Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1033
Механика столкновений твердых тел: влияние трения и адгезии. II. Численное моделирование
Статья научная
Данная работа представляет собой вторую часть обзора, посвященного физике двухчастичных столкновений твердых тел. В первой части описаны теоретические и экспериментальные работы по неупругим столкновениям твёрдых тел, в которых диссипация энергии обусловлена наличием внутреннего или внешнего трения, пластичности, адгезии, а также других каналов затухания. В настоящей части обзора мы уделили основное внимание случаю столкновений упругих частиц. Приведены результаты математического и численного моделирования, полученные авторами с применением метода редукции размерности, который позволяет описание трехмерного контакта свести к моделированию контактных процессов в эквивалентном одномерном пространстве. Рассмотрено три случая: столкновение между телами без проскальзывания (эквивалент бесконечного коэффициента трения), с конечным коэффициентом трения в зоне контакта и с наличием адгезионного взаимодействия, которое описывается в пределе JKR. Во всех рассматриваемых случаях идентифицированы определяющие процесс безразмерные переменные, и численно определены функции, задающие зависимости между этими переменными. Используя указанные безразмерные переменные, возможно рассчитать компоненты скоростей и циклическую частоту вращения, а значит, и траекторию шарика после столкновения, если известны аналогичные параметры до столкновения. Теоретические результаты сравниваются с опубликованными экспериментальными данными и показывают хорошее совпадение с известными экспериментами.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик сопротивления малоцикловой усталости жаропрочной конструкционной стали ЭП517Ш (химический состав: C - 0,13 %; Cr - 12,5 %; Si - 0,05 %; Ni - 2,05 %; Mo - 1,50 %, W - 0,70 %; Nb - 0,20 %; V - 0,20 %) авиационного назначения при двухосном циклическом нагружении. Для проведения циклических испытаний использовалась специализированная двухосевая испытательная система Instron 8850, которая позволяет планировать циклические и статические испытания с произвольными законами нагружения при растяжении и кручении. Для измерения осевых и сдвиговых деформаций в экспериментах использовались двухосевые динамические датчики деформаций Epsilon 3550-010M для испытаний при нормальной температуре и Epsilon 3550HT-025M для испытаний в условиях повышенных температур. Приведена информация о методах испытаний при двухосном циклическом нагружении в условиях нормальных и повышенных температур, позволяющих анализировать механическое поведение и процессы разрушения конструкционной стали в условиях плоского напряженного состояния. Представлены результаты испытаний жаропрочной легированной стали ЭП517Ш на малоцикловую усталость при разных температурах и траекториях циклического деформирования с пропорциональным и не пропорциональным изменением осевой и сдвиговой деформаций. Для разных видов испытаний построены петли гистерезиса в виде зависимостей нормальных и касательных напряжений от осевых и сдвиговых деформаций соответственно. Показано, что при заданных параметрах цикла долговечность стали ЭП517Ш существенно зависит от траектории циклического деформирования, формы цикла и температуры испытания. В случае непропорционального деформирования циклический ресурс стали ЭП517Ш снижается в 1,5-2 раза по сравнению с пропорциональным нагружением при разных температурах испытаний. В зависимости от траектории деформирования отмечено значительное уменьшение циклической долговечности при температуре 600 °С на 17-44 % по сравнению с нормальной температурой.
