Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1033
Статья научная
Чистый титан существенно превосходит используемые в медицине сплавы по биосовместимости, но имеет низкие прочностные свойства, что препятствует его широкому применению для изготовления имплантатов. Обеспечение необходимого уровня прочностных характеристик требует применения методов интенсивного пластического деформирования (ИПД), поскольку традиционные методы обработки металлов не позволяют получить нужный комплекс свойств. Выполнено проектирование геометрической модели имплантата типа спейсера для позвоночника и поковки для ее изготовления. Форма поковки позволяет применить в процессе штамповки технологические схемы ИПД, что устраняет необходимость предварительной подготовки материала заготовки перед штамповкой. В результате анализа геометрии детали «U-имплантат» предложена последовательность технологических переходов штамповки с применением схем деформирования, соответствующих схемам ИПД в условиях плоского деформированного состояния: осадка заготовки плоским пуансоном, три операции штамповки поковки имплантата, что устраняет предварительную подготовку микроструктуры заготовки перед штамповкой. Анализ вариантов реализации переходов технологического процесса пластического деформирования с использованием моделирования в CAE-системе позволил определить последовательность этапов деформирования и геометрию инструмента, обеспечивающего требуемое течение металла. Накопленные степени деформации в процессе штамповки заготовки составляют 3,3-7, что обеспечивает необходимое изменение структуры поковки и прочностные характеристики (при температуре штамповки 400 °С). Максимальное значение удельного усилия при расчетах переходов штамповки не превышало 160 МПа за счет выбора технологических переходов с заполнением полости штампа осадкой, что обеспечивает стойкость инструмента.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается методика получения цифрового паспорта материала и разработки цифрового двойника изделия на различных этапах его изготовления. Объектом исследования является коническая сетчатая структура. Предмет исследования - процессы, происходящие в изделии на этапах изготовления. В работе были рассмотрены следующие основные этапы создания сетчатой конструкции: 3D-печать заготовки оснастки изделия, выкладка углеродного однонаправленного материала, нагрев и пропитка преформы связующим, полимеризация связующего и коробление геометрии изделия. Описан алгоритм определения свойств материалов и их калибровки с использованием современных программно-аппаратных средств и универсальных оснасток. Моделирование процесса 3D-печати оснастки производилось в программном комплексе Ansys. Поэтапное технологическое моделирование процесса трансферного формования производилось в программном комплексе ESI PAM-COMPOSITE. Результатом моделирования являются технологические параметры изготовления и геометрия формообразующей оснастки с упреждением на коробление.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача о нормальном ударе и проникании жестких пространственных тел в полупространство, занимаемое упругопластической средой. Для среды проникания принимается модель линейно сжимаемой упругопластической среды при линейной зависимости предела текучести от давления (условие пластичности Мизеса-Шлейхера-Боткина). Решение задачи осуществляется численно в трехмерной постановке с применением пакета программ LS-Dyna. Упругопластическая среда проникания рассматривается на неподвижной эйлеровой сетке с выделением пустых ячеек, в которые материал перетекает в процессе деформирования. Ударники моделируются жестким недеформируемым телом в лагранжевой системе координат. Для сравнения, параметры процесса проникания - силы сопротивления внедрению и глубины проникания ударников получены также в рамках модели локального взаимодействия на основе аналитического решения задачи о расширении сферической полости. Ранее на основе данных обращенных экспериментов и численных расчетов в осесимметричной постановке показана применимость модели локального взаимодействия к определению силовых и кинематических характеристик острых конических тел. Проверка применимости модели для описания движения пространственных тел в полной трехмерной постановке ранее не проводилась. Исследуемые тела - круговой конус, трех- и четырехгранные пирамиды, тело с звездообразным поперечным сечением - обладают одинаковой площадью основания, нормаль к боковой поверхности тел составляет с направлением движения постоянный угол 60 градусов. Особенностью построения формы рассматриваемых пространственных тел является тот факт, что в рамках модели локального взаимодействия эти тела должны обладать одинаковым сопротивлением внедрению, совпадающим с сопротивлением внедрению кругового конуса. Все эти тела имеют высоту меньше высоты конуса. Приводятся результаты трехмерных численных расчетов проникания тел по нормали в упругопластическую среду с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, демонстрирующие увеличение сопротивления внедрению, пропорциональное уменьшению высоты тела. Для рассмотренных тел одинаковой высоты изменения в форме поперечного сечения не приводят к существенным отличиям в силе сопротивления и глубине проникания.
