Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1033
Описание течения жидкости с учетом дефектов структуры
Статья научная
Разработан подход к описанию течения жидкости, учитывающий наличие в ее структуре дефектов. На основе статистической модели среды c дефектами (микросдвигами) получена система уравнений, описывающая течение жидкости с учетом кинетики накопления микродефектов. Проведены численные исследования, показывающие, что модель описывает режимы течения жидкости, наблюдаемые при экспериментальных исследованиях турбулентных пятен.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача описания упрочнения систем скольжения дислокаций за счет границ кристаллитов в поликристаллическом агрегате. Излагается один из физически возможных механизмов взаимодействия дислокации с границей кристаллита: прохождение краевой решеточной дислокации через общую границу соседних кристаллитов в наиболее благоприятно ориентированную систему соседнего кристаллита. Результатом такого акта в силу различной ориентации кристаллитов является появление в границе дислокации ориентационного несоответствия (ДОН). Поле упругих напряжений ДОН препятствует дальнейшему скольжению решеточных дислокаций. Предлагается соотношение для критических напряжений по системам сдвига решеточных дислокаций, обусловленных влиянием на них границы, которое может быть использовано в физических многоуровневых моделях неупругого деформирования.
Бесплатно
Описание эффекта падения прочности сплава АМГ6 с ростом температуры при динамическом нагружении
Статья научная
Работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению механизмов локализации пластической деформации при динамическом нагружении. В рамках исследования на основе широкодиапазонных определяющих соотношений построена математическая модель, учитывающая структурную релаксацию и термическое разупрочнение. Предложенная модель способна адекватно описывать деформационное поведение пластичных материалов (металлы и сплавы) в диапазоне скоростей деформаций 102-104 с-1 и диапазоне температур от 0 до 0,7 температуры плавления. В качестве исследуемого материала был выбран алюминиевый сплав АМг6 - перспективный материал машиностроения. Однако все полученные результаты могут быть распространены на широкий класс материалов: металлы и сплавы. Идентификация параметров модели проводилась с использованием экспериментальных данных (диаграмм деформирования) при различных скоростях деформации и температурах. Для апробации построенной модели была проведена серия оригинальных экспериментов по пробиванию дискообразных преград цилиндрическим ударником. В процессе эксперимента измерялась скорость соударения и температура на тыльной поверхности преграды в момент интенсивной локализации пластической деформации и разрушения. Скорость деформации в эксперименте, которая определена с помощью численного анализа, варьировалась от 500 до 30000 с-1. В результате численных исследований было показано, что для сплава АМг6 при скоростях деформации менее 104 с-1 решающую роль в процессе локализации пластической деформации играют дефекты, а при скоростях деформации выше 104 с-1 существенную роль начинает играть термическое разупрочнение. Полученный теоретический результат также подтверждается проведенными оригинальными экспериментами по пробиванию преград.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты сложных одноосных механических испытаний с образцами полимерных нанокомпозитов, связующим которых является полиуретан на основе форполимера СКУ-ППЛ-2102. Данный эластомер является структурно-неоднородным материалом: в нем имеются твердые доменные структуры, благодаря которым материал можно рассматривать как нанокомпозит со сложным механическим поведением. Испытания были проведены с образцами полиуретана без наполнителя и полиуретана, наполненного малослойным графеном в количестве 0,5 массовых частей (м.ч. на 100 м.ч. матрицы). Были осуществлены эксперименты с возрастающими циклами деформирования и продолжительными временными остановками перед сменой направления движения захватов. Такие испытания позволяют отслеживать степень размягчения материала в ходе нагружения и рост диссипативных потерь при разных кратностях удлинений. Согласно полученным данным было установлено, что даже при низком содержании наполнителя механические свойства материала существенно изменяются. Также отметим, что при повторных деформированиях образцов материалов вязкоупругие свойства проявляются несущественно (т.е. «тренированные» материалы с определенной степенью точности можно считать упругими). Для описания упругих свойств материала с учетом эффекта размягчения Маллинза использовался потенциал, в основу которого положено представление об эффективном поведении нагруженных полимерных цепей. Для описания вязкоупругого поведения рассмотренного нанокомпозита была использована ранее описанная термодинамическая модель. Эффект размягчения Маллинза учитывался как в упругом, так и в диссипативном слагаемых тензора напряжений Коши. И, согласно полученным данным, учет данного эффекта в модели оказывает большее влияние на диссипативное слагаемое тензора напряжений.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлена новая методика определения диаграмм деформационного упрочнения по результатам вдавливания и царапания индентором Берковича. Методика заключается в сопоставлении результатов моделирования и экспериментов по двум контролируемым параметрам - глубине проникновения индентора на стадии внедрения и на установившейся стадии царапания. С использованием данной методики были выполнены исследования на наномеханическом испытательном комплексе TI 900 и определены диаграммы деформационного упрочнения поверхностных слоев для ряда металлических материалов.
