Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics
Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1092
Осаждение фуллеритов C60 на подложку твердого тела с образованием пленки
Статья научная
Использование фуллеритов С60 для создания пленок на поверхности подложки твердого тела может применяться не только для создания покрытий, но и для модификации поверхностного слоя подложки, что с практической точки зрения может быть востребовано в таких отраслях экономики, как машино- и приборостроение. Для анализа процесса формирования фуллеритовых пленок на поверхности подложки проведен компьютерный эксперимент, но моделировалось поведение не одиночного фуллерита или фуллерена, как это было реализовано в предыдущих работах авторов, а значительного числа фуллеритов C60, депонируемых в область моделирования за определенный интервал времени и образующих «поток». Подложкой твердого тела являлся кристалл железа Fe(100). Температура подложки в рамках исследования поддерживалась постоянной при следующих значениях - 300 K, 700 K, 1150 K. Начальные параметры каждого отдельного фуллерита определялись стохастическим образом в заданных пределах. Программным комплексом, использовавшимся для проведения описанного компьютерного эксперимента, являлся LAMMPS. Взаимодействие атомов системы между собой, в процессе моделирования, определялось многочастичным потенциалом (MEAM - модифицированный метод погруженного атома). Главным результатом проведенного компьютерного эксперимента является то, что удалось смоделировать осаждение фуллеритов C60 с формированием пленки на подложке твердого тела. Были выявлены основные закономерности взаимодействия фуллерита в целом и фуллеренов, его образующих, как с подложкой, так и с другими фуллеритами, образующими пленку. А анализ изменения температуры и потенциальной энергии системы, как в процессе осаждения фуллеритов, так и после его окончания, позволяет говорить об устойчивости полученной системы фуллериты - подложка.
Бесплатно
Особенности деформации биметаллической пластины
Статья научная
Рассматриваются особенности макроскопической локализации пластического течения при одноосном растяжении плоской биметаллической пластины. Ось растяжения образца была ориентирована нормально к направлению прокатки. Исследуемый биметалл «низкоуглеродистая сталь - нержавеющая сталь» применяется в химическом машиностроении для изготовления реакционных колонн, автоклавов, реакторов, теплообменников. Кривая пластического течения биметалла после площадки текучести в области больших пластических деформаций расположена между кривыми для его составляющих - нержавеющей аустенитной стали (AISI 304) и низкоуглеродистой стали (ASTM A414 grade A). Визуализация полос локализованной пластической деформации и регистрация кинетики их движения осуществлялись на рабочей части образца методом спекл-фотографии. Установлено, что на площадке текучести пластическая деформация в виде фронтов Людерса зарождается на границе раздела «плакирующий слой - основной слой биметалла» и распространяется в основном слое низкоуглеродистой стали, в то время как менее пластичный плакирующий слой нержавеющей стали деформируется упруго. Затем совместно с основным начинают пластически деформироваться также и плакирующие слои в виде распространения фронтов Портевена - Ле Шателье. Процесс разрушения биметалла также начинается с локализации пластической деформации вблизи структурных неоднородностей и концентраторов напряжения в области контакта слоев двух разнородных металлов. Сформированные на ранних стадиях пластического течения в этой области концентраторы напряжений инициируют образование высокоамплитудной области локализации деформации, которая является предвестником формирования шейки в образце и дальнейшего вязкого разрушения биметалла.