Бесплатно
Механическое поведение полиуретановых композитов с наноразмерными наполнителями
Статья научная
Представлены результаты работ по исследованию структуры и свойств эластомерных нанокомпозитов на основе полиуретана. Данный материал интересен тем, что он сам имеет неоднородное строение. Поэтому ненаполненный материал можно рассматривать как нанокомпозит со сложным механическим поведением. Кроме того, были исследованы полиуретаны, наполненные углеродными частицами различной морфологии: 1) малослойный графен; 2) многослойные углеродные нанотрубки; 3) алмазная шихта (детонационные наноалмазы). Содержание наполнителя в композитах составляло 0,5 и 4 массовых частей (м. ч. на 100 массовых частей матрицы). Анализ механического поведения рассматриваемых материалов проводился по результатам классических одноосных испытаний до разрыва и циклических экспериментов с возрастающими амплитудами деформирования. Согласно полученным данным было установлено, что даже небольшое введение наполнителя в полиуретановую матрицу приводит к существенному изменению механических свойств. Во-первых, во всех случаях происходит уменьшение жесткости материала. Во-вторых, значительно возрастают разрывные деформации материалов с наполнителем (почти во всех случаях) по сравнению с полиуретаном без наполнителя. Для понимания особенностей механизма разрушения материалов проводился цикл испытаний на раздир. Установлено, что в материале без наполнителя макроразрыв незначительно увеличивает свой размер до момента разрушения. В материалах с нанонаполнителями значительно дольше шел рост макроразрывов и на значительно большую величину происходило их прорастание. Были проведены численные расчеты для объяснения эффекта уменьшения жесткости полиуретана и замедления роста макроразрыва при введении в него наполнителя. Выдвигалась гипотеза, что около поверхности частиц образуется мягкий межфазный слой. В рамках предложенной нами конечно-элементной модели удалось также объяснить рост разрывных деформаций для наполненных полиуретановых систем.
Бесплатно
Статья научная
Толстостенные кольца из стеклопластика нашли широкое применение в высоконагруженных малоподвижных узлах трения рабочих органов дорожных машин в качестве втулок подшипников скольжения. Они должны выдерживать высокие радиальные нагрузки и работать в условиях ограниченной маслоподачи, используя смазочный материал содержащейся в открытых порах втулки. В крупногабаритных конструкциях подшипников скольжения (опорные устройства дорожных машин) толщина втулки может достигать десятков миллиметров. Практика показала, что для снижения динамической составляющей нагрузки при работе дорожных машин необходимо использовать втулки с достаточно большой толщиной стенки. Но увеличение толщины втулки приводит зачастую к расслоению из-за высоких технологических трансверсальных (межслойных), растягивающих напряжений, возникающих в процессе изготовления (при охлаждении изделия до комнатной температуры после намотки и отверждении полимерного связующего). Эти напряжения могут вызывать также заметное коробление толстостенных втулок при механической обработке. В данной работе показано, что силовая намотка предварительно пропитанной стеклоткани на жесткую оправку приводит к неоднородному обжатию слоев по толщине втулки и искажению исходной геометрии переплетения нитей основы и утка. Нити внутренних слоев искривлены сильнее нитей наружных слоев. Это приводит к тому, что коэффициенты теплового расширения внутренних слоев оказываются больше соответствующих величин наружных слоев, что вызывает возникновение остаточных растягивающих напряжений в трансверсальном (радиальном) направлении. В работе представлены результаты дилатометрических исследований распределения коэффициентов линейного теплового расширения по толщине в окружном и аксиальном направлении. Объемные доли стекловолокон и матрицы в нитях определены методом выжигания, на основе чего вычислены теплофизические свойства нити как однонаправленного микропластика. Анализ геометрии реального переплетения нитей позволил получить данные для моделирования трехмерной структуры ткани и расчетного определения теплофизических свойств композитных тканевых слоев на мезоуровне в пакете ANSYS Workbench, которые были использованы далее для нахождения остаточных межслойных температурных напряжений во втулке подшипника скольжения из стеклопластика на макроуровне.
