Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics
Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1092
Статья научная
В данной работе проведен модальный анализ ведомого и ведущего колес конической зубчатой передачи, представленной на рис. 1, и рассмотрен возможный алгоритм анализа процесса зацепления в квазистатической постановке. По результатам модального анализа и после построения резонансных диаграмм получили, что наиболее опасные для зубчатых колес оказались четвертые и пятые собственные частоты, соответствующие им формы колебания с тремя и четырьмя узловыми диаметрами при условии вращения вала двигателя в рабочем диапазоне частот. Возникновение резонансных колебаний может привести к разрушению зубчатого колеса, которое начинается от впадины между зубьями, развивается в диафрагму и приводит к поломке шестерни. В процессе статического анализа была произведена попытка проверить подход, применяемый для расчета зубчатых передач, а именно определение НДС во впадине зубьев ведущего зубчатого колеса авиационного двигателя при приложении рабочих нагрузок. Предложенный подход не претендует на точные количественные значения и может рассматриваться как метод, который должен впоследствии сам подвергнуться тщательному анализу.
Бесплатно
Оценка адекватности тензорно-линейного соотношения для простого нагружения изотропных материалов
Статья научная
Для оценки значения зависимости свойств пластичности, прочности и других свойств от третьего инварианта к различным формам изотропной тензорной функции были получены с использованием геометрического подхода. Первая, тригонометрическая форма Новожилова не позволяет однозначно оценить значение тензорной нелинейности. Второе дает возможность использования разложения в ортонормированном базисе. Предлагаемая процедура позволяет нам исследовать экспериментальные результаты для алюминия и меди при условии простой многоосевой нагрузки.
Бесплатно
Статья научная
Работа направлена на экспериментальное исследование и описание закономерностей механического поведения и деградации прочностных свойств волокнистого полимерного композиционного материала при термовлажностном старении в агрессивных (эксплуатационных) средах разной продолжительности и температурах. Объектом исследования являлся стеклотекстолит общего и электротехнического назначения СТЭФ. СТЭФ - это слоистый армированный стеклопластик, полученный путем горячего прессования стеклоткани, пропитанной термореактивным связующим на основе комбинированных эпоксидных и фенолформальдегидных смол. После предварительного старения при различных температурно-временных режимах образцы стеклопластика испытывались при нормальной температуре на межслоевой сдвиг. Для изучения инициирования и распространения данных дефектных структур в процессе деформирования стеклопластика после предварительного старения при различных температурно-временных режимах и средах в работе применяется метод акустической эмиссии, позволяющий исследовать стадийность неупругого деформирования и отследить процессы, связанные с формированием дефектов в структуре волокнистого композита. Получены и проанализированы данные о влиянии различных сред, таких как техническая вода, морская вода и машинное масло, при различной продолжительности (15, 30, 45 суток) и температуре (22°, 60° и 90 °С) на процессы разрушения композита и реализацию различных механизмов накопления повреждений при квазистатических испытаниях на межслоевой сдвиг. В работе приводятся результаты испытаний, полученные системой регистрации сигналов акустической эмиссии. Приведены и описаны данные, иллюстрирующие стадийность накопления повреждений и проанализированы основные механизмы повреждения структуры композита при нагружении. Описаны результаты исследования микроструктуры образцов, полученные с помощью стереомикроскопа до и после термовлажностного старения в агрессивных средах.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача обеспечения прочности и минимальной массы при конструировании изделий, производимых с использованием аддитивных технологий. Авторы исследовали возможность применения топологической оптимизации в системах автоматизированного проектирования для создания оптимизированной модели с необходимой прочностью при минимальной массе. В рамках работы проведена топологическая оптимизация кронштейна, изготовление его образцов методами аддитивного производства и прочностные испытания. Процесс определения оптимальных значений проводился с помощью конечно-элементного анализа посредством программного обеспечения SolidWorks и ANSYS. Результаты расчета показывают, что оптимизированная модель сохраняет около 20 % массы исходной и обладает необходимыми механическими характеристиками. В частности, избыточный запас прочности снижен в 2,5 раза, что является приемлемым для данного кронштейна. Последующая верификация моделей проводится через испытания на разрушение изделий, произведенных по аддитивным технологиям - методом наплавления нити и стереолитографией. Для учета анизотропии материала была изготовлена серия образцов, ориентированных под разными углами к направлению построения. Испытания проводились на испытательном стенде для одновременного двухосного растяжения, что соответствует проектным нагрузкам на кронштейн. Увеличение растягивающей нагрузки на образец осуществлялось до его разрушения. В ходе работы выявлено наличие анизотропии механических свойств, а также исследованы результаты оптимизации в различных программных пакетах. Результаты прочностных испытаний позволяют сделать два вывода. Во-первых, в связи с анизотропией материала прочностные свойства значительно зависят от ориентации кронштейна при аддитивном изготовлении. Во-вторых, кронштейн, оптимизированный посредством программного пакета SolidWorks, в целом показал лучшие прочностные свойства для различных ориентаций при изготовлении. Также, что вполне ожидаемо, образцы, полученные стереолитографией, показали меньшую анизотропию, чем образцы, полученные методом наплавления нити. В заключение отметим, что применение аддитивных технологий для создания оптимизированных форм требует учета технологии печати и анизотропии свойств, а также выбора соответствующего программного обеспечения.
