Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1009
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
Исследование влияния предварительного состояния на механические свойства вязкоупругих тел
Статья научная
Представлена новая общая постановка задачи об установившихся колебаниях неоднородного вязкоупругого тела с учетом предварительно напряженно-деформированного состояния (ПНДС). Для ее формулировки были использованы теория комплексных модулей и принцип соответствия, позволяющий записывать задачи об установившихся колебаниях вязкоупругих тел в таком же виде, что и соответствующие задачи теории упругости, заменяя упругие характеристики соответствующими комплексными функциями от частоты колебаний. Для описания вязкоупругого поведения использовалась трехпараметрическая модель стандартного вязкоупругого тела, в состав которой входят мгновенный и длительный модули, а также время релаксации. На основе представленной постановки рассмотрены модельные задачи о расчете колебаний для неоднородных вязкоупругих стержня и трубы с учетом наличия как предварительных напряжений, так и остаточных деформаций. В задаче для вязкоупругого стержня рассматривались продольные колебания, при этом свойства стержня, предварительные напряжения и остаточные деформации считались функциями продольной координаты. При рассмотрении задачи для вязкоупругой трубы рассматривалось плоское напряженно-деформированное состояние, колебания возбуждались радиальной нагрузкой, свойства цилиндра и ПНДС считались зависящими от радиальной координаты. Численное решение в обоих случаях было основано на методе пристрелки. Для обеих модельных задач на основе проведения вычислительных экспериментов представлены результаты сравнительного анализа влияния предварительных напряжений и остаточных деформаций на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ). Также проанализировано влияние каждого из факторов на значения частот, в которых АЧХ имеют максимумы. Проведенное исследование показало, что и для стержня и для трубы остаточные деформаций оказывают существенно большее влияние на АЧХ, чем предварительные напряжения. Данный вывод соответствует результатам, полученным ранее для упругих объектов.
Бесплатно
Исследование влияния разницы в скоростях вращения валков одной клети на процесс прокатки
Статья научная
В ходе проведенных исследований была создана математическая и конечно-элементная модели системы валок-пластина, позволившие с достаточной точностью описать процессы, возникающие в ходе прокатки. Были получены графики зависимостей нормальных и касательных контактных напряжений от коэффициента трения. В ходе решения несимметричной задачи был получен график зависимости перемещений точек верхнего и нижнего краёв пластины. Были выделены и описаны характерные зоны, которые проходит металл в ходе прокатки. Было установлено, что даже небольшое различие в скоростях вращения валков одной клети, которое может быть вызвано рассогласованием приводного механизма, разницей в диаметрах валков и другими причинами, приводит к значительному отклонению пластины от горизонтальной оси на выходе из очага деформации. Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы для оптимизации процесса продольной прокатки в гладких цилиндрических валках.
Бесплатно
Статья научная
В работе экспериментально исследуются механические и термодинамические характеристики субмикрокристаллического титана при динамическом сжатии с использованием разрезного стержня Гопкинсона-Кольского. Кинетика температуры в процессе деформирования регистрировалась методом инфракрасного сканирования камерой CEDIP SC 5000 (спектральный диапазон 3-5 ®м, температурная чувствительность 0,025 К, частота съёмки 4 кГц). Ранее [1] исследование термодинамики процесса показало, что доля накопленной энергии в субмикрокристаллическом титане выше, чем в крупнозернистом, и остаётся примерно постоянной в широком диапазоне скоростей деформации. Данная работа посвящена исследованию влияния особенностей проведения динамического эксперимента (использование смазки на торцах стержней) на величину диссипированной энергии и особенности протекания процесса деформирования. В результате показано, что использование дополнительной смазки несущественно изменяет интегральные характеристики процесса деформирования материала, но влияет на особенности протекания процесса деформирования.
Бесплатно
Статья научная
В работе приведены результаты непосредственной визуализации изменений поверхности дивинилизопреновой резины 51-1667 при воздействии УФ-излучения в воздушной атмосфере, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Показано, что после облучения на поверхности образцов резины наблюдается множество трещин и углублений, глубина которых находится в пределах 200-700 нм.
