Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics
Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1092
Идентификация трещиноподобного дефекта и исследование концентрации напряжений в полосе с покрытием
Статья научная
Первый раздел статьи посвящен локации дефектов в полосе с покрытием и идентификации их геометрических параметров. С применением методов конечноэлементного моделирования, ультразвукового неразрушающего контроля и технологий машинного обучения (искусственных нейронных сетей) решена обратная задача механики. Построена конечно-элементная модель распространения ультразвуковой волны в полосе с покрытием и внутренним дефектом. По сравнению с предыдущими работами в модели применены слои PML (Perfectly Matched Layer), или идеально согласованные слои, которые подавляют множественные отражения зондирующего ультразвукового импульса внутри полосы и предотвращают зашумление сигнала. На основе проведенных численных расчетов конечно-элементной модели построен набор данных, содержащий геометрические параметры дефекта и соответствующую им амплитудно-временную характеристику ультразвукового сигнала. Разработана архитектура искусственной нейронной сети прямого распространения. Проведено обучение нейронной сети на основе предварительно обработанных данных. В результате на основе ультразвуковых данных, полученных с внешней поверхности полосы, возможно восстановить значения таких параметров дефекта, как глубина залегания, длина и толщина. Во втором разделе статьи описана аналитико-численная технология исследования коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в вершине трещины на примере задачи о продольной внутренней трещине конечной длины, расположенной в упругой полосе, усиленной тонким гибким покрытием. Решение этой задачи основано на методе интегральных преобразований, который позволил свести ее к сингулярному интегральному уравнению I рода с ядром Коши, которое решается методом коллокаций в виде разложения по полиномам Чебышева с множителем, явно учитывающим особенность в окрестности вершин трещины. Последнее позволяет непосредственно найти КИН и оценить влияние на него различных комбинаций геометрических и физических параметров задачи.
Бесплатно
Статья научная
Для определения характеристик упругости полимерных композиционных материалов в 1990-2000-е гг. был развит смешанный численно-экспериментальный метод идентификации, основанный на использовании экспериментальных данных о собственных частотах и формах колебаний образцов. Его практическое применение предполагает выбор формы и размеров образцов, набора используемых для идентификации собственных частот и форм колебаний, методики их экспериментального определения, конечно-элементной модели для расчетного модального анализа, а также алгоритма решения задачи идентификации. Объектом исследования являются слоистые полимерные композиционные материалы, армированные угле- или стекловолокном. Цель работы - разработка практических аспектов реализации и оценка точности экспериментально-расчетного метода идентификации характеристик упругости таких материалов по экспериментальным данным о собственных частотах и формах колебаний стандартных образцов. Идентификация характеристик материала рассматривается как задача оптимизации с целевой функцией, представляющей собой взвешенную сумму квадратов разностей между экспериментальными и расчетными значениями собственных частот. Разработана процедура реализации этапов методики: экспериментов, расчетов, контроля результатов. Проведен анализ погрешностей отдельных этапов и определяемых характеристик монослоя. Для определения собственных частот и форм колебаний образцов использовали метод трехкомпонентной сканирующей лазерной виброметрии. Отработана техника эксперимента и выбраны параметры, обеспечивающие необходимую точность определения собственных частот. Выбраны параметры процедуры идентификации и конечно-элементной модели образца. Для контроля полученных значений упругих характеристик сравнивали расчетные значения собственных частот колебаний образцов с экспериментальными данными, в том числе не использованными в процедуре идентификации. Оценку погрешности определения характеристик упругости проводили на трех различных сериях образцов из слоистого углепластика с одинаковым материалом слоев и различным их количеством и схемами укладки. Разработанная методика может быть рекомендована для определения параметров модели материала, необходимых для расчетов изделий из слоистых композитов на прочность и колебания.