Бесплатно
Статья научная
На основе полученной математической модели электроупругого тела предложен алгоритм выбора передаточной функции в цепи отрицательной обратной связи для обеспечения условий стабильности формы системы. Разработана процедура построения вектора корректирующих воздействий в случае неполного управления (управление системой корректирующими воздействиями, количество которых меньшего общего числа степеней свободы системы). Для иллюстрации предложенного подхода рассмотрена параболическая оболочка со встроенными актуаторами на базе пьезоэлементов. Функцию управляющего воздействия на форму поверхности деформированной оболочки выполняет электрический потенциал, прикладываемый к электродам пьезоэлементов.
Бесплатно
Статья научная
Получены аналитические решения для определения ориентации критической плоскости развития усталостных повреждений при циклическом нагружении для многоосного напряженного состояния. Рассмотрены случаи синфазного и противофазного циклического нагружения для классического диапазона усталости (малоцикловая и многоцикловая усталость). Предложены обобщения критерия усталостного разрушения Финдли с учетом ориентации критической плоскости для режима сверхмногоцикловой усталости при синфазной и противофазной циклической многоосной нагрузке. Эти обобщения основаны на подобии левой и правой ветвей бимодальной усталостной кривой. Описана процедура определения параметров обобщенного критерия по данным двух одноосных усталостных испытаний на растяжение-сжатие при различных коэффициентах асимметрии цикла. Напряженное состояние компрессорного диска газотурбинного двигателя рассчитано методом конечных элементов для малоцикловой усталости (полетные циклы нагружения) и для сверхмногоцикловой усталости (вибрации лопаток). Для малоцикловой усталости учитывается влияние аэродинамических, центробежных и контактных нагрузок для контактной системы диска и лопаток. Для сверхмногоцикловой усталости рассчитаны дополнительные напряжения, вызванные высокочастотными крутильными колебаниями лопаток. В обоих случаях определена зона концентрации напряжений в окрестности контакта диска и лопаток, в которой происходит зарождение усталостной поврежденности. Полученные распределения напряжений и предложенные обобщения критериев усталостного разрушения использовались для получения оценок долговечности диска для малоцикловой и сверхмногоцикловой усталости. Численный анализ показал, что расчетные долговечности в реальном времени с учетом характерного периода цикла для рассмотренных режимов усталости могут быть достаточно близкими. Поэтому в прогнозах безопасного срока эксплуатации необходимо учитывать оба механизма усталости.
Бесплатно
Определение места удара в железобетонной конструкции по результатам анализа отклика вибродатчиков
Статья научная
Представлены результаты эксперимента по исследованию вибрационного отклика крупномасштабной железобетонной модельной конструкции на импульсную ударную нагрузку. Нагрузка была приложена ко всем основным элементам конструкции (колоннам, ригелям и плитам перекрытий) и представляла собой однотипные удары по нормали к поверхностям элементов. Вибрационный отклик регистрировался системой датчиков-акселерометров, распределенной по элементам конструкции и синхронизированной с акселерометром, установленным на ударнике. Результаты измерений виброграмм ускорений сохранены в виде числовых массивов. Массив виброграмм, зарегистрированных всем комплексом датчиками в ответ на диагностические удары по основным конструктивным элементам, составил вибрационный портрет конструкции. В результате обработки этой информации получен массив данных о времени распространения вибрационного сигнала от каждого источника сигнала до каждого из датчиков системы регистрации (базовый массив откликов). Полученные данные использованы для решения задачи о локации произвольного удара по конструкции. Для этого вибрационный отклик, зарегистрированный системой датчиков при произвольном ударе, сопоставлялся с базовым массивом откликов. Сопоставление производилось на основе вычисления коэффициентов парной корреляции. Полученное пространственное распределение коэффициентов корреляции позволило идентифицировать позицию приложения ударной нагрузки, связав ее с элементом конструкции, которому соответствует максимальное значение коэффициента корреляции. Предложенный алгоритм продемонстрирован на примере, где в качестве неизвестной нагрузки выступил один из диагностических ударов, использованных при получении базового вибропортрета. В численном эксперименте, выполненном с использованием предложенного алгоритма, установлено, что точность определения места удара сопоставима с характерным шагом элементов модельной конструкции и продемонстрировано, как точность соотносится с количеством датчиков системы регистрации и их распределением по конструкции. Разработанный алгоритм идентификации места приложения ударной нагрузки может эффективно использоваться при разработке автоматизированных систем деформационного мониторинга.