Бесплатно
Оценка диссипативных свойств колебательной системы серийного образца расходомера кориолиса
Статья научная
Количественные оценки расхода и плотности текущей жидкости, получаемые измерениями с помощью промышленных расходомеров Кориолиса, делаются на основании предварительно выполняемых на образцовом датчике лабораторных экспериментов. Это ограничивает достоверность практических измерений рамками использованных планов лабораторных экспериментов и сдерживает совершенствование конструкции колебательной системы датчика. Альтернативой подходам описательного характера в перспективе должны стать подходы виртуального прототипирования. Одной из принципиальных задач создания виртуального прототипа расходомера Кориолиса является разделение вклада в основной измеряемый расходомером параметр (фазовый сдвиг) составляющих от гироскопических и диссипативных сил. Решение этой задачи связано с необходимостью идентификации модели диссипативных сил колебательной системы расходомера. В статье обсуждаются результаты обработки экспериментов по определению диссипативных свойств механической колебательной системы одного из серийно выпускаемых образцов расходомера Кориолиса. В основу решения задачи идентификации модели диссипативных свойств колебательной системы расходомера положено исследование степени нелинейности огибающей виброграммы свободных затухающих колебаний. Эксперименты выполнены на проливочном стенде Центра экспериментальной механики Южно-Уральского государственного университета, позволяющем управлять расходом и фазовым составом протекающего по расходомеру флюида. В статье описаны результаты обработки виброграмм затухающих колебаний, позволяющей выделить в рассеиваемой энергии вклад сухого (модель Кулона), линейного вязкого (модель Релея) и квадратичного вязкого трения. Экспериментально установлена выраженная зависимость диссипации колебательной системы расходомера Кориолиса от особенностей течения флюида (скорости, фазового состава, режима: непрерывный, слаговый), приведены полученные результаты решения задачи идентификации модели диссипативных сил. В качестве текучей среды выступает вода, в качестве дисперсной фазы - воздух. В приведенных результатах решения задачи идентификации модели диссипативных сил выделены случаи свободных затухающих колебаний расходомера с трубками, заполненными жидкостью, но без течения, режим однородного однофазного и двухфазного течения и режим неоднородного двухфазного течения.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается экспериментально-расчетный метод оценки жесткостных свойств цилиндрической оболочечной конструкции из композиционного материала с полимерной матрицей на начальном этапе ее отверждения. Оценка жесткостных параметров композиции на этом этапе полимеризации вследствие различного физического состояния армирующих элементов и связующего методами механики композитных материалов приводит к плохо обусловленным матрицам жесткости, непригодным для достоверного описания механического поведения конструкции. Актуальность проводимого исследования связана с изучением технологии изготовления крупногабаритных пневматических конструкций на основе композиций, подвергаемых отверждению в условиях космоса. В предлагаемом методе экспериментально определяется давление развертывания цилиндра (давление, при котором диаметр цилиндра принимает номинальное значение), соответствующее текущей степени полимеризации связующего. Степень полимеризации характеризуется измеряемыми визкозиметром вязкостью и динамическим модулем полимера. Приводится описание установки, используемой в экспериментах, приборов, осуществляющих фиксацию измеряемых параметров состояния, и порядок проведения опытов. Расчетным путем на основе геометрически нелинейной упругой модели методом последовательных приближений определяется эффективный модуль упругости материала цилиндра, соответствующий его жесткостным характеристикам в течение нагружения внутренним давлением до давления развертывания. Время развертывания мало по сравнению с временем полной полимеризации связующего. Посредством сопоставления экспериментальных и расчетных данных устанавливается зависимость эффективного модуля упругости от параметров отверждения связующего. Выявлена практически линейная зависимость давления развертывания цилиндра от эффективного модуля упругости, что позволяет экстраполировать результаты исследования на значения параметров связующего, не подкрепленные опытом. Приведенные результаты позволяют проводить оценку внутреннего давления, необходимого для развертывания цилиндрических оболочек из композитов с частично отвержденным связующим, путем решения задач механики деформируемого твердого тела.