Бесплатно
Статья научная
Современное состояние конститутивных моделей материалов и развитие вычислительной техники дают возможность численно реализовать комплексные многоуровневые модели, позволяющие описывать текущее состояние и эволюцию структуры материала. Модели данного класса позволяют осуществить постановку и решение задач оптимального управления процессами обработки металлов давлением с целью формирования требуемых эксплуатационных характеристик готовых изделий и их заготовок. Для решения этой проблемы в рамках настоящей работы применена разработанная многоуровневая модель для описания термомеханической обработки поликристаллических материалов. Модель основана на подходе с введением внутренних переменных, в котором в явном виде рассматриваются носители и физические механизмы процессов горячей интенсивной пластической деформации. При температурах деформирования порядка и выше 0,5 гомологической особое влияние на формирование и изменение зеренной и дефектной структуры материала оказывает процесс рекристаллизации. В работе рассматривается задача определения критической деформации инициации динамической рекристаллизации в зависимости от взаимной разориентации соседних зерен и текстуры материала. Для этого с применением многоуровневой модели проводятся численные эксперименты по описанию двух этапов неупругого деформирования. На первом этапе рассматривается холодное неупругое деформирование простым сдвигом и сжатием, приводящее к формированию соответствующей текстуры. На втором этапе рассматривается одноосное горячее растяжение. Исходное распределение кристаллографической разориентации зерен полагается равномерным. Рассматриваются два варианта взаимной разориентации зерен с предписанными повышенными и пониженными значениями средних углов разориентации. Процесс рекристаллизации в явном виде не моделируется, в представленном виде модель предназначена для оценки критической степени деформации инициации рекристаллизации. Показано, что наибольшее влияние на критическую деформацию имеет взаимная разориентация зерен нежели текстура. Увеличение угла взаимной разориентации зерен способствует более раннему началу процесса динамической рекристаллизации. Формирование деформационной текстуры приводит к уменьшению угла взаимной разориентации зерен и, соответственно, к уменьшению интенсивности динамической рекристаллизации. Несмотря на это, с ростом деформации движущая сила динамической рекристаллизации - среднее значение разности запасенной энергии - увеличивается, что приводит к ее реализации.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время актуальной является проблема моделирования процессов неупругого деформирования поликристаллических материалов с учетом микроструктуры, реально действующих физических механизмов и их носителей. Вследствие этого широкое распространение получил физический подход, основанный на явном введении в математическую модель переменных, отвечающих за указанные механизмы. Для описания последних, как правило, существует необходимость введения в рассмотрение более глубоких масштабных уровней, чем макроскопический, поэтому такой тип моделей можно отнести к многоуровневым. Классификационными признаками в многоуровневых моделях, основанных на физических теориях пластичности, могут быть гипотеза связи соседних масштабных уровней, число вовлекаемых в рассмотрение масштабных уровней и физическая модель, положенная в основу низшего уровня. В силу значительной универсальности, основанной на использовании физических законов мезо- и микроуровня, данный класс моделей применяется для анализа широкого класса материалов и процессов, и сфера их применения постоянно увеличивается. К числу как хорошо известных, так и недавно разработанных и внедренных в производство можно отнести многофазные материалы, среди которых наибольшее распространение получили стальные и титановые сплавы. Анализ их мезо- и микроструктуры показывает зависимость отклика материала на макроуровне от ее текущего состояния. Особенностью таких материалов является высокая степень неоднородности полей напряжений и деформаций, возникающая вследствие физической неоднородности отдельных фаз поликристалла. В настоящей работе приводится краткий обзор многоуровневых моделей теорий пластичности, основанных на явном рассмотрении носителей и механизмов неупругого деформирования. В обзоре рассматриваются различные аспекты применения существующих модификаций многоуровневых физических моделей для описания поведения многофазных материалов, получивших широкое распространение в промышленности. Особое внимание уделяется критическому анализу приводимых моделей.
Бесплатно
Модальный анализ трубы, поврежденной водородом, как неоднородной по толщине оболочки
Статья научная
Водородная коррозия труб магистральных газо- и нефтепроводов часто приводит к авариям. Возникает необходимость оценки ресурса ослабленных водородом труб. В них под давлением водородосодержащей среды образуется внутренний слой с ухудшенными механическими характеристиками. В работе проведен расчет свободных колебаний такой трубы с учетом деградации ее материала. Труба моделируется двуслойной цилиндрической оболочкой по классической теории, влияние ослабленного водородом слоя учитывается при расчете жесткостей и смещения нейтральной линии оболочки. Рассмотрено три варианта усреднения параметров, определяющих жесткость оболочки, проведены численные эксперименты и найдены собственные частоты оболочки. Сравнение с вычислениями по методу конечных элементов в программе ANSYS позволило оценить степень применимости каждого варианта усреднения. Метод усреднения модуля Юнга по толщине оболочки не «чувствует» асимметрии слоев относительно нейтральной линии. Метод добавления поправки на радиус нейтральной линии оболочки приемлемо работает для осесимметричных мод и балочной моды. Следующее по точности приближение - усреднение жесткостей оболочки по ее толщине с учетом приведенного радиуса. Этот метод позволяет получать приемлемые результаты в достаточно широком диапазоне частот и для мод, связанных с деформированием сечения оболочки. Предложен метод принципиального восстановления параметров, характеризующих жесткость оболочки, по трем экспериментально полученным фиксированным частотам. На основе этих исследований предложены формулы, позволяющие по частотным характеристикам трубы восстановить параметры ослабления ее материала в результате водородной коррозии как по толщине, так и по времени.