Бесплатно
Моделирование процессов на внутренних поверхностях наполненного эластомера
Статья научная
Термодинамические законы смеси используются для получения граничных условий на внутренних поверхностях (интерфейсах) композитного материала в виде частиц. Изучено составное тело, состоящее из нескольких наполнителей в виде частиц и эластомерного связующего. В предлагаемой модели учитывается диффузия жидких и газовых компонентов, растворенных в препятствии, существование вакуолов вблизи включений и микроразрушений в затруднении.
Бесплатно
Моделирование процессов ползучести монокристаллических сплавов с учетом рафтинга
Статья научная
Исследования посвящены разработке и верификации двухуровневой микромеханически мотивированной модели вязкоупругого деформирования двухфазных монокристаллических сплавов на никелевой основе, предсказывающей их поведение при высокотемпературных механических воздействиях с учетом наличия и эволюции микроструктуры. Применение модели актуально при выполнении уточненных расчетов напряженно-деформированного состояния охлаждаемых монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей и установок. Формулировка определяющих уравнений для каждой из фаз учитывает анизотропию упругих и вязких свойств, наличие октаэдрических систем скольжения, особенности кубической сингонии, наличие вязких свойств как ниже, так и выше предела текучести. Идентификация параметров моделей для γ- и γ'-фаз производилась на основе известных кривых ползучести для каждой фазы. Эффективные свойства монокристаллического сплава с учетом наличия γ- и γ'-фаз определялись как на основе конечно-элементной гомогенизации для представительного объема, так и с использованием простейших реологических (структурных) моделей материала, рассматривающих последовательное и параллельное соединение фаз. На основе многовариантных вычислительных экспериментов и аналитических оценок определены зависимости вязкоупругих свойств монокристаллических сплавов на никелевой основе от объемной доли γ'-фазы. Предложены феноменологические модели ползучести, учитывающие изменение объемной доли и морфологию γ'-включений. Результаты моделирования с использованием предложенной двухуровневой микроструктурной модели материала демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными для монокристаллического жаропрочного сплава ЖС32.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается математическое моделирование процессов упругопластического деформирования материала сталь 45 в векторном пространстве А.А. Ильюшина по многозвенным неаналитическим траекториям вида плоских многозвенных ломаных траекторий, состоящем из четырех прямолинейных кусочно-ломаных участков при его одновременном растяжении либо сжатии с кручением. При моделировании использовалась математическая модель теории процессов для плоских траекторий с уточненными аппроксимациями функционалов процесса, содержащая все необходимые параметры сложного нагружения для плоских траекторий. Основные уравнения математической модели приведены к задаче Коши, для численного решения которых и получения расчетных результатов использовался метод Рунге-Кутты четвертого порядка точности. Приведена методика определения материальных параметров аппроксимаций в выражениях функционалов на основе обработки экспериментальных данных по базовым траекториям типа «смещенного веера» двузвенных траекторий. Экспериментальные исследования проведены на автоматизированном испытательном комплексе СН-ЭВМ в лаборатории механических испытаний Тверского государственного технического университета. В качестве образцов для экспериментальных исследований были использованы тонкостенные цилиндрические оболочки из стали 45 в состоянии поставки. Численные теоретические расчеты сравниваются с экспериментальными данными для оценки достоверности математической модели теории процессов при сложном нагружении для данного класса траекторий деформирования. Предлагаемая математическая модель теории процессов дала результаты, хорошо соответствующие данным эксперимента, как по скалярным, так и векторным свойствам материала. Это подтверждает достаточную для практических задач достоверность расчетных данных и точность построенных аппроксимаций функционалов процессов используемой математической модели теории процессов.