Бесплатно
Статья научная
Акустическая анизотропия является следствием анизотропии механических характеристик твердого тела. В металлах она связана с микроструктурной анизотропией механических характеристик, внутренними механическими напряжениями и деформациями, в том числе с остаточными напряжениями и пластическими деформациями. Датчики для измерения акустической анизотропии не требуют сложной подготовки поверхности металла, поэтому она легко измеряется, что позволяет использовать результаты измерения для количественного определения напряжений и деформаций в металлах на основании величины фазового сдвига скоростей сдвиговых волн ортогональной поляризации. Акустическая анизотропия является одним из проявлений феномена изменения упругих свойств акустической среды, вызванных действием механических напряжений и деформаций (акустоупругий эффект). Это дает возможность использовать эффект акустической анизотропии для разработки количественных методов акустической тензометрии, а также методов неразрушающего контроля, позволяющих эффективно проводить контроль качества и диагностику остаточного ресурса конструкций и деталей машин. В статье приводится история открытия и теоретического обоснования акустоупругого эффекта и количественной связи акустической анизотропии с напряжениями и деформациями, начиная с пионерских работ ХХ в. Показан путь формирования теории, построенной на нелинейной механике сплошной среды. Третья часть статьи посвящена обзору современного состояния исследований. Приведен анализ экспериментальных работ по измерению акустической анизотропии в низко- и высокоуглеродистых сталях, алюминиевых сплавах, а также в композитах и прочих конструкционных материалах. Особое внимание уделено обзору исследований связи акустической анизотропии с пластическими деформациями и границ применимости акустического метода. Также приведен перечень основных прикладных результатов, касающихся измерения и использования акустической анизотропии для контроля лопаток компрессоров и газотурбинных двигателей, трубных сталей, сварных соединений и пр. Дается обзор основных публикаций по системному анализу и обобщению теоретических и экспериментальных научных результатов, полученных отечественными и зарубежными исследователями в области изучения акустической анизотропии металлических конструкционных материалов в условиях одноосного и сложного напряженного состояния, пластического деформирования, термомеханического нагружения и усталостного разрушения.
Бесплатно
Статья научная
Наполненные эластомеры (резины) представляют собой сложные структурно-неоднородные системы, состоящие из смеси дисперсных частиц, случайно расположенных в высокоэластичной полимерной матрице (вулканизированный каучук). В качестве активного наполнителя наиболее распространен технический углерод (сажа). При взаимодействии связующего с частицами сажи на них образуются нанослои полимера с особыми механическими характеристиками. При определенных условиях (нанодисперсный наполнитель) их вклад в формирование макросвойств резины может быть весьма существенным. Прямое экспериментальное изучение нанослоев связанного полимера вокруг частиц технического углерода в резине сопряжены со значительными техническими трудностями из-за малости объектов исследований и множества дополнительных искажающих факторов. Для решения данной проблемы в работе использовали подход, основанный на сочетании экспериментального исследования полимерных нанослоев на плоской карбонизированной подложке методами атомно-силовой микроскопии и соответствующих модельных расчетов. Проведена оценка жесткости и толщины слоев модифицированного полимера. Полученные результаты не противоречат и известным опытным данным, что свидетельствует о перспективности данного направления исследований.