Бесплатно
Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов
Статья научная
В статье представлен обзор основных моделей механики, которые используются для описания эффектов водородной хрупкости, водородного растрескивания и индуцированного водородом разрушения. Основное внимание уделено моделям, которые применяются для расчета напряженнодеформированного состояния металлических образцов, деталей и узлов машин и имеют потенциал для конкретных инженерных приложений. С механической точки зрения влияние водорода на свойства материалов представляет собой классическую задачу о влиянии малого параметра, так как критические для прочности и пластичности металлов концентрации водорода, как правило, невелики. Подавляющая часть моделей сводит это влияние к перераспределению водорода внутри объема металла и локализации его концентраций в критических зонах разрушения. Авторами выделено четыре основных подхода, которые позволяют учесть влияние малого параметра: усиленная водородом декогезия (HEDE), усиленная водородом локализованная пластичность(HELP), учет дополнительного внутреннего давления, которое создает растворенный в металлах водород, и би-континуальный подход, который учитывает внутреннее давление водорода и ослабление материала в рамках единой модели сплошной среды. Установлены связи между основными подходами. Проведена систематизация публикаций, выделены сходства и различия в описании внутреннего переноса и накопления водорода в металлах. Указано, что самое большое количество публикаций посвящено HEDE-модели, вместе с тем нет опубликованных данных о применении этой модели к реальным задачам инженерной практики, рассматривались только задачи о моделировании результатов механических испытаний цилиндрических и призматиче- ских образцов, с этой точки зрения другие, менее популярные подходы имеют больше практических применений. Основным нерешенным вопросом при верификации всех моделей остается локальная концентрация водорода, которая является источником преждевременного разрушения металлов под нагрузкой. Все методы измерения локальных концентраций являются косвенными. Даже в случае применения тонких физических методов требуется механическая подготовка поверхности, во время которой сохранить естественную, исходную концентрацию водорода невозможно. Отсутствие достоверных данных о распределении концентрации водорода не дает возможности однозначно определить все параметры моделей, что, с одной стороны, позволяет осуществить подгонку к любым экспериментальным данным, с другой - снижает прогностическую инженерную ценность всех моделей, так как при инженерном расчете на прочность недостаточно только качественного соответствия.
Бесплатно
Модели и численное решение некоторых динамических контактных задач наномеханики
Статья научная
Исследуются некоторые задачи нанотрибологии, представляющие собой важный класс задач наномеханики. Объектом исследования в трибологических задачах является процесс контактного взаимодействия двух наносистем при задании их относительного движения. В настоящей работе рассматриваются одномерные динамические задачи нанотрибологии; найдено решение задачи об определении усилий контактного взаимодействия двух наноструктур, состоящих из дискретных частиц (атомов), заполняющих области в форме куба
Бесплатно
Модели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 1: потенциалы для однокомпонентных систем
Статья научная
Статья является первой частью обзора современных подходов к построению потенциалов межатомного взаимодействия на базе метода погруженного атома ( embedded atom method, EAM ) для различных однокомпонентных материалов. Приведены основные положения и соотношения метода молекулярной (атомарной) динамики, отмечены недостатки подхода к моделированию атомных систем с использованием классических парных потенциалов взаимодействия. Приведены основные положения и соотношения метода погруженного атома, а также различные модификации метода. Рассмотрен алгоритм использования EAM-потенциалов в расчетах молекулярно-динамических систем, а также способы повышения эффективности вычислительных алгоритмов, в том числе, связанные с введением радиуса обрезания и обоснованием его выбора для тех или иных материалов. В рамках обзора особое внимание уделено способам построения и видам функции погружения для различных материалов, а также физико-механическим свойствам материалов, которые хорошо описываются тем или иным видом потенциала. Приведен краткий обзор способов получения параметров потенциалов: из квантово-механических расчетов (часто в иностранной литературе называемых «из первых принципов», « ab initio ») либо с использованием экспериментально определяемых свойств (дифракционными, рентгеновскими методами или при помощи электронной микроскопии), а также перечень физико-механических свойств, которые возможно определять для материала с использованием методов