Бесплатно
Статья научная
Перспективы использования мелкозернистых материалов в качестве конструкционных и функциональных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами обусловливают важность совершенствования существующих и создания новых технологических способов и режимов обработки таких материалов. При этом предварительный теоретический анализ с использованием математических моделей позволяет существенно снизить затраты на экспериментальные исследования, поэтому необходимой представляется разработка многоуровневых моделей поликристаллических металлов и сплавов, основанных на физических теориях пластичности, включающих описание структуры и механизмов деформирования и измельчения на различных масштабных уровнях. Для создания корректных моделей данного класса необходимы систематизация большого объема экспериментальных данных об измельчении зеренной структуры и тщательный анализ сведений о физических механизмах измельчения. В статье представлен обзор экспериментальных работ, посвященных описанию и анализу подходов и методов исследования процессов измельчения зеренной структуры при интенсивном пластическом деформировании различных металлических сплавов, в основном при невысоких температурах, заведомо меньших температур, при которых значимым становится процесс рекристаллизации и могут реализовываться твердотельные фазовые переходы. На основе систематизации представленных в обзоре опытных данных сделаны основные выводы о физических механизмах процесса измельчения зерен при холодном деформировании. Во всех рассмотренных работах обращается внимание на процессы локального скопления решеточных дислокаций внутри зерен - образование плоских скоплений, что приводит к искривлению решетки и разделению зерна на ячейки. В результате дальнейшего накопления дислокаций в стенках происходит увеличение разориентировок соседних ячеек. Искривленная решетка является нестабильной (как представляется, плоские скопления могут служить мощным источником таких искривлений) и релаксирует с образованием и движением частичных дисклинаций, что ведет к разворотам смежных областей зерна и образованию новых межзеренных границ (т.е. к фрагментации материала). Кроме того, значительное влияние на процесс фрагментации оказывают дефекты (мезоуровня), располагающиеся в стыках зерен - стыковые дисклинации, планарные скопления дислокаций ориентационного несоответствия на границах зерен и частичные дисклинации в теле зерен. Кратко охарактеризованы публикации, посвященные исследованию процессов интенсивного пластического деформирования при высоких температурах. Отмечается, что при этих условиях основным механизмом формирования мелкозернистой структуры является рекристаллизация. Описание приведенных механизмов, как представляется, должно быть включено в многоуровневые конститутивные модели материалов; в случае появления дополнительных экспериментальных данных для конкретного процесса интенсивного пластического деформирования набор учитываемых механизмов измельчения может быть дополнен.
Бесплатно
Изучение влияния механических напряжений на диффузию в пластине с покрытием
Статья научная
Проанализировано и выделено два основных механизма влияния поля напряжений на диффузию примеси в твердом теле. На основании анализа математической модели процесса сделан вывод о том, что в случае симметричного нанесения покрытия, по сути, работает только один из них. Вывод подтвержден экспериментально на примере системы Ni(Cu). Методика и результаты эксперимента изложены в работе наряду с результатами расчета. Описаны некоторые возможные обобщения диффузионной модели для структурно-неоднородной среды.
Бесплатно
Изучение электромеханического поведения графена на основе моментно-мембранной теории упругих пластин
Статья научная
Создание графена как двумерного наноматериала открыло новую область исследований - применение его как функционального элемента в различных наноприборах современной техники. Чтобы открыть дорогу для такого применения, необходимо, прежде всего, изучить механические свойства и его поведение в различных условиях, под действием различных внешних факторов и научиться контролируемым образом манипулировать его поведением. Все это обусловливает необходимость и актуальность адекватного моделирования деформационных процессов графена, построение соответствующей континуальной теории, учитывающей не только эффекты масштаба, но и микроструктуру, и физические параметры кристаллической решетки графена. Изучено поведение прямоугольного листа графена в электрическом поле. В работе для деформаций графена обосновывается применение модели поперечного изгиба моментно-мембранной линейной теории упругих пластин. Силы электрического происхождения моделируются посредством нормальной нагрузки, приложенной к лицевой поверхности пластины. Проведено исследование влияния граничных условий, величины зазора между пластиной и затвором, разности потенциалов постоянного электрического поля, линейных размеров на статический поперечный изгиб графенового листа. Также решается задача о собственных колебаниях графенового листа. Показано, что частоты собственных линейных колебаний листа графена лежат в гигагерцевом диапазоне. В случае жесткой заделки частота собственных линейных колебаний значительно выше, чем в случае шарнирного закрепления торцов пластины. Установлено, что даже при малых прогибах изменение значения постоянного напряжения электрического поля оказывает существенное влияние на частоту собственных линейных колебаний графенового листа.