Бесплатно
Особенности деформационного поведения конструкционной стали при ковке
Статья научная
В качестве объекта исследования выбрана конструкционная сталь, подвергнутая кузнечным операциям, в том числе интенсивной пластической деформации. Цель работы - оценить роль интенсивной пластической деформации при ковке стальных заготовок. В работе выполнено компьютерное моделирование ковки стали марок 20, 45 и 40Х в программном комплексе DEFORM 3D. Проведен подробный анализ напряженно-деформированного состояния заготовок при деформировании, а также силовых параметров процесса. В результате анализа выявлено, что напряженно-деформированное состояние существенно зависит от материала заготовки. Увеличение содержания углерода в стали способствует росту значений интенсивности напряжений и интенсивности деформаций. Выбор наиболее оптимальных параметров процесса для различных технологических условий с использованием моделирования в программном комплексе DEFORM 3D вполне оправдан и может дать конкретные результаты, причем даже для сложных деформационных процессов. В промышленных условиях изучено деформационное поведение стали марок 20, 45 и 40Х при реализации ковки осадкой со степенью деформации при осадке 30% и при интенсивном пластическом деформировании методом ковки в трапециевидных бойках стали 45. В результате осадки происходит формирование равномерной микроструктуры с баллом зерна 7. Применение сдвиговой деформации способствует интенсификации ротационного механизма деформации. Реализация сдвиговых деформаций обеспечивает измельчение зерна до 8 балла. Кроме того, твердость стали 45 после реализации интенсивной пластической деформации возросла более чем на 13% по сравнению с металлом, полученным традиционной осадкой, и составила 164,8 HB. Выявлено влияние технологических параметров ковки на микроструктуру и свойства конструкционной стали, особенно на превалирующий механизм деформации.
Бесплатно
Особенности деформирования и разрушения комбинированных полимерных труб при низких температурах
Статья научная
Двухслойные комбинированные конструкции в которых один слой, обладающий высокой прочностью и жестокостью, из металла, армированного композита или высокопрочного пластика является несущим, а другой из высокодеформативного полимера или эластомера обеспечивает герметичность, химическую и коррозионную защиту являются широко распространенными. Однако вследствие различия механических свойств и, в частности, КЛТР в слоях таких конструкций могут возникать значительные напряжения при перепадах температуры. Длительный характер воздействия таких нагрузок, наличие дефектов, сложное напряженное состояние, возникающее в слоях конструкций, а также существенная температурная зависимость физико-механических свойств полимеров, делают вопросы обеспечения длительной механической прочности и работоспособности таких конструкций весьма актуальными. Объектом исследований в настоящей работе являются комбинированные полимерные трубы, состоящие из двух основных слоев: термопласта (полиэтилена низкого давления) и армированного композита (стеклопластика). Целью исследований является выявление причин хрупкого разрушения слоя из термопласта (полиэтилена) при низких температурах. В работе приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований образцов полиэтиленового слоя и натурных образцов труб на хладостойкость при температуре до -50 °С. Проведено сравнение с полученными ранее расчетными оценками технологических остаточных напряжений в данных трубах. Предложена схема испытаний для быстрой сравнительной оценки хрупкости полиэтилена в условиях сложного напряженного состояния при низких температурах. При испытаниях натурных образцов труб выявлены этапы технологического процесса, влияющие на хладостойкость конструкции комбинированных полимерных труб.
Бесплатно
Особенности динамической калибровки стержня Гопкинсона - Кольского
Статья научная
Обсуждаются особенности динамической калибровки разрезного стержня Гопкинсона - Кольского при динамических испытаниях материалов на сжатие. Уточнена формула для динамической калибровки разрезного стержня Гопкинсона - Кольского. Эксперименты были проведены на модифицированном разрезном стержне Гопкинсона - Кольского, обеспечивающем однократное нагружение образцов. На примере образцов, изготовленных из меди М1, деформированных в диапазоне скоростей деформации 500-2000 с-1 при давлениях порядка 1 ГПа показано, что при повторных нагружениях образцов имеет место разгрузка, вследствие чего на отраженном импульсе деформации (пропорциональном скорости деформации) появляется участок с отрицательной амплитудой. Чтобы подтвердить факт разгрузки материала образца, были проведены эксперименты с образцами-спутниками, изготовленными из сплава ПОС-90. Учет истинной максимальной деформации, измеренной с помощью образца-спутника, дает удовлетворительное совпадение с деформацией, измеренной на основном образце.