молекулярной динамики с применением современных EAM-потенциалов. Сделана попытка подробно рассмотреть работы, в которых предложены потенциалы, в настоящий момент наиболее точно описывающие свойства таких сложных (для прямого моделирования) материалов, как бериллий, железо, вольфрам, ниобий, титан, уран, и некоторые другие. Актуальность исследований структуры и свойств именно этих материалов обусловлена во многом перспективностью их применения в деталях и конструкциях для атомной энергетики, аэрокосмической промышленности, в биомедицине. Отдельно рассмотрены работы, посвященные построению EAM-потенциалов, позволяющих описывать структуру и свойства ряда металлов (лития, никеля, меди, алюминия и других) как в состоянии расплава, так и после кристаллизации.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлена вторая часть обзора современных подходов и работ, посвященных построению потенциалов межатомного взаимодействия с использованием методологии погруженного атома (EAM-потенциалы). Эта часть обзора посвящена одной из наиболее остро стоящих проблем в молекулярной динамике - вопросам построения потенциалов, которые были бы пригодны для описания структуры и физико-механических свойств многокомпонентных (в первую очередь - бинарных и тернарных) материалов. Отмечены первые работы, в которых предлагались подходы к построению функций перекрестного взаимодействия для сплавов никеля и меди - как с использованием методологии EAM, так и несколько отличающийся по процедуре построения потенциал типа Финисса-Синклера. Рассматриваются работы, в которых производится сопоставление различных подходов к построению потенциалов, а также к процедуре идентификации их параметров на примере одних и тех же многокомпонентных систем (типа Al-Ni или Cu-Au). Кроме того, особый интерес представляют некоторые тернарные системы, например Fe-Ni-Cr, W-H-He или U-Mo-Xe, которые являются ключевыми для материалов атомной энергетики и которые в последние годы активно изучаются как возможные материалы для использования в термоядерных ректорах. Приведены примеры работ, в которых предлагаются и исследуются потенциалы для описания многокомпонентных систем, пригодных для использования в аэрокосмической промышленности и изготовленных прежде всего на основе никеля. Рассмотрены результаты исследований различных интерметаллических соединений, отмечены работы, в которых при помощи построенного EAM потенциала удалось количественно точно описать фазовые диаграммы соединений и вычислить характеристики фазовых переходов.
Бесплатно
Модели неупругого деформирования перекрестно армированных слоистых композитов
Статья научная
Рассматривается неэластичная стохастическая краевая задача для ламинарного композита со стохастическим ламинарным расположением для расчета составного нелинейного поведения. Нелинейные конститутивные функции для составных слоев связаны с решением некоторой обратной краевой задачи для поперечных ламинарных пластиков. Рассчитанные результаты сравниваются с экспериментальной датой.
Бесплатно
Статья научная
Точное решение динамических задач в нелинейной постановке сопряжено с известными математическими трудностями. В исследовательских работах, посвященных решению задач на динамический прогиб и устойчивость стержней при ударном взаимодействии, рассматривались идеальные стержни с прямолинейной осью и при отсутствии каких-либо внешних воздействий. Учет дополнительных внешних факторов, оказывающих влияние на состояние ударной системы, ведет к дальнейшему усложнению решения поставленной задачи. В настоящей работе с применением метода начальных параметров и волновой модели продольного удара делается попытка разработать методику расчета динамического прогиба однородного стержня, совершающего поперечные колебания при продольном ударе о жесткую преграду, с учетом поперечной нагрузки. В зависимости от предударного состояния стержня задаются соответствующие начальные параметры - начальные прогиб, угол поворота, изгибающий момент и поперечная сила. Использование волновой модели продольного удара и метода характеристик учитывает кратковременность действия ударной сжимающей нагрузки, после прекращения действия которой стержень представляется колебательной системой, имеющей начальную скорость и отклонение от положения равновесия. В таком состоянии стержень совершает поперечные затухающие колебания. В представленной работе излагается методика расчета амплитуды поперечных колебаний стержня постоянной продольной жесткости, испытывающего удар об абсолютно жесткую преграду. Особый интерес представляет применение данной методики в расчетах системы однородных и ступенчатых стержней, совершающих поперечные колебания при продольном ударе. Такие системы стержней часто встречаются в современных ударных механизмах и являются элементами строительных конструкций: стержневые элементы ферм, рам, стоек, колонн, свай и проч.
