Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics
Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1052
Статья научная
Рассмотрены вопросы изучения распределения рассеиваемой (диссипируемой) механической энергии, передаваемой на покрытие дорожной одежды при движении по ней автомобильного транспорта. Для численного моделирования процесса передачи энергии была усовершенствована аналитическая модель динамического напряженно-деформированного состояния многослойного полупространства путем введения подвижной системы координат. Изучение распределения энергии осуществлялось для трех разнопрочных дорожных конструкций, для каждой из которых были получены амплитудно-временные характеристики напряжений и деформаций на поверхности слоев покрытия, основания и грунта земляного полотна, на основе которых были построены динамические петли гистерезиса. Был осуществлен анализ площадей динамических петель гистерезиса на поверхности слоев покрытия, основания и грунта земляного полотна, что позволило выявить качественные и количественные зависимости распределения плотности рассеиваемой энергии в слоях дорожной одежды. Установлено, что с увеличением капитальности дорожной конструкции уменьшается плотность энергии, рассеиваемой на ее поверхности, при этом темпы затухания энергии волновых полей в дорожной конструкции, генерируемой воздействием расчетной нагрузки, в значительной степени отличаются в зависимости от капитальности дорожной одежды и от различных типов конструктивных слоев, из которых она состоит. Наибольшее различие при этом определяется свойствами материала, применяемого в качестве слоя основания (укрепленное, неукрепленное). На основе проведенных исследований предложен новый подход к оценке проектного ресурса нежестких дорожных конструкций с позиций энергии, передаваемой на ее поверхность в течение всего срока службы.
Бесплатно
Исследование реологических свойств электроизоляционных полимеров
Статья научная
Предложена методика определения реологических характеристик полимерных материалов на серийном приборе ИИРТ-АМ, используемом для определения показателя текучести расплава. Данная методика позволяет определять зависимости вязкости от скорости сдвига и температуры. Проведены экспериментальные исследования реологических свойств расплава полиэтилена низкой плотности марки 153-01К и расплава полиэтилена высокой плотности марки 271-274К, предназначенных для наложения изоляции и оболочек кабелей методом экструзии. Получено: исследуемые расплавы полимеров относятся к псевдопластическим жидкостям с близкими значениями показателей аномалии вязкости; при температуре 170 °С вязкость расплава полиэтилена марки 271-274К выше вязкости расплава полиэтилена марки 153-01К примерно в 1,5 раза; температурный коэффициенты вязкости в уравнении Рейнольдса полиэтилена 153-01К вдвое превышает температурный коэффициент вязкости полиэтилена 271-274К.
Бесплатно
Статья научная
Чувствительные элементы, используемые для измерения различных параметров, в том числе деформаций, должны не только обеспечивать достоверность измеряемых величин, но и стабильность показаний в течение длительного промежутка времени при воздействии различных условий окружающей среды. Приведены результаты исследования стабильности показаний точечных волоконно-оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки при различных климатических условиях. В ходе исследования регистрировались деформации оптического волокна при различных уровнях температуры и относительной влажности воздуха под действием внешней нагрузки с помощью записанной в сердцевине волоконной брэгговской решетки. Для проведения экспериментов была изготовлена оснастка, позволяющая фиксировать оптическое волокно с записанной волоконной брэгговской решеткой и прикладывать внешнюю нагрузку в виде подвешенного груза. Длительность экспериментов варьировалась в пределах от 550 до 900 ч. Диапазоны влажности и температур соответствуют наиболее распространенным значениям, при которых эксплуатируются волоконно-оптические датчики. Анализ полученных данных показал, что для исследуемых волоконно-оптических датчиков при различной относительной влажности и температуре воздуха, а также при нагрузках, соответствующих 50 и 70 % от предельной нагрузки для оптического волокна с записанной методом фазовой маски волоконной брэгговской решеткой, показания в течение исследуемого промежутка времени изменяются незначительно. Данный результат свидетельствует о возможности эффективного использования волоконно-оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки для проведения долговременных измерений деформаций в диапазоне температур окружающей среды от -40 до + 80°С и относительной влажности воздуха от 5 до 95 %.