Бесплатно
Статья научная
Волоконный оптический гироскоп представляет собой сложную оптико-электронную систему, которая состоит из чувствительного элемента и блока электроники. Чувствительный элемент состоит из бескаркасного волоконного контура и интегрально-оптического фазового модулятора. В настоящей статье объектом исследования является конструкция бескаркасного волоконного контура. В процессе эксплуатации гироскоп подвержен воздействию внешних факторов, влияние которых необходимо минимизировать. Обозначено, что резонанс в конструкции является одной из причин возникновения погрешностей показаний гироскопа при эксплуатации. При разработке волоконно-оптических гироскопов предлагается прогнозировать поведение волоконного контура в рабочем диапазоне частот. Обозначена проблема больших затрат вычислительных ресурсов в связи со сложным внутренним строением волоконного контура. Предложен переход от многокомпонентной структуры волоконного контура к трансверсально-изотропному однородному материалу. Рассмотрена модель элементарного объема как ячейки периодической структуры волоконного контура. Поставлены четыре краевые статические задачи теории упругости о нахождении напряженно-деформированного состояния элементарного объема. Для решения задач использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе Creo Simulate 2.0. Определены пять независимых упругих констант транстропного материала в диапазоне температур эксплуатации волоконно-оптического гироскопа. Проведен натурный эксперимент по нахождению собственных частот колебаний волоконного контура на «свободном» подвесе. Методом конечных элементов найдены собственные частоты и формы колебаний волоконного контура с трансверсально-изотропной моделью материала. Для задания свойств материала использовалась цилиндрическая система координат. Сравнение результатов модального анализа и экспериментальных данных свидетельствует о возможности применения найденных упругих констант для решении задач динамики деформируемого твердого тела.
Бесплатно
Определение напряженного состояния и усилия деформации шарообразных заготовок в закрытой матрице
Статья научная
На современном этапе развития науки и техники актуальной является проблема повышения качества металлоизделий путем интеграции методов интенсивного пластического деформирования в действующие технологические процессы. Интенсивное пластическое деформирование позволяет получать высококачественные наноструктурированные металлические материалы с привлекательным комплексом свойств за счет насыщения металла дефектами наноуровня. Заготовки с шарообразным утолщением с двумя отростками по краям являются распространенной формой металлопродукции. Для изготовления таких металлоизделий использован эффект взаимного влияния всестороннего сжатия и равноканального углового прессования в устройстве для реализации равноканального углового прессования в закрытой матрице. Разработан теоретический подход к определению напряженного состояния и усилия деформации шарообразных заготовок в закрытой матрице. Для этого использовали комплексный подход определения напряженного состояния и усилия деформирования методом линий скольжения и компьютерного моделирования в программном комплексе Deform-3D. Анализ результатов напряженного состояния заготовок, полученных методом линий скольжения, показал, что формируется равномерное напряженное состояние с преобладанием максимальных сжимающих напряжений. Сочетание последних с угловым выдавливанием металла в боковые каналы матрицы прогнозирует получение заготовок с субультрамелкозернистой и/или наноструктурой. Методом совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности, а также компьютерного моделирования определено деформирующее усилие заготовок на конечной стадии деформирования при вытекании металла в боковые каналы матрицы. Анализ полученных результатов показывает, что значение усилия деформирования, полученное двумя методами, является сопоставимым с отличием до 2 %, что подтверждает правильность полученных данных.
Бесплатно
Определение области осаждения аэрозоля с помощью фракционной модели
Статья научная
В настоящей работе предлагается дробная модель для исследования образовавшихся токсичных осадков из газообразной или диспергируемой примеси и атмосферного аэрозоля. Модель иллюстрируется решением модельной задачи об одномерном распространении примесных аэрозолей, которая вступает в взаимодействие с атмосферным аэрозолем с образованием, в конце, токсичного осаждения.