Бесплатно
Статья научная
Изучены возможности оценки изменений свойств подшипниковой стали в процессе термообработки с применением визуализации с помощью динамических спектрограмм (сонограмм), которые отображают изменения спектральных характеристик акустических сигналов по временной координате. В качестве образцов были взяты кольца упорных подшипников из стали марки ШХ15, новые и бывшие в эксплуатации. Проведено исследование изменения спектральных характеристик стальных образцов по акустическому отклику на точечное ударное воздействие в зависимости от изменений прочностных свойств и микроструктуры, генерируемых в образцах посредством отпуска с выдержкой при температурах в диапазоне от 360 до 560 °С. Анализ и сравнение сигналов акустического отклика выполнялись с применением программного спектроанализатора. Показана информативность применяемой методики для определения изменений состояния стальных образцов после термообработки. Анализ динамических спектрограмм путем визуального сопоставления участков сонограмм при различных значениях размера окна Хеннинга позволил выявить наиболее индикативные спектральные признаки - сдвиг частот резонансных гармоник и изменение декремента затухания. Обнаружена четкая зависимость сдвига частот и изменения декремента затухания основных резонансных гармоник от температуры отпуска закаленных образцов из стали марки ШХ15. При повторной закалке отпущенных образцов наблюдаются обратные изменения частот резонансных гармоник и декремента затухания. Изменения указанных индикативных спектральных характеристик соответствуют изменениям твердости и микроструктуры стали. Данная методика может быть использована при разработке экспресс-методов неразрушающего контроля для оценки изменений состояния стальных конструктивных элементов и контроля качества термообработки.
Бесплатно
Статья научная
Проводится исследование влияния сил электростатического взаимодействия на чувствительный элемент микромеханического акселерометра при различных температурах окружающей среды. Приведены зависимости между измеряемым ускорением, отклонением чувствительного элемента и величиной емкости между обкладками конденсатора. Показано влияние сил кулоновского взаимодействия, возникающих между чувствительным элементом датчика и подложкой, на выходные параметры микроакселерометра и на точность измерений. Решена связанная электромеханическая задача с учетом влияния внешнего температурного поля. Показана возможность появления «шумового» сигнала при нулевых внешних нагрузках, обусловленного влиянием дополнительной силы между подвижными обкладками конденсатора переменной емкости и влиянием температурного поля.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается динамическое поведение пороупругих и поровязкоупругих тел. Поровязкоупругая постановка опирается на полную модель насыщенной пороупругой среды Био. Теория Био является расширением классической теории упругости на случай двухфазной среды, состоящей из упругого скелета с порами и наполнителя. Для описания вязкоупругих свойств упругого скелета используются классические модели вязкоупругости, такие как Кельвина-Фойгта, стандартного вязкоупругого тела и модель со слабосингулярным ядром типа Абеля. Использованы система дифференциальных уравнений для полной модели Био в преобразованиях Лапласа и принцип соответствия упругой и вязкоупругой реакции. Решение исходной задачи получается в пространстве Лапласа, с последующим применением алгоритма численного обращения интегрального преобразования. Для получения решения в изображениях по Лапласу записывается система граничных интегральных уравнений (ГИУ) прямого подхода. Рассматриваются регуляризованные ГИУ и вводится согласованная гранично-элементная дискретизация для получения дискретных аналогов. Применяется иерархический алгоритм интегрирования совместно с квадратурами Гаусса для поэлементного интегрирования по круговой частоте. Численное обращение преобразования Лапласа реализовано на основе модифицированного алгоритма Дурбина с переменным шагом интегрирования. Верификация описанной численной схемы проводится путем сравнения с аналитическим решением. Рассматриваются однородные поровязкоупругие призматические тела и полупространства. Представлены результаты численных экспериментов. Получены решения задачи о действии осевой силы на торец призматического тела и действии вертикальной силы на поверхность полупространства. Исследуется влияние параметра вязкости материала на динамические отклики перемещений и порового давления. Проводится моделирование поверхностных волн при различной вязкости материала.