Бесплатно
Имитационное моделирование в задачах оценки остаточной долговечности элементов конструкций
Статья научная
Представлен обзор накопленного опыта разработки и реализации принципов имитационного моделирования при прогнозировании остаточной долговечности элементов конструкций при их проектировании и эксплуатации в соответствии с концепцией допускаемой повреждаемости. Сформулированные принципы предполагают сохранение накопленной поврежденности в процессе состоявшейся эксплуатации элементов конструкций в качестве наследственности истории их нагружения. Предложенная последовательность реализации развиваемого подхода включает анализ напряженно-деформированного состояния поврежденного элемента конструкции, разработку и обоснование геометрии и условий нагружения в эксплуатации, а также экспериментальную верификацию и валидацию путем испытаний имитационных моделей. Объектами анализа выступали лопатки и вращающиеся диски паровых турбин и авиационных двигателей. Представлены конфигурации и условия нагружения предложенных имитационных моделей, воспроизводящих состояние критических зон элементов конструкций. Рассмотрены сочетания условий сложного напряженного состояния, формы дефекта, рабочей температуры и профиля эксплуатационного цикла деформирования. Получены численные решения для наиболее сложных ситуаций моделирования поведения поверхностных несквозных дефектов при сочетании смешанных мод деформирования отрывом, продольным и поперечным сдвигом. Достигнутые результаты оценки остаточной долговечности отнесены к составу оригинальных испытательных устройств и методов.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты компьютерного моделирования эмиссии планарной дислокационной петли Фрэнком-Риком в дальнейшем эволюции цикла дислокаций в случайном поле точечных препятствий. Острые по спектру их «силы» соответствуют реактивным и нереакционным лесным дислокациям. В этих условиях наблюдается интенсивный процесс «разделение дислокаций хмеля». Отмечается необходимость учета (учета) процесса в уравнениях балансовой деформации дефектов в математических моделях пластической деформации.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется физически нелинейное определяющее соотношение (ОС) с двумя материальными функциями для вязкоупругопластичных материалов с целью выявления комплекса моделируемых им реологических эффектов и границ области применимости, сфер влияния материальных функций и ограничений на них, способов идентификации и верификации. Детально изучены свойства кривых нагружения и кривых нагружения - разгрузки - отдыха, порождаемых ОС со степенными материальными функциями (именно такие функции чаще всего используются в теориях ползучести, вязкопластичности, реологии полимеров, гидродинамике неньютоновских жидкостей и в моделировании сверхпластического течения материалов) в зависимости от длительности и скорости нагружения и разгрузки и показателей двух материальных функций, проанализированы их характерные особенности по сравнению с общими свойствами кривых нагружения и нагружения - разгрузки - отдыха, порождаемых ОС с произвольными материальными функциями (теоремы 1 и 2). Указаны специфические индикаторы применимости (или неприменимости) четырехпараметрической степенной модели, которые необходимо дополнительно проверять по экспериментальным кривым нагружения и нагружения - разгрузки - отдыха материала помимо общих индикаторов применимости ОС с произвольными материальными функциями. Индикаторы (не)применимости - система необходимых признаков применимости ОС (качественных общих свойств порождаемых ОС базовых кривых), которые удобно быстро проверять при анализе данных испытаний конкретных материалов, чтобы судить о (не)применимости выбранного ОС для моделирования этих материалов и целесообразности попыток идентификации. Разработаны несколько методик определения степенных материальных функций по минимальному набору базовых испытаний материала, основанные на анализе свойств кривых нагружения и нагружения - разгрузки - отдыха материала, более быстрые и экономные, чем общие методики определения произвольных материальных функций. Показано, что для определения всех четырех параметров двух материальных функций достаточно двух кривых нагружения материала с разными скоростями или двух кривых нагружения - разгрузки - отдыха с разными максимальными напряжениями или даже только одной кривой нагружения - разгрузки - отдыха. В каждом из этих трех случаев выведены явные формулы для четырёх параметров степенных материальных функций через параметры двух или одной программ нагружения и измеряемые характерные деформации, указаны способы уменьшения погрешности идентификации за счет использования дополнительных испытаний.