Бесплатно
Статья научная
Стадии зарождения и распространения усталостной трещины в режимах много- и гигацикловой усталости титановых сплавов с различным состоянием микроструктуры анализировались по поверхностям разрушения. Образцы подвергались нагружению на резонансной усталостной машине Shimadzu USF-2000 в режиме гигацикловой усталости и сервогидравлической BISS bi-00-100 в режиме многоцикловой усталости. Установлено, что титан в субмикрокристаллическом состоянии показывает более высокие свойства к сопротивлению усталости как в многоцикловом, так и в гигацикловом режимах. Методами оптической и электронной микроскопии проведен качественный анализ морфологии поверхности, а использование интерферометра-профилометра New View 5010 позволило установить количественные характеристики профиля поверхности разрушения, по которым определялись масштабно-инвариантные закономерности инициирования и роста трещины. Зарождение трещины происходило как с поверхности образца, в режиме многоцикловой усталости, так и в объеме материала с характерным типом излома - «рыбий глаз» («fish-eye»). Количественная фрактография является эффективным методом исследования роли исходной структурной гетерогенности, накопления дефектов различных масштабных уровней (дислокационных ансамблей, микропор, микротрещин) при оценке критических условий перехода от дисперсного к макроскопическому разрушению. Описание характерных стадий этого перехода, включающих зарождение и развитие трещин, является основой для оценки временного ресурса изделий в условиях усталости. Обнаружены две характерные зоны, сильно отличающиеся друг от друга шероховатостью и, соответственно, значением показателя Херста. В результате анализа скейлинговых закономерностей было установлено, что зона вокруг очага разрушения связана с накоплением микроповреждений, которые обнаруживают коррелированное поведение. По мере циклического нагружения дефекты накапливаются и образуют усталостную трещину критического размера, начиная с которого ее рост подчиняется закону Пэриса.
Бесплатно
Статья научная
стойчивость подсистемы дислокаций для f.c.c. одно- и поликристалла при различной интенсивности деформированных эффектов. Показано наличие двух стационарных значений плотности дислокаций: стационарного ps (1) и неустойчивого ps (2). Для одного ps (1) = 0. При ps (1) p ps (2) плотность дислокаций уменьшается с деформацией в поликристаллах при p ps (1) - увеличиваясь приближаясь к стационарному значению ps (1). При p ps (2) происходит рост плотности дислокаций. Когда плотность дислокаций близка к ps (2), материал может разделяться на участках устойчивого состояния кристалла и областей высоких дефектов, состояние которых может приближаться к аморфному. С уменьшением размера зерна d сближаются стационарные значения плотности дислокаций, динамическое диспропорционирование области становится узким и исчезает, когда оба стационарных состояния совпадают.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена модель эволюции дислокационной подсистемы в гетерофазных сплавах, содержащих некогерентные частицы. Проводится качественное исследование динамической системы и анализа pa-rametncal. Исследуется устойчивость дислокационной подсистемы при различной интенсивности деформированных эффектов. Показано наличие двух стационарных значений плотности дислокаций: устойчивые рх и неустойчивые р2. При p / i; p / 2) плотность дислокаций уменьшается при увеличении деформации.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена модель разрушения ортотропного материала по совокупности критериев в плоском напряженном состоянии. Составлен алгоритм численной реализации процесса разрушения с учетом стадийности. Представлены результаты численного моделирования процессов разрушения ортотропных пластин в виде расчетных диаграмм деформирования, содержащих ниспадающую ветвь. Рассмотрены случаи реализации различных механизмов разрушения на основе использования совокупности критериев. Показано влияние стохастического характера прочностных свойств материала на процесс разрушения.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена исследованию эволюции источников тепла в процессе квазистатического растяжения образцов из титанового сплава ОТ4-0 с помощью контактного датчика потока тепла и метода инфракрасной термографии. Целью исследования является оценка возможностей двух различных типов измерений (контактного и бесконтактного) для мониторинга состояния материала по изменению величины источников тепла, регистрируемому на поверхности образцов в процессе их деформирования. Явными преимуществами метода инфракрасной термографии являются возможность бесконтактного измерения температуры поверхности материала в различных условиях и расчет поля мощности источников тепла. Несмотря на это, данный метод обладает рядом ограничений, связанных с излучательной способностью исследуемого материала, зашумлением сигнала, вызванным влиянием внешних факторов, условиями теплообмена образца и окружающей среды, а также ограничением по точности определения мощности источников тепла. Указанные факторы не позволяют использовать метод инфракрасной термографии в эксплуатационных условиях материалов и конструкций для определения их энергетического состояния. В данной работе сделана попытка верифицировать величину рассчитываемой на основе метода инфракрасной термографии мощности источников тепла на поверхности материала, возникающих при его деформировании. Для этого использовался разработанный авторами контактный датчик потока тепла, устройство которого основано на эффекте Зеебека. В результате по данным контактного датчика и метода инфракрасной термографии были получены зависимости величины теплового потока, возникающего в процессе упругопластического деформирования материала, от времени эксперимента. Удовлетворительное соответствие данных позволяет говорить о возможности использования контактных и бесконтактных измерений как в комплексе - для верификации величины источников тепла, получения их распределения на поверхности материала и определения условий теплообмена образца с окружающей средой, так и по отдельности - в качестве экспресс-методики оценки состояния материала на различных этапах нагружения.