Бесплатно
Статья научная
Экспериментально и теоретически проанализированы процессы, протекающие в смесях порошков Ti-Al-Fe-Fe2O3 при реакционном спекании (спекании порошков из химически взаимодействующих компонентов) в условиях регулируемого нагрева. В качестве одного из компонентов использованы отходы металлообработки стальных заготовок, что обусловливает актуальность исследования. Скорость нагрева варьировалась. Проанализированы возможные физико-химические стадии, их последовательность и предполагаемый фазовый состав продуктов синтеза. Несмотря на то что реакционное спекание представляет значительный интерес для получения композитных материалов, закономерности, установленные для бинарных систем, не удается в чистом виде перенести на спекание порошков более чем двух видов. Показано, что в результате многостадийного процесса формируются наборы неравновесных фаз переменного состава на основе твердого раствора α-титана. Установлено, что структуры, полученные из порошковых составов «Ti+Al+Fe» и «Ti+Al+металлическая стружка», мало чем отличаются друг от друга, несмотря на присутствие в последнем заметной доли оксидов. Представлены примеры решения частных задач, которые соответствуют возможным вариантам диффузионного взаимодействия в гетерогенной системе. Аналитические решения получены в квазистационарном приближении. Диффузионный характер изменения положения границ раздела фаз одинаков для постоянного и переменного коэффициента диффузии. Форма частицы тугоплавкого реагента слабо сказывается на динамике процесса. Дан пример расчета напряжений и деформаций в условной реакционной ячейке, когда фазы разделены подвижными границами. В квазистатическом приближении время для механической части задачи является параметром. Показано, что движущие силы диффузионного переноса могут быть связаны с локальными напряжениями, которые, в свою очередь, могут быть связаны с изменением состава.
Бесплатно
Особенности квазистатических испытаний нитей и тканей
Статья научная
Работа посвящена анализу методических вопросов механических испытаний нитей и тканей, которые являются армирующими элементами при создании композиционных материалов. Представлены методики проведения статических испытаний на растяжение кремнеземной ткани КТ-11-ТОА и стеклянных нитей с определением механических свойств. На образцах ткани определено значение максимальной разрушающей нагрузки, проведен статистический анализ, посчитан коэффициент вариации, построены диаграммы деформирования. На образцах стеклянных нитей получены значения максимальной нагрузки, максимальной удельной нагрузки, упругого модуля и относительного удлинения при разрыве. Построены диаграммы деформирования, проведена статистическая обработка по 60 образцам и получены средние значения механических характеристик и коэффициенты вариации. Испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5965 с использованием бесконтактного видеоэкстензометра AVE.
Бесплатно
Особенности контактных задач для систем струн и балок со слабо закрепленными элементами
Статья научная
В известных контактных задачах для струн и балок контактирующие упругие элементы закреплены так, что каждый из них может оставаться в равновесии при любой приложенной к нему нагрузке. Возможно, однако, закрепление, при котором для одного из элементов (его можно назвать слабо закрепленным) это свойство не выполняется, но вся система в целом может находиться в равновесии для достаточно широкого множества внешних (по отношению к системе) нагрузок. Для таких систем постановка контактной задачи, доказательство единственности решения и построение аналитического решения имеют по сравнению с известными задачами некоторые особенности: наличие в постановке задачи условия равновесия слабо закрепленного элемента и наличие дополнительного (подлежащего нахождению, наряду с внутренними силами) параметра, описывающего неопределенную часть перемещения этого элемента; необходимость доказательства единственности определения не только контактных сил, но и упомянутого параметра; расширение множества допустимых контактных сил; исключение нулевых внешних нагрузок. Эти особенности рассмотрены на примерах: 1) две струны, одна из которых имеет свободные концы, а один из концов второй закреплен; 2) две разделенные зазором балки, одна из которых имеет шарнирно закрепленный и свободный концы, а вторая закреплена консольно. Предложена сохраняющая основные идеи модификация обычной схемы рассмотрения таких задач, позволяющая учесть наличие слабо закрепленных элементов. В каждом примере доказана единственность решения контактной задачи и построено в явном виде ее аналитическое решение.