Бесплатно
Статья научная
При эксплуатации триботехнических агрегатов и устройств может возникнуть неустойчивость скользящего фрикционного контакта, сопровождающаяся ростом температуры и напряжений, что часто приводит к возникновению нештатных ситуаций, аварий и т.п. Для предупреждения таких явлений предлагается система мониторинга возникновения неустойчивости, основанная на опосредованной индикации температуры и напряжений с помощью измерения и анализа индукции и напряженности электрического поля на встроенной пьезокерамической прослойке. С целью моделирования такой схемы мониторинга термоупругой неустойчивости рассматривается нестационарная динамическая контактная задача термоэлектроупругости о скольжении жёсткого тела в виде полуплоскости по поверхности упругого покрытия. Контакт осуществляется с учётом сил трения и тепловыделения от трения. Пьезокерамическая прослойка располагается между упругим покрытием и недеформируемым основанием и жёстко сцеплена с ними. При этом пьезокерамическая прослойка термоизолирована от термоупругого покрытия, вектор предварительной поляризации направлен вдоль вертикальной оси, ортогональной граням прослойки, на которых располагаются электроды с подведённой разностью потенциалов. Решение поставленной задачи о скользящем термофрикционном контакте строится с помощью интегрального преобразования Лапласа, позволяющего представить основные физические параметры задачи: температуру, напряжения, смещения, индукцию и напряженность электрического поля, электростатический потенциал в виде контурных квадратур обратного преобразования Лапласа или свёртки Лапласа. После изучения свойств подынтегральных функций и изолированных особых точек в комплексной плоскости переменной интегрирования квадратуры вычисляются методами теории функций комплексного переменного. Вычисление квадратур приводит к бесконечным рядам по полюсам подынтегральных функций, являющихся собственными числами задачи. Решение в такой форме позволяет достаточно просто установить области устойчивых и неустойчивых решений задачи на бесконечном временном интервале. Формулы электрического тока и его напряженности, возникающих на пьезокерамической прослойке, совместно с формулами температуры и напряжений на скользящем контакте позволяют во времени диагностировать процесс возникновения и развития термоупругой неустойчивости скользящего контакта.
Бесплатно
Статья научная
Проведен сравнительный анализ экспериментальной зависимости между значениями ударной и статической вязкости разрушения высокопрочных сталелитейных сталей на основе Fe-Cr-Ni. Использование минимаксного метода для оценки объема данных с большим уровнем ошибок и областей неопределенности позволяет исключить экстремальные измерения и установить точное приближение зависимости вязкости разрушения в зависимости от ударной вязкости. Отмечено, что тип аппроксимационной функции меняется при определенных значениях ударной вязкости, что объясняется изменением механизма разрушения мама. Предложены три типа уравнений для численного прогнозирования параметров вязкости разрушения (Kic).