Бесплатно
Моделирование процессов упругопластического деформирования монокристаллических сплавов
Статья научная
Разработана и верифицирована микромеханически мотивированная модель упругопластического деформирования двухфазных монокристаллических сплавов на никелевой основе, предсказывающая их поведение при высокотемпературных механических воздействиях с учетом наличия γ- и γ'-фаз. Использование модели актуально при выполнении уточненных расчетов напряженно-деформированного состояния охлаждаемых монокристаллических лопаток газотурбинных установок. Формулировка определяющих уравнений для каждой из фаз учитывала анизотропию упругих и пластических свойств, наличие октаэдрических систем скольжения, особенности кубической сингонии, различные механизмы упрочнения, включающие кинематическое, изотропное и латентное. Идентификация упругих и пластических констант материала для γ- и γ'-фаз производилась на основе известных диаграмм деформирования для каждой фазы. Определение эффективных свойств и диаграмм деформирования монокристаллического сплава с учетом наличия γ- и γ'-фаз производилось как на основе конечно-элементной гомогенизации для элементарного представительного объема, так и с использованием простейших реологических (структурных) моделей материала, рассматривающих последовательное и параллельное соединение фаз. Путем многовариантных вычислительных экспериментов и аналитических оценок определены зависимости упругопластических свойств двухфазных монокристаллических сплавов на никелевой основе от объемной доли γ'-фазы. В целях определения оптимальной стратегии решения рассматриваемого класса задач проведены многовариантные вычислительные эксперименты для различных видов граничных условий задачи гомогенизации, числа ячеек периодичности, форм включения γ'-фазы, объемных долей γ'-фазы, видов упрочнения, вариантов реологических моделей и даны соответствующие рекомендации. Результаты моделирования с использованием предложенной двухуровневой микроструктурной модели материала демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными для монокристаллического жаропрочного сплава CMSX-4.
Бесплатно
Моделирование процессов формирования атомарной структуры сверхпроводящего спинового вентиля
Статья научная
В работе рассматривается моделирование процессов формирования многослойного нанокомпозита, при комбинации элементов которого возникает эффект спинового вентиля. Описана актуальность и важность эффектов в области спинтроники и связанных с ними материалов и устройств. Объектом исследований являются состав и атомарная структура отдельных слоев многослойного нанокомпозита, а также состав и морфология интерфейса слоев нанокомпозита. В качестве образца анализировался образец с периодической структурой сверхпроводник - ферромагнетик, состоящей более чем из 20 чередующихся слоев ниобия и кобальта. Процесс осаждения происходил в условиях глубокого вакуума. Моделирование осуществлялось методом молекулярной динамики с использованием потенциала модифицированного метода погруженного атома. Формирование слоев производилось в стационарном режиме. Температура корректировалась при помощи термостата Нозе - Гувера. Осаждение каждой нанопленки завершалось этапом релаксации для необходимой стабилизации и перестройки структуры формируемого нанокомпозита. Рассматривалось три температурных режима осаждения: 300, 500 и 800 К. Для данных режимов выполнен анализ атомарной структуры нанопленок и переходных областей (интерфейса), образующихся между слоями. Исследование атомарной структуры нанопленок показало, что ниобий формируется кристаллическими областями различной ориентации. Для нанопленок кобальта характерно строение, близкое к аморфному. Структурные особенности интерфейса слоев сверхпроводник - ферромагнетик в значительной степени зависят от рельефа поверхности, на которую осуществляется осаждение. Наименьшую вариацию по атомарному составу имеет первая зона контакта ниобий - кобальт, так как формирование первой нанопленки происходит на ровной плоскости подложки. Анализ влияния температурного режима при формировании наносистемы свидетельствует о зависимости процессов формирования многослойных нанопленок, интерфейса нанослоев, а также состава и морфологии гетероструктур от температуры, при которой происходит изготовление нанокомпозита. Повышенная температура приводит к формированию более разреженной структуры нанослоев и увеличению зон интерфейса нанослоев за счет диффузии атомов напыляемых материалов.