Бесплатно
Особенности локализации деформации при растяжении сильвинита
Статья научная
Настоящая работа посвящена исследованию пространственно-временной локализации деформации при прямом одноосном растяжении сильвинита с использованием метода корреляции цифровых изображений и метода акустической эмиссии. Для реализации схемы прямого одноосного растяжения использовано специальное реверсивное устройство, в котором бетонируются образцы сильвинита. Последовательно сфотографированные изображения боковой поверхности образцов были использованы для восстановления распределения полей компонент вектора перемещений и тензора деформаций на боковой поверхности образцов сильвинита при одноосном квазистатическом растяжении. В результате анализа полученных данных установлено, что процесс деформирования реализуется в виде двух последовательно следующих форм пространственно-временной локализации: системы эквидистантно расположенных стационарных очагов локализованной деформации и одиночной стационарной диссипативной локализованной структуры. Материал вне полос локализованной деформации находится в недеформированном состоянии, также в результате одноосного квазистатического растяжения наблюдаются как полосы локализованной деформации растяжения, так и сжатия. Переход от одной формы локализации к другой происходит в окрестности максимума напряжения и сопровождается резким уменьшением концентрационного параметра. Концентрационный параметр характеризует степень взаимодействия дефектов различных масштабных уровней посредством их упругих полей и может быть оценен по данным акустической эмиссии. Анализ зависимости пространственного периода полос локализованной деформации от размера расчетной ячейки показал, что полосы локализованной деформации имеют самоподобное строение и процесс деформирования локализован по границам зерен минералов, слагающих образец.
Бесплатно
Особенности механического поведения армко-железа при испытании в режиме гигацикловой усталости
Статья научная
В работе экспериментально исследуется механическое поведение армко-железа при испытаниях в режиме гигацикловой усталости. Испытания проводились на ультразвуковой испытательной машине USF-2000 с частотой нагружения 20 КГц. В работе построена зависимость Веллера для данного материала на базе испытаний 1∙10 10 циклов. Для исследования особенностей процесса зарождения усталостных трещин разработаны две новые системы мониторинга физических свойств образца, основанные на измерении электрического тока и индукции магнитного поля. Показано, что существенное изменение физических процессов, сопровождающих эволюцию структурных дефектов в материале, наблюдается на завершающих стадиях эксперимента. Полученные данные позволяют оценить характерное время развития подповерхностных усталостных трещин, исследование которых затруднено стандартными методами регистрации.
Бесплатно
Статья научная
В работе предложена изотермическая динамическая модель начальной стадии процесса перемешивания частиц в поверхностном слое материала в условиях поверхностной обработки. Модель учитывает диффузию ионов, конечность времени релаксации потока массы, появление напряжений вследствие изменения состава поверхностного слоя и явление переноса компонента под действием градиента напряжений. Описан выбор безразмерных переменных и физический смысл получаемых при этом безразмерных комплексов. На основе анализа известных частных уравнений и классических разностных методов их численного решения выбран метод численной реализации связанной модели. Продемонстрированы свойства разностных схем и качественные особенности решений диффузионного, телеграфного и волнового уравнений. Выявлены качественные особенности концентрационной и упругой волн, взаимодействующих между собой. Показано, что смена качественного характера распределения деформаций в упругой волне связана с конечностью скорости распространения диффузионной волны.