Бесплатно
Использование микрополярных моделей для описания пластического деформирования на мезоуровне
Статья научная
В работе представлен обзор микрополярных моделей как представителей двухуровневых моделей механики обобщенных сред для описания материалов со сложной изменяющейся в ходе деформации структурой. Дано изложение упругопластической модели Коссера и обсуждается ее применение для моделирования пластической деформации металлических материалов на мезоуровне.
Бесплатно
Исследование НДС и оценка прочности композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя
Статья научная
В последнее время композиционные материалы активно используются при создании высоконагруженных деталей и узлов авиационных двигателей. Для эффективного применения композитов в таких деталях необходимо выбрать оптимальную схему армирования основной рабочей части конструкции, а также провести анализ напряженного состояния в наиболее нагруженных зонах со сложной геометрией: в узлах крепления, участках технологических переходов и соединений различных поверхностей. Настоящая работа посвящена детальному исследованию НДС лопатки спрямляющего аппарата (ЛСА) авиационного двигателя из полимерных композиционных материалов. Приведена постановка объемной задачи механики деформируемого твердого тела (МДТТ) для расчета напряженно-деформированного состояния слоистой конструкции и оценки ее прочности по напряжениям в слоях. В расчетной схеме конструкции ЛСА учитывается технологический порядок укладки, анизотропия свойств армирующих слоев и способ закрепления детали в замковом соединении. Схема армирования лопатки определена в предыдущих работах. Для оценки запаса статической прочности использовался критерий максимальных напряжений. Численное решение данной задачи осуществлялось методом конечных элементов (МКЭ) в пакете ANSYS Workbench с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса. Проведен детальный послойный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции, особое внимание уделено участкам перегиба слоев в окрестности полок лопатки, где наиболее вероятно возникновение высоких межслоевых напряжений. Получена оценка влияния условия закрепления лопатки на характер напряженного состояния. Показано, что наиболее опасными, определяющими запас прочности конструкции, являются напряжения межслойного сдвига. Установлено, что материал ВКУ-39 и схема армирования конструкции [0°/±45°], выбранные при проектировании, позволяют обеспечить двукратный запас статической прочности разработанной углепластиковой лопатки при эксплуатационных нагрузках.
Бесплатно
Исследование анизотропии пластических свойств монокристалла
Статья научная
Одной из задач современной механики сплошных сред является построение общих закономерностей эволюции микроструктуры материала в процессах пластической деформации. Существует множество обширных экспериментальных данных и общих представлений о том, как происходят изменения микроструктуры металла. Эти эксперименты показывают чувствительность процессов необратимой деформации к модификации мезо- и микроструктур материала, который может существенно измениться в процессе деформации. Данная работа посвящена изучению систем функций активации скольжения и эволюции дислокационной картины монокристалла в различном направлении оси замкнутого давления
Бесплатно
Статья научная
Целью проведенного вычислительного исследования является выявление асимптотического поведения полей напряжений и деформаций в ближайшей окрестности вершины трещины в режиме ползучести с учетом развития поврежденности на основании конечно-элементного расчета поля сплошности и напряженно-деформированного состояния у вершины трещины в конечно-элементном комплексе SIMULIA Abaqus с использованием процедуры UMAT, позволяющей описать конституциональные соотношения, отсутствующие в стандартном наборе определяющих уравнений МКЭ-комплекса, и инкорпорировать процесс накопления повреждений в расчетную схему комплекса. Процесс накопления повреждений описывается с помощью классической модели Качанова - Работнова, постулирующей степенной закон, соединяющий скорости деформации ползучести и напряжения, и степенной закон накопления повреждений в связанной постановке проблемы. Выполнено конечно-элементное моделирование нагружения пластины с центральной горизонтальной и наклонной трещиной в условиях установившейся ползучести в рамках предположения реализации плоского напряженного состояния. Показано, что в случае установившейся ползучести без учета процесса накопления повреждений конечно-элементное решение явственно обладает асимптотическим поведением классического решения Хатчинсона - Райса - Розенгрена. С помощью написанной пользовательской процедуры UMAT в расчетной схеме метода конечных элементов реализована связанность двух процессов: эволюции механических полей и нарастание повреждений в окрестности вершины трещины в соответствии с канонической моделью нарастания поврежденности Качанова - Работнова. В результате анализа поля напряжений, полученного посредством конечно-элементного расчета, в окрестности вершины трещины с учетом повреждений выявлена новая степенная асимптотика полей напряжений вблизи вершины трещины в пластине, находящейся в условиях одноосного растяжения, отличная от асимптотики, соответствующей решению Хатчинсона - Райса - Розенгрена.