические характеристики процесса систематизированы недостаточно. Это препятствует масштабированию технологий локальной обработки алюминия. Цель настоящей работы — экспериментально классифицировать формы горения и области их устойчивости, определить электрические, спектральные и тепловые параметры разряда, а также обосновать практические режимы локальной подготовки алюминиевой поверхности под адгезию и покрытия. Материалы и методы. Для реализации поставленной цели была создана лабораторная установка: струя 3 %-го NaCl выполняла роль катода, алюминиевая пластина АМЦ-40 — анода; узел «струя-анод» размещён в термостатируемой электролитической ячейке с замкнутой циркуляцией раствора. Типичные условия: U ≈ 600 В, vk ≈ 0,6–0,7 м/с, d ≈ 2 мм, σ ≈ 0,10–0,12 Ω–1·см–1; источник питания до 4 кВ/10 А обеспечивал широкий диапазон настроек. Диагностика включала осциллографические измерения, высокоскоростную видеосъемку (Casio EX-F1, 600–1200 к/с), тепловизионную съёмку (FLIR A6500sc) и ОЭС на спектрометре PLASUS EC 150201 MC с оценкой ne по штарковскому уширению Hα. Результаты исследования. Обнаружены две топологии локализации плазмы: контактная зона на тройной линии «газ-жидкость-твёрдое тело» и область распада струи. Ток носит импульсный характер с амплитудой 0,8–1,6 А. В спектрах доминируют дублет Na I (~589 нм), полосы OH(A–X) и линия Hα; по ΔλL (Hα) ≈ 0,64 нм получена оценка ne ≈ 6,4 × 1016 см–3. Термовизионные карты показали максимум эффективной температуры ~47 °C в точке контакта и вытянутую вдоль струи зону энерговклада длиной ~7 мм (поперечник ~2 мм). Обсуждение. Импульсный характер тока с амплитудой 0,8–1,6 А при 600 В свидетельствует о периодическом формировании и срыве токового канала, что типично для разрядов с нестационарной геометрией катодной области и ранее отмечалось в работах по разрядам со стекающими струями. Оценка электронной концентрации nₑ ≈ 6,4×1016 см–3 по штарковскому уширению Hα попадает в диапазон 1015–1017 см–3, характерный для атмосферных разрядов с жидкими электродами, и указывает на относительно плотную плазму, достаточную для эффективной активации поверхности. Доминирование линий Na I в спектре подтверждает интенсивный перенос компонентов электролита в разрядный промежуток, что согласуется с механизмом аэрозольного распыления в прикатодной области. Компактность температурного пятна на аноде (поперечный размер ~2 мм, максимум 47°C) подтверждает локальный характер энерговклада без глобального перегрева детали, однако истинная температура поверхности может быть выше измеренной из-за неопределённости эмиссивности растущей оксидной пленки. Заключение. Экспериментально охарактеризован разряд между струйным электролитическим катодом и алюминиевым анодом при атмосферном давлении; показаны две устойчивые топологии горения, импульсная природа тока, спектральные маркеры и тепловая картина энерговклада. Результаты формируют базу для построения режимных карт локальной обработки алюминия и расширения технологических приложений. Полученные данные составляют основу для построения карты режимов обработки алюминиевых изделий и могут быть расширены за счёт варьирования расхода, диаметра сопла, состава электролита и применения более скоростной диагностики. Направления дальнейших работ: стандартизация энергетических метрик, количественная декомпозиция источников излучения и масштабирование методики.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Разработка покрытий, способных воспроизводить структурно-функциональные свойства зубной эмали, представляет значительный интерес для стоматологического материаловедения и биомиметической инженерии поверхностей. Несмотря на развитие биомиметических кальций-фосфатных систем, наиболее распространённые подходы по-прежнему основаны на многостадийных протоколах, чувствительных к условиям формирования межфазного слоя, и не обеспечивают в полной мере одновременного сокращения времени осаждения, контроля морфологии покрытия и воспроизводимого механического отклика поверхности. Цель данной работы состояла в экспериментальной оценке возможности одностадийного формирования биомиметического гибридного nHAp/PDA-покрытия в электрическом поле с использованием изолированных электродов, а также в установлении влияния режима осаждения на морфологию поверхности и микротвёрдость системы «покрытие–подложка». Материалы и методы. В качестве модели природной апатитовой подложки использовали сегменты нативной эмали постоянных зубов человека. Сравнивали четыре состояния поверхности: нативную эмаль; слой nHAp/AA, сформированный после кислотного кондиционирования; покрытие PDA/nHAp, полученное в последовательном режиме; гибридное покрытие, сформированное при одновременной электрополевой минерализации и ускоренной полимеризации дофамина. Осаждение выполняли в потенциостатической ячейке с изолированными медными электродами. Морфологию поверхности оценивали методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Поверхностный механический отклик исследовали по микротвёрдости Виккерса при нагрузке 50 г, AFM-картированию отпечатков и локальной наноиндентации. Результаты исследования. Установлено, что одностадийный электрополевой режим обеспечивает формирование наиболее плотного и равномерного поверхностного слоя толщиной порядка 1 мкм с минимальной шероховатостью около 20 нм. Для образца D зарегистрированы наибольшие значения поверхностной микротвёрдости — около 310 VHN; для нативной эмали они составили около 280 VHN, для образца B — около 120 VHN, для образца C — около 190 VHN. Однофакторный дисперсионный анализ подтвердил статистически значимое влияние типа образца на микротвёрдость (p < 0,001). AFM-картирование отпечатков подтвердило корректность оптической оценки диагоналей на текстурированной поверхности. Обсуждение. Повышение поверхностной микротвёрдости образца, сформированного в электрополевом режиме, связано, по-видимому, с более организованным межфазным взаимодействием при участии полидофамина и более плотной упаковкой минеральной составляющей покрытия. При этом микротвёрдость Виккерса и AFM-наноиндентация характеризуют различные масштабные уровни механического отклика и должны интерпретироваться как взаимодополняющие методы. Заключение. Показано, что одностадийное формирование гибридного nHAp/PDA-покрытия в электрическом поле с использованием изолированных электродов позволяет получить морфологически организованный слой с поверхностным механическим откликом, сопоставимым с интактной эмалью. Предложенный подход представляет интерес для ускоренного формирования функциональных органоминеральных покрытий на апатитсодержащих подложках.
Бесплатно