Бесплатно
Статья научная
Характеристики деформационного поведения и сопротивления разрушению материала оболочки тепловыделяющих элементов (твэлов) используются при проектных обоснованиях их безопасной работы. Для определения данных характеристик в АО «Институт реакторных материалов» применяют испытание на статическое внецентренное растяжение тонкостенных кольцевых образцов с концентратором напряжений в виде надреза, вырезанных из оболочечных труб. Испытания проводят через определенные промежутки времени эксплуатации твэла. Получаемые в экспериментах зависимости силы нагружения образца от величины перемещения захвата испытательной машины имеют различный вид, зависящий от накопленной поврежденности оболочки твэла. Причины поведения кривой нагружения в рассматриваемом виде испытания можно установить на основе его компьютерного моделирования. В работе приведена схема испытания. Описана постановка упругопластической задачи расчета напряженно-деформированного состояния кольцевого образца с надрезом при его внецентренном растяжении. Рассмотрено плоское деформированное состояние. Моделирование выполнено методом конечных элементов по разработанной в ИМАШ УрО РАН для рассматриваемого вида испытания специализированной компьютерной программе. Нагрузка прикладывается малыми шагами в приращениях перемещения захвата испытательной машины. На каждом шаге нагрузки расчетный алгоритм основан на принципе виртуальной мощности в приращениях. Использованы разработанные авторами определяющие соотношения для упругопластической среды с большими пластическими деформациями. Приведены результаты компьютерного моделирования процесса нагружения образца из аустенитной стали ЧС86хд. Установлено, что кривая зависимости силы растяжения образца от перемещения захвата испытательной машины состоит из двух возрастающих прямолинейных участков и соединяющей их закругленной части. Угол наклона к горизонтальной оси у первого прямолинейного участка кривой существенно больше, чем у второго. Проанализировано изменение накопленной пластической деформации в области надреза образца в разных точках кривой нагружения и объяснены особенности поведения кривой нагружения образца на разных ее участках, в том числе с учетом образования и развития макротрещины в вершине надреза образца. Представлены поля распределений показателей напряженного состояния в области надреза образца.
Бесплатно
Особенности неизотермической зернограничной диффузии в Ti3Al
Статья научная
Для исследования диффузии кислорода вдоль границ зерен на динамику окисления интерметаллидного сплава Ti3Al предложена двумерная диффузионно-кинетическая модель. Оценка вклада границ зерен проводится на основе сравнения динамики процессов в структуре с явно выделенными зернами и границами и в материале с эффективными свойствами, где коэффициент диффузии рассчитывался в зависимости от доли граничной фазы. Диффузия кислорода происходит в смешанном кинетическом режиме, характерном для наноразмерных структур, изготовленных аддитивно. Структура с явным учетом зерен и стыков в модели обладает симметрией. Прямоугольные зерна расположены друг относительно друга аналогично «кирпичной кладке» так, что образуют тройные стыки. Материал с эффективными свойствами представляет собой сплошную прямоугольную область, в которой доля граничной фазы учитывается через коэффициент диффузии. На поверхности задается постоянный источник кислорода. Задача решается численно в безразмерных переменных. Для решения уравнения диффузии использована неявная разностная схема расщепления по координатам. Для решения кинетических уравнений используется метод, подобный явному методу Эйлера, с организацией итерационного процесса. Проведено сравнение результатов для изотермического режима и для условий линейного нагрева с последующим остыванием. Исследование проводится для начального этапа окисления наноразмерного интерметаллидного сплава Ti3Al. Вклад границ зерен в динамику окисления оценивается в диапазоне доли граничной фазы от 0,1 до 0,5, которая изменяется за счет варьирования размеров зерен относительно ширины границ. Полученные результаты качественно согласуются с литературными данными.