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время актуальны разработка и использование Smart-конструкций, которые в режиме реального времени позволяют следить за изменением требуемых величин. Smart-конструкции нашли широкое применение в строительной, автомобильной и аэрокосмической отрасли. Технологии создания изделий из полимерных композиционных материалов позволяют внедрять различные датчики непосредственно в структуру материала, тем самым создавая системы мониторинга состояния конструкции. Наиболее перспективными для такого внедрения являются волоконно-оптические датчики, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с другими датчиками (люминесцентными, тензодатчиками, пьезоэлементами) Однако при внедрении волоконно-оптических датчиков возникает ряд сложностей, в первую очередь связанных с хрупкостью оптоволокна, что приводит к слому оптоволоконных линий. Вследствие этого необходима разработка Smart-слоя, который позволит защитить выводы оптического волокна и не приведет к существенному изменению физико-механических характеристик. В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с определением жесткостных и прочностных характеристик образцов из полимерных композиционных материалов: эталонных образцов, образцов с внедренными волоконно-оптическими датчиками, образцов с внедренными Smart-слоями. Разработанный Smart-слой состоит из полимерного материала и встроенного в него оптического волокна с решеткой Брэгга. Такой слой позволяет защитить оптическое волокно от механических повреждений и осуществить безопасное внедрение в конструкции из композиционных материалов. В работе рассмотрены следующие конфигурации Smart-слоя: полимерная армированная сетка, полиамидный и полиуретановый слой. Представлено сравнение и анализ влияния внедренного оптического волокна и различных конфигураций Smart-слоя в структуру композита на физико-механические характеристики образцов, полученные при квазистатическом нагружении (растяжении, сжатии, межслоевом сдвиге). Для более детального анализа влияния внедренных волоконно-оптических датчиков и различных конфигураций Smart-слоя проведено численное моделирование соответствующих нагружений образцов для оценки их механического поведения. На основе полученных физико-механических характеристик выбрана и обоснована конкретная конфигурация Smart-слоя для проведения дальнейших исследований.
Бесплатно
Статья научная
Предложены математические модели для расчета остаточных напряжений и пластических деформаций в сплошных и полых поверхностно упрочненных цилиндрических образцах. Рассмотрены варианты упрочнения, приводящие к изотропии (гидродробеструйная обработка) и анизотропии (обкатка роликом) пластических деформаций в поверхностном слое. В математическую модель введен параметр анизотропии упрочнения, связывающий осевую и окружную компоненты тензора остаточных пластических деформаций. В качестве исходной информации используются определенные экспериментально осевая и/или окружная компоненты тензора остаточных напряжений. Введены гипотезы малости недиагональных компонент тензоров остаточных напряжений и пластических деформаций, пластической несжимаемости материала, отсутствия вторичных пластических деформаций материала в области сжатия приповерхностного слоя. Приведено решение краевых задач оценки напряженно-деформированного состояния в упрочненном слое после процедуры упрочнения для сплошных и полых цилиндрических изделий. Предложена методика идентификации параметров математической модели в соответствии с условиями самоуравновешенности остаточных напряжений. Детально описана методика экспериментального определения остаточных напряжений методом колец и полосок. Выполнен цикл экспериментальных исследований по упрочнению сплошных и полых образцов из стали 40Х (с различным отношением внешних и внутренних диаметров) в режимах обкатки роликом и гидродробеструйной обработки и определению остаточных напряжений. Выполнена проверка адекватности математической модели экспериментальным данным. Наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных. Приведены численные расчетные значения параметра анизотропии упрочнения. Показано, что процедура анизотропного упрочнения поверхности (обкатка роликом) приводит к существенному расслоению эпюр окружных и осевых остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя, в отличие от случая изотропного упрочнения (гидродробеструйная обработка), где они практически совпадают. Экспериментально и расчетным путем показано, что для образцов с одинаковой геометрией упрочнение роликом приводит к более высоким значениям (по модулю) сжимающих напряжений, которые более чем на 30% превосходят напряжения, формирующиеся после гидродробеструйной обработки. Основные результаты работы иллюстрируются данными таблиц и соответствующими эпюрами распределения остаточных напряжений.