Бесплатно
Статья научная
В процессе производства изделий из композитных материалов может возникнуть множество дефектов: трещины, сколы, царапины, вмятины, дефекты ударного характера, воздушные макровключения и другие. Такие дефекты могут существенно снизить как статическое, так и усталостное сопротивление конструкций. Целью данной работы является определение размеров дефектов, не влияющих на прочностные характеристики изделий из композитного материала СТЭФ, с использованием точечного и линейного подходов теории критических расстояний. В ходе работы были проведены серии испытаний на растяжение плоских образцов из конструкционного стеклотекстолита электротехнического назначения СТЭФ. Помимо проведенного эксперимента было осуществлено также численное моделирование процессов растяжения данных образцов. Исследуемые образцы представляли собой полоски без концентраторов напряжений и с концентратором в виде V-образных вырезов с различным радиусом скругления в вершине концентратора и глубиной выреза. Полученные результаты использовались для определения констант материала по теории критических расстояний. При этом были использованы два подхода теории критических расстояний: линейный и точечный. Для анализа результатов экспериментов были построены конечно-элементные модели с использованием программного пакета ANSYS и проведено численное моделирование, результатом которого стали полученные линеаризированые максимальные главные напряжения на центральной линии, проходящей через вершину концентратора напряжений. По результатам работы определены значения критических расстояний композита, полученные с использованием точечного и линейного методов. На основе полученных данных установлены размеры допустимых дефектов исследуемого стеклопластика, которые не оказывают влияние на прочностные характеристики материала. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования прочностных характеристик реальных изделий со сложной геометрией, а также для диагностики повреждённых элементов конструкций.
Бесплатно
Статья научная
Обосновывается выбор безразмерных параметров (показатели степени) потенциала Ми, обобщающего потенциал Леннарда-Джонса, для описания механических свойств металлических монокристаллов с ГПУ-решеткой. Таким материалам соответствует два равновесных параметра кристаллической решетки, один из них представляет собой расстояние между слоями с одинаковой укладкой атомов, а второй - межатомное расстояние в слое. В качестве критерия выбора параметров потенциала Ми используется совпадение известного из экспериментов отношения параметров кристаллической решетки и их отношение, полученное теоретически. Показано, что любой паре значений показателей степени в потенциале Ми соответствует определенное отношение параметров кристаллической ГПУ-решетки. Приведены показатели степени потенциала Ми, соответствующие известным металлам с ГПУ-решеткой: титану, цинку, магнию, кобальту, цирконию, бериллию и ряду других материалов. С помощью найденных значений параметров потенциала Ми может быть выполнена оценка упругих свойств ГПУ-монокристаллов. Сравниваются два подхода к определению равновесных расстояний кристаллической решетки - более простой с вычислительной точки зрения - силовой (равенство нулю результирующих сил на гранях образца) и энергетический (обеспечивается минимум потенциальной энергии всего образца). Показано, что оба подхода дают значения равновесных параметров решетки с отличием, составляющим менее 1 %. Обнаружена зависимость равновесных параметров ГПУ-решетки от размеров образца.
Бесплатно
Определение упругих и диссипативных свойств бетона при динамическом деформировании
Статья научная
Одним из наиболее перспективных подходов к оценке целостности железобетонных конструкций является вибрационная диагностика, в основе которой лежит исследование вибрационных процессов, вызванных ударными нагрузками. В этих подходах анализируются распространение ударной волны по исследуемой конструкции и влияние дефектов на этот процесс. Важным элементом системы ударно-волнового контроля является математическая модель конструкции. Ее адекватность обеспечивается точностью определения жесткостных и диссипативных характеристик материала конструкции. Особенно важным является этот вопрос для бетона, так как для каждой конкретной конструкции механические свойства бетона могут значительно различаться. В данной работе предложен расчетно-экспериментальный подход для идентификации механических характеристик бетона. В рамках вязкоупругой модели анализируется деформационный отклик бетонного образца на ударную нагрузку. Численное решение начально-краевой задачи распространения ударной волны в образце получено методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS. На основе результатов моделирования предложена структурная схема эксперимента по анализу деформационного отклика образца на ударное воздействие. На основе моделирования разработан алгоритм обработки экспериментальных результатов. В эксперименте возбуждались свободные колебания бетонного образца с помощью ударника, оснащенного виброметром, и регистрировался деформационный отклик в характерных точках образца. Разработана итерационная вычислительная процедура, обеспечивающая согласование между численными и экспериментальными результатами за счет уточнения значений механических характеристик материала. Надежность и эффективность предлагаемого подхода продемонстрированы на примере идентификации свойств конкретного бетонного образца. Полученные значения механических характеристик справедливы в диапазоне частот (5,6±0,5) кГц. Предлагаемый алгоритм может быть использован для идентификации механических характеристик бетона в любом частотном диапазоне, а также открывает возможности анализа зависимостей упругих и диссипативных свойств материалов от частоты.