Бесплатно
Статья научная
На образцах из вязкоупругого низкомодульного композита на полимерной основе прове- дены одноосные моногармонические (одночастотные) испытания при различных значениях предварительной статической деформации, амплитуды деформации и одноосные бигармониче- ские (двухчастотные) испытания при различных значениях амплитуд деформаций первой (низко- частотной) и второй (высокочастотной) гармоник. Для описания поведения вязкоупругого мате- риала при гармонических нагружениях применялся метод комплексных операторов. С помощью специальной методики определены динамические деформационные свойства композитного ма- териала: угол потерь и динамический модуль - при моногармонических испытаниях; угол потерь и динамический модуль первой и второй гармоник - при бигармонических испытаниях. Построе- ны зависимости динамического модуля от предварительной статической деформации при раз- личных значениях амплитуды деформации моногармонического нагружения, а также зависимо- сти динамических модулей и углов потерь низкочастотной и высокочастотной составляющих (гармоник) бигармонического нагружения от амплитуды деформации низкочастотной гармоники при различных значениях амплитуды деформации высокочастотной гармоники. Показано, что предварительная статическая деформация при моногармонических испытаниях играет роль низ- кочастотной гармоники при бигармонических испытаниях (зависимость динамического модуля от предварительной статической деформации при одночастотных испытаниях подобна зависимости динамического модуля второй гармоники от амплитуды деформации первой гармоники при би- гармонических испытаниях). Проведено сопоставление динамических модулей и углов потерь исследуемого материала, определенных при двухчастотных (бигармонических) и соответствую- щих одночастотных (моногармонических) нагружениях. Определено отношение амплитуд де- формаций низкочастотной и высокочастотной составляющих, при котором значение динамиче- ского модуля низкочастотной составляющей бигармонического нагружения практически не отли- чается от значения динамического модуля, определенного при моногармоническом нагружении.
Бесплатно
Статья научная
Предложен подход к моделированию динамических процессов в полубесконечной составной пластине из неоднородных пьезоэлектрического и диэлектрического слоев. При моделировании неоднородности слоев использована двухкомпонентная модель с функционально градиентным изменением свойств, в которой физические параметры основного материала непрерывным образом меняются по толщине до параметров включения. Материал пьезоэлектрического слоя представляет собой сочетание пьезокерамик на основе PZT, обладающих значительным различием скоростных характеристик. Реализована возможность локализации неоднородности как у внешней поверхности пластины, так и в середине слоя или у границы раздела. Диэлектрический слой выполнен из SiO2, неоднородность диэлектрического слоя моделирует взаимопроникновение пьезоэлектрика и диэлектрика в узкой переходной области у границы раздела. В качестве параметров материала включения рассматривались упругие и диэлектрические модули пьезоэлектрического материала, расположенного у границы раздела. Внешние поверхности составной пластины свободны от механических напряжений и электрически закорочены. Рассмотрена задача о распространении поверхностных SH-волн в составной структуре из функционально градиентных пьезо- и диэлектрического слоев, инициированных действием бесконечно удаленного источника гармонических колебаний. Решение строится в пространстве образов Фурье, сведением к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, которое в свою очередь строится с использованием метода Рунге - Кутты - Мерсона. Приведено дисперсионное уравнение задачи, анализ которого позволил исследовать влияние характера, величины области перехода материалов и локализации неоднородности структуры на особенности поведения фазовых скоростей ПАВ для широкого диапазона частот. Полученные результаты приведены в безразмерных параметрах и могут представлять особый интерес при разработке, проектировании и оптимизации новых материалов для микро- и наноразмерных приборов и устройств на SH ПАВ с высокими эксплуатационными характеристиками.