Бесплатно
Статья научная
Работа направлена на выявление закономерностей локализации пластической деформации при динамическом нагружении образцов из сплава А6061. Схема нагружения соответствует механизму образования и выноса пробки. Скорости соударения стального ударника с образцом-мишенью варьировались от 101 до 260 м/с. При малых скоростях соударения, недостаточных для полного выноса пробки из образца, механизмом разрушения является образование и слияние микропор под действием сдвиговых напряжений. С возрастанием скорости соударения разрушение происходит по узким полосам локализованной деформации. Микроскопический анализ внутренней структуры деформированного материала вблизи поверхности разрушения позволил оценить величины локальных сдвиговых деформаций в зависимости от расстояния до места локализации деформации в различных по глубине образца областях. Обнаружено, что по мере удаления от контактной поверхности распределение деформаций становится все более неоднородным, а также все большее количество прилегающей структуры оказывается задействованной в процессе деформирования. Теоретические расчеты процессов высокоскоростной пластической деформации, основанные на структурно-кинетической модели [1], совпадают с полученными экспериментальными данными.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена изучению процессов деформирования и разрушения, возникающих в слоистых композитах при комбинированных режимах нагружения. Целью исследования является численный анализ различных мод разрушения, реализуемых одновременно в образцах слоистого композиционного материала. Построены модели слоистого композиционного материала с имитацией технологических дефектов в виде расслоения материала. Процесс расслоения реализован с применением метода виртуального закрытия трещин. Процессы накопления повреждений и разрушения слоистых композитов заданы на основе моделей редуцирования жесткостных свойств с использованием критериев Хашина и модели Матценмиллера. В моделях заложены законы, соответствующие хрупкому и пластическому разрушению. Проведено сравнение нескольких моделей разрушения и деградации упругих свойств. Чтобы разрешить сложности, касающиеся точного описания внутренней структуры композита, был применен многомасштабный подход. Суть подхода заключается в том, что анализ слоистого композита может быть выполнен на трех различных масштабах: макроуровне, мезоуровне, микроуровне. На макроуровне используется эквивалентный материал, эффективные свойства которого определяются с помощью методов гомогенизации, в частности методом среднего поля. Реализовано многомасштабное кончено-элементное моделирование, в ходе которого макроскопические параметры образца материала на каждом шаге зависят от характеристик и свойств компонентов на микроуровне. Исследовано поведение двух образцов слоистого полимерного композиционного материала с различной конфигурацией заложенных дефектов под воздействием нагрузки двух видов: одноосное сжатие и кручение, а также только одноосное сжатие. Установлено влияние внутренних дефектов на процессы накопления повреждений и процессы расслоения материала.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются закономерности поведения сплава 15Х2ГМФ при совместном деформировании растяжением и кручением тонкостенных трубчатых образцов, исследованные с использованием современного высокоточного оборудования Центра экспериментальной механики Пермского государственного технического университета.
Бесплатно
Исследование и моделирование вязкоупругого поведения эластомерных нанокомпозитов
Статья научная
Представлены результаты исследования механических свойств полимерных композитов в зависимости от типа частиц наполнителя (зернистые - технический углерод, наноалмазы; слоистые - графен; волокнистые - одностенные нанотрубки). Данные нанонаполнители сильно отличаются друг от друга своим строением и геометрией. И даже при малой доли введения частиц в эластомер выявлено существенное различие в характере поведения нанокомпозитов. Видно, что наибольший усиливающий эффект получается при использовании в качестве наполнителя одностенных нанотрубок и детонационных наноалмазов. На основе сложных экспериментов по одноосному циклическому нагружению образцов изучались вязкоупругие свойства и эффект размягчения Маллинза [1-4] для полученных материалов. В заданных экспериментах пошагово менялась амплитуда деформаций и на каждом шаге задавались остановки по времени для завершения процессов перестройки структуры. В результате яркий эффект размягчения после первого цикла деформирования и значительные гистерезисные потери проявились у материала, наполненного одностенными нанотрубками. Для остальных нанокомпозитов эти характеристики незначительны при двукратном удлинении. В соответствии с полученными результатами предложен новый вариант математической модели для описания свойств вязкоупругих полимерных материалов. Для каждого материала вычислены константы определяющих соотношений, проведено сравнение теоретических и экспериментальных кривых нагружения. Получено, что введенная модель способна описывать поведение эластомерных нанокомпозитов с высокой точностью, и при этом она относительно проста в использовании, пригодна для широкого диапазона скоростей деформирования и кратностей удлинения материала, при этом нет необходимости помнить всю историю деформирования, как это требуется для интегральных моделей вязкоупругости.