Бесплатно
Исследование влияния барьерного гребня на процесс экструзии полимеров
Статья научная
Исследуется влияние дополнительного (барьерного) гребня на процессы тепломассопереноса и фазовых превращений полимеров в канале пластицирующего экструдера. На основе уравнений энергии и гидродинамики построена математическая модель, описывающая процессы движения твердого и жидкого полимера внутри канала, а также претерпеваемые им фазовые превращения. Для создания математической модели процессов плавления введен ряд упрощающих предположений, а именно: 1) процесс имеет стационарный характер при постоянном массовом расходе; 2) винтовой канал разворачивается на плоскость и используется принцип обращенного движения; 3) диффузия тепла вдоль канала не учитывается; 4) утечками расплава через основной гребень пренебрегаем; 5) упругие процессы в расплаве полимера не учитываются. В результате процесс движения и теплообмена полимера в зоне плавления неклассического экструдера моделировался тепломассопереносом в длинном прямоугольном канале, разделенном барьерным гребнем на два (канал твердой фазы и канал расплава), в котором верхняя стенка двигалась с постоянной скоростью, равной окружной скорости червяка, под углом нарезки винтовой линии к оси канала. Полученная модель решена методом конечных разностей, что позволило провести численное исследование зависимости процесса экструзии полимеров от геометрических параметров барьерного шнека. Расчет проводился для шнека МЕ-90, с числом L / d = 26 при расходе 78,7 кг/ч. Ширина барьерного гребня принималась равной 16 мм, зазор над барьерным гребнем составлял 1 мм. Перерабатываемый материал - полиэтилен высокой плотности. Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что наличие дополнительного (барьерного) гребня увеличивает диссипативный разогрев расплавленного полимера, циркулирующего над ним, а также снижает величину пленки расплавленного полимера над твердой фазой, что позволяет интенсифицировать процесс плавления и повысить его однородность.