Бесплатно
Моделирование резинокордных слоев при квазистатическом нагружении
Статья научная
Моделирование пневматической шины при сильном изменении формы вызывает проблему выбора адекватной модели резинокордных слоев. Классическая методика осреднения, вообще говоря, не подходит в силу физической и геометрической нелинейности при рассматриваемом деформировании до 15 %. В работе кратко приводятся известные варианты моделирования всей шины и резинокордных слоев. Делается выбор в пользу описания резинокордных слоев с помощью потенциала напряжений, являющегося анизотропной функцией инвариантов тензора деформаций. Из такого определяющего соотношения следует квазилинейное соотношение в терминах дифференциалов напряжений и деформаций. Также поясняется удобство этих двух типов определяющих соотношений для численной реализации. Описана модификация определения эффективных свойств неоднородного слоя. Поясняется отличие от стандартного определения эффективных модулей. Считается, что расположение кордных нитей приближенно можно считать периодическим, а все нити заменить эффективным волокном. При этих предположениях описаны две модели резинокордного слоя: модель ортотропного материала и модель трансверсально-изотропного материала. Указано на схемы вычислений, которые можно считать вычислительными экспериментами, позволяющими определять материальные параметры анизотропных потенциалов. Описаны проведенные реальные эксперименты с пластиной из брекерной резины при медленном квазистатическом растяжении. Обнаружен существенный гистерезис. Показано, что аддитивная модель, сочетающая гиперупругий материал с линейной моделью Максвелла, описывает зависимость от скорости деформирования. Описана использованная схема численного решения квазистатической задачи деформирования шины, которая реализована в виде собственной программы. Описаны верификационные тесты. Приведен пример деформирования шины, так называемый тест на разрыв, в котором осуществляется сильное деформирование и применяется разработанная модель.
Бесплатно
Моделирование роста краевой усталостной трещины при высокочастотном нагружении
Статья научная
Как неоднократно показали исследования поверхностей излома реальных изделий авиационной промышленности, низкоамплитудные высокочастотные колебания могут приводить к «непрогнозируемому» выходу из строя элементов авиационных и иных конструкций. Причиной является высокочастотное нагружение, приводящее к наработке большого количества циклов, зачастую превышающего изученную область усталостного поведения материала. Этот новый режим усталостного разрушения (сверхмногоцикловая усталость) требует специального изучения экспериментальными методами и методами математического моделирования. В данной статье рассматривается задача о численном определении коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в образцах с краевой трещиной, нагруженных высокочастотными гармоническими смещениями малой амплитуды. Расчеты проведены для случая, когда частота нагружения близка к собственной частоте образца. Строится поправочная функция для КИН с учетом изменения модальных характеристик резонансной системы (образца с прямолинейной трещиной) при продвижении фронта. Полученное выражение используется для моделирования роста краевой усталостной трещины с криволинейным фронтом. Описана принципиальная схема пьезоэлектрической усталостной установки и методика проведения испытаний на растяжение-сжатие титановых образцов, на рост краевой трещины в области сверхмногоцикловой усталости. Проводится анализ поверхностей излома с выявлением линий остановок фронта и математическое моделирование эволюции фронта трещины при высокочастотном нагружении. Результаты математического моделирования сравниваются с экспериментальными данными, полученными в ходе высокочастотных усталостных испытаний на пьезоэлектрической установке. Численными расчетами показано, что данный подход позволяет качественно и количественно моделировать эволюцию усталостной трещины с криволинейным фронтом при сверхмногоцикловом (высокочастотном) режиме нагружения.
Бесплатно
Моделирование свойств материала на стадии разупрочнения
Статья научная
Приводятся результаты численного моделирования полных диаграмм деформирования разупрочняющегося материала с построением зависимостей модуля упругости и коэффициента поперечной деформации от степени продольной деформации при одноосном растяжении.