Бесплатно
Исследование электромагнитоупругого состояния конечной многосвязной тонкой плиты
Статья научная
С использованием комплексных потенциалов теории изгиба тонких электромагнитоупругих плит получено решение задачи об изгибе конечной плиты с произвольными отверстиями и трещинами. При этом с помощью конформных отображений, разложений голоморфных функций в ряды Лорана и по полиномам Фабера и удовлетворения граничным условиям на контурах плиты обобщенным методом наименьших квадратов задача сведена к решению переопределенной системы линейных алгебраических уравнений методом сингулярных разложений. Описаны результаты численных исследований для круговой плиты с круговым отверстием, круговой плиты с внутренней или краевой трещиной, для плиты с двумя внутренними отверстиями или внешними выемами. Исследованы закономерности влияния физико-механических свойств материала плиты и геометрических характеристик отверстий, трещин и выемов на значения изгибающих моментов и коэффициентов интенсивности моментов для концов трещин. Установлено, что влияние учета пьезосвойств материала на значения изгибающих моментов в плите велико и ими при исследовании напряженно-деформированного состояния пренебрегать нельзя, то есть нужно решать задачу электромагнитоупругости, а не задачу классической теории изгиба анизотропной плиты, к тому же при действии только электромагнитного поля в пьезоплите возникают достаточно большие изгибающие моменты (следовательно, напряжения и деформации), и их можно найти только решая задачу электромагнитоупругости. Определено, что трещину в плите можно рассматривать как эллиптическое отверстие, у которого отношение полуосей менее 10-3, и в этих случаях можно вычислять коэффициенты интенсивности механических и электромагнитных моментов. Также установлено, при каких расстояниях между контурами влияние одного из них на напряженно-деформированное состояние около другого незначительно и им можно пренебречь.
Бесплатно
Исследование эффекта Баушингера и границы текучести при упругопластическом деформировании металлов
Статья научная
Представлены результаты опыта на многократное знакопеременное нагружение при растяжении-сжатии тонкостенного трубчатого образца из стали 45 на автоматизированном испытательном комплексе на сложное нагружение СН-ЭВМ. Дана экспериментальная оценка эффекта Баушингера и влияния на него различных допусков на остаточную деформацию. Исследуется влияние допуска на остаточную деформацию при определении вторичных пределов текучести, а также на радиус-функцию и положение центра гипотетической поверхности текучести в пространстве напряжений, используемой в теории пластического течения. По результатам проведенного исследования установлено, что с ростом допуска на остаточную деформацию параметр, характеризующий эффект Баушингера, и радиус-функция поверхности текучести увеличиваются, а смещение ее центра уменьшается. Показано, что параметр, характеризующий эффект Баушингера, уменьшается с ростом длины дуги пластического деформирования и стремится к некоторому стационарному значению. Экспериментально установлено, что для стали 45 смещение центра поверхности текучести увеличивается с ростом длины дуги пластического деформирования. Также установлено, что радиус сферической поверхности текучести совершает временное понижение, а затем с ростом длины дуги пластического деформирования увеличивается. При этом в некоторых математических моделях теории пластического течения временное убывание радиуса поверхности текучести (сужение поверхности текучести) в начале процесса пластического деформирования не связывают с определением пределов текучести по допуску на остаточную деформацию.
Бесплатно
Исследование явления скольжения в кристаллических материалах методами имитационного моделирования
Статья научная
В модифицированной барьерной модели постоянного линейного натяжения имитированы и исследованы все стадии процесса зарождения и распространения единичного кристаллографического скольжения в поле дискретных препятствий дислокационной природы.