Бесплатно
Исследование карт деформационных структур при растяжении металлов
Статья научная
Рассматриваются закономерности макроскопической неоднородности пластического течения при одноосном растяжении плоских образцов Fe-Cr-Ni толщиной 2 мм. Их ось растяжения была ориентирована вдоль направления прокатки. Средний размер зерна составлял 12,5 ± 3 мкм. Кривые пластического течения сплава имели продолжительные стадии линейного деформационного упрочнения во всем исследованном температурном интервале испытаний 180 K
Бесплатно
Исследование конвективного теплообмена в кабельном канале, проложенном в земле
Статья научная
Построена математическая модель процессов конвективного теплообмена в кабельном канале, проложенном в земле без учета и с учетом теплового излучения. Приведена зависимость температуры на поверхности кабеля от разбиения на конечные элементы. Получены траектории движения частиц в кабельном канале, поля температур. Представлены зависимости температуры на поверхности кабельного канала от теплопроводности различных конструктивных элементов в кабельном канале.
Бесплатно
Статья научная
В работе приведены результаты расчета двух конечно-элементных моделей фрагмента стенки нефтеналивного резервуара с дефектом в виде вмятины: первая - для выборки реальных вмятин в геометрически и физически нелинейной постановке на прямоугольной сетке, вторая - идеализированные вмятины в линейной постановке на радиально-окружной сетке. По результатам сравнения определен оптимальный параметр аппроксимации для описания формы идеализированной вмятины. Приведены результаты расчета двух видов дефектов трубопровода: первый - коррозионного происхождения (каверна), второй - механического происхождения (вмятина). С использованием языков программирования VBA и APDL автоматизирован процесс расчета дефектов, находящихся на заданном участке трубопровода.
Бесплатно
Исследование корреляционного приближения задач математической физики для однонаправленных композитов
Статья научная
Рассматривается известное корреляционное приближение задач математической физики для однонаправленных композитов со случайной структурой. Исследуется вопрос о точности определения дисперсий физических полей в этом приближении в зависимости от объемного содержания волокон. Для этого строится статистически изотропный набор реализаций структуры на основе периодической структуры.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена исследованию кинетики разрушения углеродных композиционных материалов на основе параметрического анализа сигналов акустической эмиссии. Проведены механические испытания на растяжение и сжатие образцов, изготовленных из углепластика на различных стадиях технологического передела. В процессе экспериментов производилась непрерывная запись сигналов акустической эмиссии с помощью установки Vallen AMSY-6, а также ее синхронизация с универсальной электромеханической системой Instron 5882 и бесконтактным видеоэкстензометром AVE Instron. Для подавления шумов высокочастотного и низкочастотного происхождения проводилась фильтрация регистрируемых сигналов акустической эмиссии. В качестве основных параметров сигнала акустической эмиссии выбраны амплитуда сигнала и энергетический параметр сигнала. Для анализа кинетики разрушения введён специальный параметр повреждённости, характеризующий степень накопления дефектов в материале. В результате полученных данных построены диаграммы зависимостей основных параметров сигнала от перемещения, кривые накопления повреждений. Выявлена зависимость сигналов от кинетики разрушения композиционного материала. На основе анализа информативных параметров акустической эмиссии выделены основные этапы разрушения углепластика. Зафиксировано различие в регистрируемых сигналах в зависимости от вида испытаний и технологии изготовления материала.
Бесплатно
Статья научная
В работе проведены экспериментальные исследования механических свойств технического пластилина, который представляет собой композитный материал, состоящий из матрицы (смесь парафина и масел) и порошкового наполнителя (тальк, глина, пигменты) при растяжении, сжатии, сдвиге и внедрении сферического индентора. При постоянной скорости деформирования (растяжение, сжатие) получены кривые «напряжение - деформация», характеризующиеся малым упругим участком, зоной протяженной текучести до деформаций 15-20 %. На основании экспериментальных данных получена степенная зависимость предела текучести от скорости деформирования в диапазоне 0,0004…80 c -1. Таким образом, деформирование технического пластилина может быть удовлетворительно описано упруго-вязкой моделью типа Нортона с последовательным соединением упругого и вязкого элементов. Технический пластилин при растяжении и сдвиге свыше 3-5 % деформации начинает интенсивно накапливать рассеянные микроповреждения, что не позволяет использовать сдвиговые испытания в качестве тестовых при определении предела текучести подобно известным методикам для металлов. Пределы текучести при сжатии и растяжении при одинаковых скоростях деформирования близки. При внедрении сферического индентора диаметром 43 мм в пластилиновый блок толщиной 75 мм получена линейная диаграмма «усилие - глубина внедрения» вплоть до глубины 3 мм, что позволило считать постоянной величину твердости пластилина при определенной скорости деформирования. Удалось получить также динамическую твердость как энергию падающего тела, деленную на объем отпечатка в пластилине. Статическое и динамическое индентирование представляет собой перспективный метод исследования пластических свойств материалов в силу своей простоты. Однако необходимо установить корреляционный коэффициент, связывающий значение твердости с пределом текучести. Для рассмотренного материала такой коэффициент составил 0,24 при отсутствии трения между телами.