Бесплатно
Определение упругих постоянных ГЦК-монокристаллов с помощью потенциала межатомного взаимодействия
Статья научная
Исследуется вопрос об установлении связи между параметрами потенциала Леннарда-Джонса и упругими модулями металлов с идеальной ГЦК-решеткой. Для этого монокристаллический куб подвергается различным видам деформации, находятся компоненты тензора напряжений Коши σ без априорного предположения о его симметрии. Получены аналитические выражения для коэффициентов разложений компонент тензора напряжений в степенные ряды, по ним определяются известные макроскопические линейные упругие модули. Показано, что тензор линейно-упругих свойств для металлов с ГЦК-решеткой является анизотропным и симметричным. Получена связь периода решетки ГЦК монокристалла с равновесным расстоянием для изолированной пары атомов. Получено представление второго параметра потенциала Леннарда-Джонса через период решетки и макроскопический модуль сдвига G, проведена верификация полученных соотношений. Полученные результаты могут использоваться для уточненного расчета механических свойств наночастиц.
Бесплатно
Определение эффективных упругих свойств поликристаллов методом вычислительного эксперимента
Статья научная
Рассмотрена методика определения эффективных упругих свойств поликристаллов, построенная на базе серии из 6 вычислительных экспериментов. Полученные оценки упругих свойств поликристалла сравниваются с результатами оценок по Фойгту, Рейсу и Хиллу, а также с результатами натурных экспериментов. Предложенная методика использована для оценки эффективных упругих свойств поликристаллов при наличии аксиальной текстуры.
Бесплатно
Определяющие соотношения для материалов со свойствами, зависящими от вида деформированного состояния
Статья научная
Многие материалы демонстрируют зависимость механических свойств от вида напряженного или деформированного состояния. Наиболее заметно это проявляется в зависимости процессов сдвигового и объемного деформирования. К такого рода материалам относятся материалы, содержащие дефекты различного характера, например: горные породы, конструкционные графиты, бетон, некоторые марки стали, чугун, алюминий. Основные свойства этих материалов заключаются в отсутствии «единой кривой» связи между интенсивностью напряжений и интенсивностью деформаций. В условиях сдвига могут происходить объемные деформации. Указанные материалы могут описываться определяющими соотношениями, зависящими от параметра вида напряженного состояния, представляющего собой отношение первого инварианта тензора напряжений к интенсивности напряжений. Таким образом, эти определяющие соотношения дают зависимость компонент тензора деформаций от компонент тензора напряжений. Такие определяющие соотношения могут быть достаточно громоздкими и поэтому не допускают аналитического обращения для получения определяющих соотношений, дающих зависимость компонент тензора напряжений от компонент тензора деформаций. В работе предлагаются сравнительно простые определяющие соотношения, полученные в ходе анализа результатов испытаний различных материалов, свойства которых зависят от вида деформированного состояния. Выводятся условия на материальные константы, обеспечивающие единственность решения краевых задач. На основе экспериментальных данных по пропорциональному нагружению различных горных пород: известняка и талькохлорита, а также результатов механических испытаний нескольких марок бетона определяются постоянные математической модели. Проводится сопоставление результатов экспериментальных исследований с теоретическими зависимостями, предсказываемыми моделью. Устанавливаются ограничения на применимость предлагаемых определяющих соотношений.
Бесплатно
Определяющие соотношения новой линейной теории термоупругих оболочек класса TS
Статья научная
В работе получены определяющие соотношения новой линейной теории термоупругих анизотропных однородных оболочек класса TS и обратные определяющие соотношения новой линейной теории термоупругих изотропных оболочек класса TS
Бесплатно
Статья научная
Конкретный вариант конститутивных законов сформулирован для сверхпластического материала. Предполагается, что тензоры скорости растяжения и деформации пропорциональны друг другу. Скалярные свойства материала описываются моделью, основанной на энергетических соображениях, касающихся процессов генерации, взаимодействия и исчезновения дефектов (дислокаций и границ зерен). Рассматривается конкретный вариант для одномерного случая.
Бесплатно
Оптимальная геометрия и износ волочильного инструмента
Статья научная
В статье предложена методика определения оптимальной геометрии волочильного инструмента. Из условия минимума напряжения волочения получены зависимости для определения углов конусности волочильного инструмента. В условиях ОАО «Камкабель» (г. Пермь, Россия) в соответствии с выполненными расчетами изготовлены и испытаны твердосплавные волоки. Предложены зависимости для определения оптимальной вытяжки, обеспечивающей минимальные значения напряжения волочения.
Бесплатно