Бесплатно
Моделирование систем противоударной изоляции с ограничением рабочих характеристик
Статья научная
Исследуется проблема динамического контакта ударника в виде твердого тела и мишени в виде тонкостенной конструкции тел с учетом располагающегося между ними в зоне контакта противоударного изолятора, состоящего из упругого и вязкого элемента, соединенных параллельно и последовательно в разных вариантах изолятора. Определяются динамические характеристики контактного взаимодействия, оценивается вклад в значения конечных характеристик упругих и вязких параметров изолятора. Рассматривается задача оптимизации начальных параметров противоударного элемента для случая ограничения конечных характеристик удара, задача выявления управляющих параметров изолятора и способов их изменения после начала ударного воздействия на защищаемую конструкцию.
Бесплатно
Статья научная
В промышленности наблюдается интерес к возможности моделирования скоростного воздействия на композитные конструкции. Причем некоторые процессы, такие как аварии, взрывы, и возможные вопросы пробивания требуют анализа композитных материалов при существенно больших скоростях деформаций. В работе рассматривается возможность построения модели деформирования композитного материала на основе полимерного связующего и углеродного волокна, учитывающей скоростное упрочнение. Особенностью исследования является построение модели, которая учитывает широкий диапазон скоростей деформации от статики до нескольких тысяч обратных секунд. В связи с чем были проведены испытания со специальной оснасткой и образцами, которые позволяют получить данные со столь высокими скоростями нагружения. За основу построения модели взят подход, рассматривающий использование параметров поврежденности, так называемый класс моделей с прогрессирующим разрушением. Основным отличием выбранной модели является формализации скорости воздействия на материал через параметр поврежденности, то есть рассматривается скорость изменения значений поврежденности. Такой подход позволяет составлять определяющие соотношения, основанные только на основе параметров поврежденности, которые видоизменяют жесткостные и прочностные характеристики композитов, что существенно упрощает моделирование и анализ деформирования материала.
Бесплатно
Моделирование состояния сляба при совмещении непрерывного литья с обжатием
Статья научная
В статье предлагается математическая модель восстановления непрерывно литейной плиты, содержащей жидкую фазу внутри зоны деформации. Задача рассматривается в трехмерной постановке. Обсуждается алгоритм определения эффективной вязкости жидкой фазы в условиях ее турбулентного течения. Математическая модель реализуется как пакет приложений для IBM-совместимого персонального компьютера.
Бесплатно
Статья научная
В современной технике широко используются многослойные пленки из полупроводниковых и пьезоэлектрических материалов. В частности, эти пленки применяются в различных микро- и наноэлектромеханических системах (MEMS и NEMS). Особым типом таких пленок являются спиральные структуры. Они используются как элементы датчиков и исполнительных механизмов. Особый интерес представляет анализ многослойного пьезоэлектрического слоя. С другой стороны, интерес к спиральным структурам связан с возможностью определения упругих свойств таких нанопленок с использованием методики экспериментального измерения собственных частот. Мы представляем анализ FEM двухслойной спиральной структуры GaAs, InGaAs и PZT-5H. Проводится модальный анализ. Моделирование выполняется с использованием пакета FEM Simulia ABAQUS
Бесплатно
Статья научная
Предложена модель планарных колебаний неоднородных предварительно напряженных пластин, как сплошных, так и имеющих набор отверстий и включений из других материалов. Свойства пластин и компоненты тензора предварительных напряжений (ПН) в рассмотренной плоской постановке считались функциями двух координат. Для формулировки краевых задач об установившихся планарных колебаниях пластин использована общая линеаризованная постановка задачи о колебаниях тела в условиях предварительного напряженно-деформированного состояния. Разработанная модель колебаний дает возможность задания произвольного типа предварительного состояния в пластине: как в виде аналитических зависимостей, так и численно - с помощью решения соответствующей задачи статики, в которой предварительные напряжения возникают в результате приложения некоторой начальной нагрузки. Для реализации конечно-элементного (КЭ) подхода к решению задач сформулирована слабая постановка задачи на основе проектирования исходных уравнений на поле возможных перемещений, удовлетворяющее главным граничным условиям. Для увеличения точности расчетов для пластин с отверстиями и включениями в этих областях использовалось локальное сгущение КЭ-сеток. Разработанный подход для расчета колебаний пластин реализован в виде программного комплекса в КЭ-пакете FreeFem++. Предложена методика оценки влияния ПН на динамические характеристики при различных видах нагрузок, с использованием которой был проведен комплексный анализ по выявлению наиболее чувствительных к изменению ПН-режимов зондирования, частотных диапазонов и областей считывания отклика для каждой из пластин. Полученные в процессе анализа результаты были систематизированы и обобщены, и был дан ряд практических рекомендаций по выбору режимов зондирования для каждого вида пластин, с помощью которых могут быть построены наиболее эффективные схемы идентификации трех компонент ПН.