Бесплатно
Статья научная
Объектом исследования является напряженно-деформированное состояние (НДС) вблизи и непосредственно в особых точках конструкций с особенностями в виде составных плоских клиньев и пространственных ребер, являющихся пересечением образующих поверхностей скрепляемых тел. Граничные условия, условия непрерывности напряжений и деформаций на линии (поверхности) соединения элементов конструкции, а также другие ограничения, обусловленные постановкой задачи в особых точках элементов конструкции, образуют обязательные алгебраические равенства (ОАР), которые представляют собой систему линейных неоднородных алгебраических уравнений. Количество ОАР, формулируемое в особых точках, превышает количество ОАР в обычных (не особых) точках границы, что ограничивает возможность построения решения, удовлетворяющего всем ОАР, обычными методами механики деформируемого твердого тела. Поэтому цель работы - построение алгоритма, позволяющего строить решение, согласованное со всеми ОАР, задаваемыми в особых точках. Предлагается подструктурный смешанный итерационный конечно-элементный метод (МКЭ). Подструктуры - части расчетной области, в которых параметры состояния не претерпевают разрывов. Основные результаты: построены алгоритм и на его основе программный комплекс для исследования НДС вблизи и непосредственно в особых точках элементов конструкций. В зависимости от свойств геометрических и материальных параметров рассматриваемой плоской или пространственной конструкции задачи упругости и термоупругости делятся на типы и подтипы, отличающиеся количеством задаваемых ОАР. Смешанный вариант МКЭ дает возможность вычислить параметры НДС в узлах КЭ-сетки без операции дифференцирования приближенного решения и без применения какого-либо метода восполнения. Итерационный подход позволяет построить решение, согласованное со всеми ОАР, задаваемыми в особых точках. Описывается процедура предлагаемого алгоритма и его вычислительная реализация на языке Fortran-95. Обсуждаются особенности, связанные с применением технологии OpenMP в реализации алгоритма.
Бесплатно
К вопросу идентификации параметров нелинейной модели консолидации песчаного грунта
Статья научная
Ранее авторами настоящей статьи была сформулирована физически и геометрически нелинейная постановка задачи деформирования пористой флюидонасыщенной среды при фильтрации жидкости (задачи консолидации) в скоростях перемещений твердой фазы и изменения порового давления в дифференциальном и вариационном виде. В разработанной модели консолидации учитывается изменение пористости и проницаемости среды в процессе деформирования. В модели используются определяющие соотношения деформационного типа. Разработанная модель консолидации может применяться для моделирования нестационарных процессов в грунте, например, образования колеи и неровностей грунтовых дорог, а также для расчета неравномерной осадки инженерных сооружений. Настоящая работа посвящена экспериментальному определению деформационных и прочностных свойств водонасыщенных песчаных грунтов, что представляет собой следующий этап моделирования процесса консолидации. Изложены результаты экспериментального определения объемных и сдвиговых свойств песчаного грунта на автоматизированном комплексе АСИС (ООО НПП «Геотек»). Исследования проводились на трех песках кварцевого состава различной крупности. Для определения объемных модулей были осуществлены испытания сухих и водонасыщенных песчаных грунтов на компрессионное сжатие при непрерывно растущей вертикальной нагрузке с постоянной скоростью деформации. Опыты проводились для различных скоростей деформации в диапазоне от 3·10-6 до 3·10-3 с-1. Эксперименты показали отсутствие зависимости объемных свойств от скорости деформации в указанном диапазоне. Деформационные и прочностные характеристики песчаных грунтов на сдвиг определялись методом многоплоскостного среза, приближающего простой сдвиг. Испытания проводились в кинематическом режиме приложения сдвигающей нагрузки с заданной постоянной скоростью деформации по схеме консолидировано-дренированного сдвига. Исследованы зависимости деформационных и прочностных свойств крупных и мелких кварцевых песков от скорости деформации сдвига в диапазоне от 2·10-4 до 4·10-3 с-1. Для исследуемых сухих и водонасыщенных песков различной крупности получены возрастающие, убывающие и немонотонные зависимости угла внутреннего трения от скорости деформации сдвига. Для водонасыщенных песков максимальный разброс значений угла внутреннего трения для разных скоростей деформации не превышает 7 %. Разработана методика пересчета полученных свойств и экспериментальных зависимостей в параметры предложенной модели консолидации песчаного грунта.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача об охлаждении бесконечной плиты постоянной толщины, изготовленной из полиэтилена низкого давления. Исследуется эволюция деформированного состояния плиты, обусловленного возникающими в процессе охлаждения и кристаллизации температурными и усадочными деформациями. При решении краевой задачи термомеханики используются определяющие соотношения в рамках теории больших деформаций.
Бесплатно
Статья научная
Предложен новый подход к решению задачи идентификации констант материальных констант структурной сверхпластичности, основанной на экспериментах по одноосным растяжениям в цилиндрических образцах в условиях неоднородного режима деформации. Основная идея подхода заключается в дополнительном участии экспериментальных данных, а именно в эволюциях профилей боковых сторон. Сформулирована концептуальная и математическая постановка задачи идентификации. Рассмотрены проблемы идентификации идентификационных данных материалов стандартного конституционального уравнения сверхпластичности, полная и уменьшенная форма.