Бесплатно
Исследование влияния величины зазора над барьерным гребнем на процесс экструзии полимеров
Статья научная
Представлена математическая модель и проведено численное исследование зависимости процесса экструзии полимеров от геометрических параметров барьерного шнека. Рассмотрены наиболее типовые конструкции барьерных шнеков, позволяющих интенсифицировать процессы плавления перерабатываемых материалов. Приведена постановка задачи, включающая в себя уравнение энергии и уравнения гидродинамики, граничные условия. Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что при снижении величины радиального зазора увеличивается диссипативный разогрев расплавленного полимера циркулирующего над барьерным гребнем что, во-первых, приводит к падению вязкости расплава и, как следствие, к снижению давления на выходе, а во-вторых, может стать причиной появления или увеличения областей локальных перегревов. Другими словами, малый зазор над барьерным гребнем может привести к снижению давления на выходе и ухудшению качества готового изделия вследствие перегрева полимера. Вместе с тем, большая величина зазора может стать причиной того, что частицы твердого, нерасплавленного полимера попадут в канал расплава, что также может вызвать снижение качества готовых изделий из-за скачков давления и температуры на выходе.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена теоретическому исследованию влияния ряда параметров напряженного состояния фрагментов залеченных разломных зон на особенности их механического отклика при сдвиговом деформировании в условиях неравноосного сжатия. Исследование проводилось на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. В качестве основного параметра напряженного состояния среды в работе использован безразмерный параметр - степень неравноосности сжатия, характеризующий отношение бокового и нормального напряжений в плоскости деформирования. Основной целью работы являлся анализ зависимостей сдвиговой прочности, величины предельной сдвиговой деформации и изменения объема фрагмента среды (дилатансии) от степени неравноосности сжатия на начальной стадии активизации фрагмента разломной зоны. Показано, что важным фактором, влияющим на условия, при которых происходит активизация залеченной разломной зоны, является степень неравноосности сжатия среды. При этом величина сдвиговых напряжений, действующих во фрагменте среды, а также соответствующие ей уровни предельной сдвиговой деформации и дилатансии, при которых возможна активизация разломной зоны, существенно зависят от динамики изменения и соотношения локальных значений некоторых инвариантов тензора напряжений. Среди них можно выделить такие характеристики напряженного состояния, как давление и интенсивность напряжений. Это связано с тем, что данные параметры определяют возможность функционирования в геологической среде одного из ключевых деформационных механизмов, который связан с формированием и эволюцией повреждений на границах раздела структурных элементов в блочной среде. В частности, снижение во фрагменте среды уровня давления при относительно низких уровнях интенсивности напряжений может приводить к увеличению его предельной сдвиговой деформации и дилатансии в момент начала активизации разломной зоны. В то же время значительное увеличение интенсивности напряжений при одновременном снижении давления может приводить к значительному снижению сдвиговой прочности геосреды.
Бесплатно
Статья научная
Аддитивные технологии позволяют изготавливать изделия за счет послойного синтеза и таким образом получать изделия сложной формы. При решении комплексной задачи численного моделирования аддитивных технологических процессов необходимо с высокой точностью описывать различные термомеханические явления. Наиболее эффективным в связи с этим является применение сочетания возможностей специализированных программных комплексов и разработки уникальных алгоритмов для них, учитывающих максимально возможное число параметров процесса. В работе рассматривается разработанный и реализованный в пакете ANSYS Mechanical на языке APDL алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния конструкции в процессе ее создания 3D наплавкой проволочных материалов. Данная модель, в частности, учитывает нестационарный лучистый перенос тепловой энергии сварочной дуги на поверхность изделия. В обзоре выделены три наиболее часто используемых метода моделирования осаждения материала - так называемый рождающийся элемент (element birth), спящий элемент (quiet element) и гибридная активация (hybrid activation). Показано, что для обеспечения большей эффективности вычислений необходимо применять принцип, при котором следующие друг за другом шаги проплавки и даже слои группируются вместе для последующей одновременной активации. В представляемой модели задача разделена на краевую задачу нестационарной теплопроводности и краевую задачу термомеханики о напряженно-деформированном состоянии, которые являются несвязанными. Для их решения применяется технология «умерщвления» и последующего «возрождения» части материала, реализованная в пакете ANSYS. Проведена верификация разработанного численного алгоритма решения трехмерной задачи дуговой наплавки проволочных материалов сравнением с результатами натурных испытаний на образцах из алюминиевого сплава Д16. Для описания упругопластического поведения исследуемого сплава использована модель билинейной изотропной пластичности BISO с температурной зависимостью предела текучести. Показана хорошая согласованность расчетных данных с экспериментом. Исследовано влияние на уровень остаточного коробления параметров процесса: времени выдержки до следующего слоя; траектории движения слайсера; температуры окружающей среды. Показано, что последний параметр является наиболее эффективным способом снижения остаточных отклонений формы, но требует высокой термостойкости оборудования и точности регулирования энергии дуги.
Бесплатно