Бесплатно
Моделирование аэрогидроупругости несущих поверхностей в авиатике мягких летательных аппаратов
Статья научная
Описывается алгоритм метода крупных частиц для решения задачи о напряженно-деформированном состоянии купола парашюта. Купол рассматривается как мягкая оболочка (мембрана). Приводятся результаты тестовых расчетов. Отмечается реальная анизотропность ткани купола при полетной нагрузке.
Бесплатно
Статья научная
Аддитивные технологии позволяют изготавливать изделия за счет послойного синтеза и таким образом получать изделия сложной формы. Задача численного моделирования физического процесса изготовления деталей с помощью аддитивных технологий является комплексной и должна учитывать различные термомеханические процессы, что неразрывно связано с широким использованием конечно-элементного компьютерного моделирования средствами специализированных программных комплексов, реализующих математические модели процессов. В работе рассматривается разработанный и реализованный в пакете ANSYS алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния конструкции в процессе ее создания 3D-наплавкой проволочных материалов. Проводится верификация разработанного численного алгоритма решения трехмерной задачи производства металлических изделий с использованием дуговой наплавки проволочных материалов с результатами эксперимента. 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 (данная технология реализуется в пакете ANSYS). Непрерывное наращивание материала производится дискретно, на каждом шаге расчета, соответствующем «возрождению» очередной подобласти из «мертвых» элементов, решается краевая задача теплопроводности и термомеханики, причем результат решения предыдущего шага служит начальными условием для последующего. Для описания вязкоупругопластического поведения исследуемого сплава использована модель «Ананд». Идентификация модели «Ананд» для исследуемого материала проводилась по данным эксперимента на растяжение с заданной скоростью при различных температурах. Данные, полученные из расчетов по разработанной численной модели, хорошо согласуются с экспериментом.
Бесплатно
Моделирование взаимодействия виброплиты с поверхностью грунта
Статья научная
В работе представлена трёхмассная реологическая модель системы «грунт - основание виброплиты - рама виброплиты». Реологическая модель позволяет воспроизводить различные режимы взаимодействия основания виброплиты с грунтом: без отрыва от грунта и с различными видами отрыва от грунта. Верификация модели осуществлялась сравнением экспериментальных значений размаха вертикальных колебаний основания и рамы виброплиты Zitrek CNP 20 с рассчитанными значениями. В диапазоне изменения значений динамического модуля деформации грунта 13…30 МПа, расчетные значения размаха вертикальных колебаний основания и рамы виброплиты Zitrek CNP 20 в целом удовлетворительно коррелируют с экспериментальными данными. По реологической модели был проведен вычислительный эксперимент. В качестве независимых параметров вычислительного эксперимента были использованы: масса виброплиты (50; 150; 250; 350; 450; 550; 650; 750 кг), коэффициент упругого сопротивления грунта (30; 60; 90; 120 МН/м) и коэффициент вязкого сопротивления грунта (100; 200; 300 кН·с/м). Общее количество сочетаний параметров равнялось 96. На основании обработки результатов вычислительного эксперимента получены регрессионные зависимости для расчета максимального значения силы реакции грунта, времени нагружения грунта (увеличения значений силы реакции грунта) t1 и времени разгрузки грунта (уменьшения значений силы реакции грунта) t2 . Результаты моделирования показывают, что в пределах одного цикла воздействия время нагружения грунта t1 меньше времени разгрузки грунта t2 . На соотношение t1 / t2 оказывает влияние масса виброплиты, а также значения коэффициентов упругого и вязкого сопротивления грунта. Данная особенность ( t1 / t2 function show_abstract() { $('#abstract1').hide(); $('#abstract2').show(); $('#abstract_expand').hide(); }
Бесплатно
Моделирование взаимодействия фуллерита C60 с подложкой твердого тела
Статья научная