Бесплатно
Исследование механического поведения двухфазной композиции Mg-Ni в процессе быстрого сжатия
Статья научная
В работе приведены результаты использования хорошо известного в металлургии метода прессования в качестве нового способа получения материалов, склонных к высокой сорбционной емкости водорода. Метод позволяет в процессе прессования не только получить консолидированный конечный продукт из исходных порошковых ингредиентов Mg и Ni, но и осуществить фазовое превращение - получение в составе композиции Mg-Ni фазы Mg2Ni, что является уникальным результатом. Установлено, что ключевым моментом в формировании фазового состава образца является температура проведения прессования (Fast Forging). Повышение температуры (ниже температуры эвтектики) приводит к практически полному исчерпанию свободного никеля и появлению фазы Mg2Ni в структуре материала без плавления заготовки. С целью определения оптимальных условий деформирования для получения сплава с максимальным содержанием фазы Mg2Ni построена 2D расчетная модель ячейки с произвольным распределением разно-размерных частиц никеля в магнии. Численное моделирование процесса адиабатического сжатия ячейки до величины средних деформаций 80-90 % показало, что, помимо предварительного нагрева образца в камере для осуществления Fast Forging, необходимо учитывать повышение температуры образца в процессе удара молота при прессовании. Установлено, что с ростом начальной температуры от 20 до 400 °С вклад повышения температуры при интенсивной пластической деформации снижается. Приведены результаты численного моделирования повышения температуры на границе касания двух материалов - магний/никель. Рассчитаны поля деформаций в 2D модельной ячейке, что позволило оценить механическое поведение системы при Fast Forging. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом.
Бесплатно
Исследование механического поведения упруготрансформируемых композитных конструкций
Статья научная
В работе представлены расчетные и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния композитного упругого шарнира при трансформировании стержневой конструкции. Упругий шарнир представляет собой две совместно работающие ленточные пружины и выполняет функцию актуатора для бесприводного развертывания крупногабаритных космических конструкций. Рассматривались упругие шарниры, различающиеся схемой армирования и формой выреза. Натурные испытания шарнира проводились на специально разработанном стенде, позволяющем проводить его полное складывание и раскладывание и фиксировать величину возникающего шарнирного момента для каждого угла складывания. Картина деформаций для каждого угла регистрировалась с помощью системы фото-, видеофиксации, работающей на основе методики корреляции цифровых изображений (DIC - Digital Image Correlation) VIC 3D. Для идентификации упругих характеристик материалов упругого шарнира были проведены механические испытания для определения модуля Юнга и предела прочности при растяжении и сжатии. Для сокращения объема натурных испытаний была разработана микромеханическая модель материала с учетом свойств армирующего волокна, связующего и типа переплетения в системе Digimat. Верификация микромеханической модели проведена по измеренным характеристикам на растяжение и сжатие. Посредством виртуальных испытаний в системе Digimat были определены остальные механические характеристики материала. Конечно-элементное моделирование процесса складывания-раскладывания шарнира проводилось в системах Ansys Workbench и LS-Dyna. Расчет проводился для различных конструкций шарниров неявным и явным методами. В расчетной модели учитывались явления динамического поведения, геометрической нелинейности, прогрессирующего разрушения и самоконтакта поверхностей шарнира. В результате расчета были определены картина деформаций и максимальный шарнирный момент. Расчетные значения деформаций и шарнирного момента хорошо согласуются с экспериментальными данными. На основании проведенных исследований предложена комплексная расчетно-экспериментальная методика для определения рациональных параметров упругих шарниров композитных трансформируемых конструкций.
Бесплатно