Бесплатно
Статья научная
В статье предложено решение с единых позиций актуальной для механики, материаловедения и смежных наук проблемы поверхностного упрочнения металлического тела в условиях высокоэнергетических технологических воздействий. На примере импульсной электромеханической обработки (ЭМО) изложены постановка и анализ системы связанных задач формирования структуры и механических свойств обрабатываемого тела. Приведен алгоритм решения задачи термоупругопластичности с учетом изменения при ЭМО термо-структурного состояния металла, динамических, механических эффектов и трансформации поверхностей деформирования в пространстве интенсивности напряжений, деформаций и температуры. Рассмотрена необходимость постановки и решения специфических материаловедческих задач структурообразования, базирующихся на существующих эмпирических соотношениях. Предложена процедура согласования шагов временных сеток численного решения для корректного анализа разноскоростных взаимосвязанных процессов для теплового, структурного и механического приближений. Исследованы сходимость и устойчивость предложенного численного метода решения технологической задачи для ЭМО стали и адекватность результатов анализа известным решениям. Особое внимание уделено вопросам влияния связанности процессов и учета инерционных эффектов в условиях динамически изменяющихся тепловых, структурных и напряженно-деформационных полей в процессе ЭМО. Приведены примеры расчета распределения возникающих структурных областей и упруго-пластических деформаций и напряжений при ЭМО стальных тел, моделируемых полубесконечными областями с однородной структурой и в виде неоднородной двухслойной композиции, соответствующей образцам с упрочненным поверхностным слоем. Сопоставление полученных результатов позволило выявить и описать тонкие эффекты в распределении напряжений и деформаций в неоднородных телах при трансформации структуры в процессе ЭМО.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается трехмерная задача упругопластического деформирования и выпучивания полусферических оболочек при контактном взаимодействии с жесткими телами. Для описания деформирования оболочки применяется текущая лагранжева формулировка. Уравнение движения выводится из баланса виртуальных мощностей. В качестве уравнений состояния используются соотношения теории течения с изотропным упрочнением. Контактное взаимодействие жесткого тела и оболочки моделируется исходя из условия непроникания. Для дискретизации определяющей системы уравнений по пространственным переменным применяется 8-узловой изопараметрический конечный элемент с полилинейными функциями формы. Решение задачи при заданных граничных и начальных условиях основано на моментной схеме метода конечных элементов и явной конечно-разностной схеме интегрирования по времени типа «крест». Выполнены расчеты упругопластического деформирования и выпучивания полусферической стальной оболочки, расположенной на неподвижной плите при квазистатическом вдавливании недеформируемого индентора. Индентор имеет вид цилиндрической оболочки с продольными вырезами в области контакта. Количество вырезов в расчетах варьировалось. Проведено численное исследование влияния формы индентора на уровень пластических деформаций и величину критической нагрузки. Как показали результаты расчетов, полусферическая оболочка в процессе нагружения претерпевает значительные локальные формоизменения в области контакта с индентором, характеризуемые большими смещениями и углами поворота конечных элементов как жесткого целого. Достоверность результатов численного решения задачи подтверждается хорошим соответствием с экспериментальными данными других авторов. Показано, что при малых деформациях поперечного сдвига и больших углах поворота применение моментной схемы метода конечных элементов с определением скоростей деформаций и напряжений в локальном базисе вполне обоснованно при использовании явной конечно-разностной схемы интегрирования типа «крест» с малыми шагами по времени.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется влияние предварительных динамических воздействий на изменение остаточных прочностных и усталостных характеристик тканевого композита с использованием современного испытательного и диагностического оборудования. Предложена новая методика испытаний слоистых композитов, заключающаяся в проведении предварительного низкоскоростного удара падающим грузом с последующим циклическим сжатием. Проведены серии испытаний на удар падающим грузом в широком диапазоне энергии с последующим квазистатическим и циклическим сжатием поврежденных слоистых стеклопластиковых пластин. Получены опытные зависимости остаточной статической прочности и усталостной долговечности от энергии предварительного динамического воздействия. Выявлено существование порогового значения энергии предварительного удара падающим грузом, ниже которого предварительное динамическое воздействие не оказывает влияния на остаточные механические характеристики. На основе ранее разработанных моделей и их модификаций проведена аппроксимация экспериментальных данных об остаточных свойствах композита. Отмечена высокая описательная способность предложенных моделей. Кинетика процесса разрушения при квазистатическом сжатии проанализирована на основе данных, полученных с применением бесконтактной оптической видеосистемы VIC-3D и метода корреляции цифровых изображений. Отмечен неоднородный характер распределения полей деформаций на поверхности поврежденных образцов. Данные ультразвукового сканирования позволили провести оценку развития эксплуатационных повреждений, образованных в результате предварительных поперечных низкоскоростных ударов. Установлена связь между энергией динамического воздействия, остаточными механическими характеристиками и характерным размером зоны повреждения. Выявлена нелинейность полученных зависимостей. Сделан вывод о необходимости исследования механического поведения полимерных композитов в условиях комбинированных воздействий для обеспечения надежности и безопасности ответственных конструкций.