Широкое применение углерода в различных отраслях машино- и приборостроения обусловило большое количество исследований, связанных с его наноразмерными аллотропными формами - графеном, нанотрубками, фуллереном и фуллеритом. В данной статье исследовался процесс взаимодействия фуллерита C60 с подложкой твердого тела с целью установления условий, при которых сам фуллерит или образующие его фуллерены осаждаются на поверхности подложки. Практическим следствием проводимых изысканий может стать создание новых износостойких покрытий. Исследование процесса взаимодействия фуллерита C60 с подложкой твердого тела проводилось при различных параметрах системы. В исследовании варьировались: температура системы - 300, 700, 1150 K; скорость движения фуллерита - 0,005, 0,01, 0,02 Å/фс; ориентация фуллерита относительно подложки. Вектор скорости фуллерита C60 направлялся по нормали к верхней поверхности подложки. Ориентация фуллерита определяла, какой частью он будет взаимодействовать с подложкой - гранью, ребром или вершиной. В качестве подложки моделировался кристалл железа Fe(100). Для проведения компьютерного моделирования применялся программный комплекс LAMMPS, использующий методы молекулярной динамики. Результатами проведенных исследований являются выявленные закономерности поведения фуллерита C60 в целом и фуллеренов, входящих в его состав, в частности при контакте с подложкой. Так, например, установлено, что с увеличением скорости фуллерита C60 количество фуллеренов, осаждающихся на подложке, уменьшается. Кроме того, ориентация фуллерита C60 относительно подложки оказывает значительное влияние как на процесс их взаимодействия, так и на поведение осевших фуллеренов.
Бесплатно
Статья научная
Применение вибрационных воздействий для целенаправленного влияния на такие процессы, как формирование капли, формирование ванны расплава и кристаллизация наплавляемого валика, позволяет управлять тепломассопереносом в жидкости, процессом кристаллизации и формой валика в технологических процессах наплавки. Рассматривается влияние вибрационных воздействий на характер движения жидкости в капле, которое отражается в изменении значения коэффициента поверхностного натяжения. Предложена математическая модель течения жидкости с учетом силы поверхностного натяжения в формализме метода гидродинамики сглаженных частиц. Этот метод позволяет напрямую учитывать влияние вибрационных воздействий через введение дополнительных граничных условий. Верификация разработанной математической модели проведена в сравнении с натурными экспериментами, в которых определялась зависимость величины коэффициента поверхностного натяжения от амплитуды скорости вибрационных воздействий. Для определения коэффициента поверхностного натяжения реализовано два метода: метод висячей капли и сталагмометрический метод. Реализованная модель удовлетворительно описывает эффект снижения коэффициента поверхностного натяжения для воды. Проведена серия численных экспериментов по определению влияния вибрационных воздействий на значение коэффициента поверхностного натяжения для стали марки 12Х18Н10Т. Выявлено, что при вибрациях с амплитудой скорости, равной 2,0 м/с, наблюдается снижение значения коэффициента поверхностного натяжения на 30 %. Снижение коэффициента поверхностного натяжения должно облегчить реализацию непрерывного стекания металла с проволоки, что может положительно сказаться на формировании металла при проволочной наплавке. Таким образом предложенная математическая модель позволяет явно моделировать эффект влияния вибрационных воздействий на значение коэффициента поверхностного натяжения и позволит в дальнейшем исследовать влияние вибрационных воздействий при аддитивном производстве.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты теоретического исследования напряжений в двигательных единицах в зависимости от отклонения размеров.
Бесплатно
Моделирование влияния механических напряжений на кинетику роста кислородных преципитатов в кремнии
Статья научная
В данной работе развита модель, описывающая кинетику образования преципитатов кислорода в кремниевых пластинах с учетом внутренних механических напряжений, возникающих в системе преципитат - кремниевая матрица. Рассмотрен случай преципитата сферической формы и записаны механические напряжения, вызываемые в кремниевой матрице разностью удельных объемов Si и SiO2. В рамках модели преципитации введены конкретные механизмы влияния механических напряжений на энергии активации процессов диффузии и захвата кислорода. Приведен анализ изменения количественного критерия, определяющего, какой из процессов (диффузия кислорода или его захват) лимитирует скорость преципитации. Выполнены оценки относительного изменения критического размера преципитата под действием механических напряжений, возникающих на его границе, при температуре Т = 700 °С
Бесплатно