Бесплатно
Моделирование сферолитной структуры в полиэтилене и ее деформирования при нагрузке
Статья научная
Основная цель работы состоит в математическом описании геометрии и механических свойств сферолитных образований в структуре полиэтилена. Сферолиты - это кристаллитные надмолекулярные образования в виде радиально ориентированных ламелей с аморфной фазой между ними. Известно, что механические свойства таких полимеров на макроуровне существенно зависят от их структуры. Поэтому проблема моделирования геометрии сферолита и исследование его механических свойств является важной и актуальной задачей. Построена механическая модель сферолита, учитывающая его геометрию и механические свойства. Исследованы на ее основе зависимости механических свойств данного образования от его деформации. Полученные зависимости использованы при построении феноменологической модели полиэтилена как упруго-пластической конечно деформируемой среды.
Бесплатно
Статья научная
Предложена приближенная методика оценки влияния дефектов на статическую прочность композитных фланцев для высоконагруженных корпусных деталей и узлов авиационной техники из полимерных композиционных материалов (ПКМ), основанная на современных методах численного моделирования. В процессе формования фланцев в зонах перегиба возможно появление различных дефектов: искривление слоев, смоляные карманы, поры, расслоения и т.п. Таким образом, задача оценки влияния технологических дефектов на прочность данного изделия является актуальной. Определены основные типы дефектов в слоистых композитах, а также проведен обзор основных работ, посвященных исследованию вопросов прочности слоистых конструкций из ПКМ с дефектами. С использованием двумерной осесимметричной модели в среде конечно-элементного анализа ANSYS проведено численное моделирование механического поведения стеклопластикового фланца с основными типами дефектов при силовом нагружении. Задача решалась в упругой постановке с учетом анизотропии механических свойств материала. В разработанной модели предполагается параметризация размеров и конфигурации дефектов, а также возможная вариация места расположения дефектов по выбранной подобласти композиционного материала. Для сохранения исходного контура конструкции общая толщина пакета слоев в локальной зоне дефекта уменьшалась на величину дефекта. Таким образом, оценка прочности конструкции с дефектом осуществлялась с запасом. Оценка запаса статической прочности рассматриваемого фланца проводилась по компонентам напряжений с использованием критерия максимальных напряжений. Модель позволяет анализировать как нормальные напряжения в плоскости слоя, так и межслоевые отрывные и сдвиговые напряжения. Сравнение полученных значений с результатами для неповрежденной конструкции фланца позволяет сделать вывод о степени влияния рассматриваемого дефекта или их сочетаний на статическую прочность изделия.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена компьютерным моделям нелинейных процессов динамической деформации и разрушения в однородных и ламинированных барьерах, подвергающихся действию деформируемых ударников. Моделирование упруго-вязко-пластической деформации контактирующих тел, включая индивидуальную деформацию и разрушение каждого слоя трехмерного барьера, основано на согласованных по энергии, дискретно-структурных принципах построения компьютерных моделей деформируемых сред и специальных процедуры, корректирующие поля напряжений в поврежденных дискретных элементах. Консервативность разработанных вычислительных схем является фундаментальным свойством, позволяющим получать физически надежные численные результаты даже при использовании достаточно грубых сеток дискретных элементов. Приводятся результаты численного моделирования динамических контактных взаимодействий пулевых и однородных и многослойных барьеров.
Бесплатно