Бесплатно
Статья научная
Разработан и реализован новый подход, обеспечивающий определение главных компонент остаточных напряжений, которые возникают в результате, как статического, так и ударного контактного взаимодействия сферического индентора и плоской поверхности пластины, изготовленной из полимерного композиционного материала с продольно-поперечной укладкой. Экспериментальная методика включает сверление зондирующего отверстия и последующее измерение приращений диаметров этого отверстия в направлении главных остаточных деформаций методом спекл-интерферометрии. Картины интерференционных полос высокого качества, необходимые для реализации этой процедуры, визуализированы, как внутри контактной вмятины, так и в ближайшей внешней окрестности контура углубления, которое расположено на длинной оси симметрии прямоугольных образцов. Данные интерференционных измерений тангенциальных компонент перемещений используются для определения главных компонент остаточных напряжений на основе единственного решения корректно сформулированной обратной задачи. Это обстоятельство обеспечивает минимально возможную погрешность конечного результата. Ключевым моментом разработанного подхода является то, что остаточные напряжения определяются количественным образом по результатам прямых физических измерений приращения диаметров зондирующих отверстий, выполненных в различных зонах контактного взаимодействии. На этой основе установлено наличие значительных по величине главных компонент остаточных напряжений, которые возникают в зоне контактного взаимодействия стального индентора и поверхности композиционной пластины. Выявлено, что распределения главных компонент остаточных напряжений вдоль контура контактной вмятины по отношению к ее центру имеет радиально-симметричный характер. При этом тангенциальные компоненты являются растягивающими напряжениями, а радиальные напряжения являются сжимающими в обоих случаях. Наибольшие сжимающие компоненты в обоих случаях возникают в центре контактной вмятины. Представлено сравнение величин главных компонент остаточных напряжений, возникающих при статическом вдавливании сферического индентора и ударном воздействии, которые характеризуются практически одинаковым диаметром контактной вмятины. Полученные данные свидетельствуют, что остаточные напряжения можно использовать в качестве репрезентативного параметра, который способен установить корреляцию между снижением прочности композитной пластины вследствие ударного воздействия и количественными характеристиками поля остаточных напряжений в окрестности контактного углубления.
Бесплатно
Статья научная
Исследовано влияние реальной геометрии формы профиля сечения заготовки легированного кварцевого силового стержня для анизотропного оптического волокна «Панда» на характер поля остаточных напряжений, формирующихся при изготовлении стержня. Решена краевая задача нестационарной теплопроводности, и по найденному распределению температур решена краевая квазистатическая задача об остаточных напряжениях в заготовке силового стержня. Проведено сравнение результатов, полученных при осесимметричной постановке с идеально круглой формой сечения, с результатами плоской задачи, где учитывалась реальная форма геометрии. Выявлено, что некруглость профиля сечения приводит к несимметричности и локальным концентрациям полей остаточных напряжений по сечению, что может являться причиной разрушения заготовок. Наблюдаются существенные изменения величин, которые считаются важными при исследовании прочности. Разница между наименьшим и наибольшим значениями максимальных главных касательных напряжений на границе оптических сред между легированным кварцевым стеклом и чистым кварцем растет при увеличении отклонения от круглой формы сечения.
Бесплатно