Бесплатно
К измерению адгезии льда к другим материалам
Статья научная
Исследуется адгезионная прочность ледяной корки, намороженной на поверхность элемента конструкций, в зависимости от условий на границе контакта, включая соотношение сдвиговых и нормальных напряжений, а также влияние бокового стеснения, геометрии поверхности и антиадгезионного покрытия. Соответственно задаче исследования предложены методики и устройства для измерения адгезии льда к другим материалам, в частности на цилиндрических образцах, в условиях комбинированного сдвига (вдоль оси образца и в окружном направлении). Показано, что наличие даже малого сдвига в окружном направлении резко снижает адгезионное сопротивление по отношению к осевому сдвигу. Исследована адгезия льда к реальному конструкционному элементу токонесущего кабеля с антиадгезионным покрытием и без покрытия. Сделаны выводы о практическом применении полученных результатов.
Бесплатно
К математическому моделированию динамики течения и разрушения металла при пластической деформации
Статья научная
Математическое моделирование процесса перелома металла играет важную роль в создании новых и совершенствовании текущих производственных процессов. В работе рассматривается теория разлома - образование разрывов в виде трещин и других макродефектов при пластической деформации металлов. Теория была создана на основе обобщения обширных лабораторных тестов. Это подтверждено практикой - в процессе совершенствования различных производственных процессов. Наш метод решения краевых задач развитого пластического течения и разрушения металла. Краевая задача включает в себя решение классических уравнений механики твердых тел (динамических, кинематических и конститутивных уравнений), дополненных и неклассическими соотношениями, предложенными для описания процесса перелома металла. Краевая задача решена в два этапа. Вначале применяются изохронные вариационные принципы и прямые методы вариационного исчисления, параметры напряжений, деформаций и температуры находятся вплоть до переменных параметров. Затем на втором этапе множество обыкновенных дифференциальных уравнений решается относительно переменных величин. «Neihod: .s иллюстрируется примерами.
Бесплатно
К описанию деформирования кристаллизующегося полимерного материала с учетом больших деформаций
Статья научная
Предлагаются определяющие соотношения для кристаллизующегося упругого материала с учетом конечных деформаций. Рассматривается процедура линеаризации при решении краевых задач с большими деформациями, позволяющая ввести в рассмотрение температурные деформации и деформации структурной усадки материала. Работоспособность модели тестируется на задачах простого сдвига и одноосного деформирования.
Бесплатно
К параметризации многослойной оболочечной области трехмерного пространства
Статья научная
Рассматривается новая параметризация многослойного поля оболочки трехмерного пространства, а также представление единичного тензора двух ранга и связей между различными семействами символов Кристоффеля даны в этой работе.
Бесплатно
К теории процесса гидратообразования газовых пузырей в условиях мирового океана
Статья научная
В работе предложена и построена теоретическая модель миграции метановых пузырей в условиях образования гидрата в вертикальном канале, находящегося над газовым источником. Изучено влияние различных параметров на процесс образования гидратных пузырей. Получены минимальные значения массовых расходов газа и воды, необходимых для процесса образования гидрата. Установлено, что при миграции газовых пузырей в вертикальном канале возможны два режима протекания процесса гидратообразования в зависимости от значения массового расхода воды. Если начальное значение массового расхода воды больше критического, то при данном массовом расходе газа, достаточного для гидратообразования, газовые пузырьки полностью превращаются в гидратные, при этом температура воды в канале не достигает равновесной температуры образования гидрата. Если начальное значение массового расхода воды меньше критического, то газовые пузырьки покрываются гидратной оболочкой, а температура воды в канале достигает равновесной и процесс гидратообразования завершается. Получено, что с увеличением начального массового расхода воды высота всплытия гидратных пузырьков растет до некоторой максимальной величины, которая соответствует его критическому значению, а при дальнейшем увеличении – падает. В работе проведен анализ влияния на процесс гидратообразования различных глубин, на которых расположены газовые источники: 800, 1200 и 1500 м. Получено, что если происходит процесс частичного гидратообразования, то чем глубже расположен источник, тем на большую высоту всплывают пузырьки. Если происходит процесс полного образования гидрата, то картина совершенно иная: чем выше расположен источник газа – тем больше высота гидратообразования.
Бесплатно