Бесплатно
Оценка надежности многослойных труб из полимерных материалов
Статья научная
Проблема надежности изделий является актуальной для изделий из полимерных материалов, это связано с такими их особенностями, как значительный разброс деформационно-прочностных характеристик материалов на стадии изготовления изделий, а также деградация свойств полимеров со временем. Кроме того, у изделий из полимерных материалов с ростом температуры резко ухудшаются их прочностные свойства. В работе использовался метод оценки вероятности безотказной работы с учетом перечисленных особенностей полимерных материалов применительно к однослойным и многослойным трубам. Исходная информация в виде статистического материала по деформационно-прочностным и предельным свойствам полимерных материалов набрана в ходе экспериментальных исследований в лабораторных условиях стандартными методами испытаний. Испытаниям подвергались образцы материалов сразу после их изготовления, а также после экспозиции их в течение двух лет в различных климатических зонах на открытом пространстве. Далее эта информация используется для оценки параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) и количественных значений критериев разрушения. Поскольку экспериментальные данные имеют некоторый разброс, получаемые с их использованием параметры НДС изделия и критерии разрушения также носят вероятностный характер. Предложенная и реализованная в работе концепция определения надежности изделий из полимерных материалов позволяет получать оценки их надежности, когда параметры внешних нагрузок также случайны и обладают известным разбросом. Более того, учет деградации свойств полимерной матрицы со временем (старение) позволяет оценивать изменение надежности конструкций во времени, т.е. их ресурс.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена оценке направления роста трещины в условиях смешанно-го нагружения (нормальный отрыв и поперечный сдвиг) в изотропном линейно-упругом материале с использованием двух подходов: с помощью обобщенных критериев классической континуальной механики разрушения и атомистического моделирования, выполненного с помощью метода молекулярной динамики в паке-те LAMMPS (Large-scale Molecular Massively Parallel Simulator). В рамках контину-альной классической линейной механики разрушения использовались два крите-рия: 1) критерий максимального тангенциального напряжения; 2) критерий мини-мума плотности упругой энергии деформации на примере пластины с одной центральной трещиной. В каждом критерии разрушения использовалось многопа-раметрическое представление поля напряжений у вершины трещины - полное асимптотическое разложение М. Уильямса, в котором удерживались высшие при-ближения. Получены углы направления роста трещины для параметра смешанно-сти нагружения, задающего вид нагружения в полном диапазоне смешанных форм деформирования. Выполнено компьютерное атомистическое моделирование про-цесса роста трещины в пакете LAMMPS для различных видов смешанного нагру-жения. Получены углы направления распространения трещины на примере пла-стины с центральной трещиной для различных значений параметра смешанности нагружения в широком диапазоне температур. Проведено сравнение углов распро-странения трещины, полученных с помощью двух подходов: подхода континуаль-ной механики разрушения и атомистического моделирования, базирующегося на
Бесплатно
Оценка напряженно-деформированного состояния вращающегося длинного цилиндра
Статья научная
Объект исследования – длинный полый цилиндр, находящийся в сложных условиях деформирования под действием собственного веса и вращения крутящим моментом. Исследуется напряженное состояние по сечению цилиндра и кривизна его продольной оси. В качестве основных допущений, принимаемых для решения рассматриваемой задачи, рассматриваются обычные для механики материалов и инженерных приближений гипотеза о линейности физических соотношений между напряжениями и деформациями (линейная теория упругости) и предположение о малых деформациях. Решение задачи строится на основе дифференциального уравнения упругого изгиба центральной оси цилиндра и основных соотношений между кривизной этой оси, приложенными нагрузками, деформациями и напряжениями по сечению цилиндра. Граничная задача для обыкновенного дифференциального уравнения четвертого порядка с соответствующими граничными условиями решается с помощью метода вариаций произвольных постоянных. Это позволило получить точное решение задачи изгиба длинного цилиндра, вращающегося вокруг продольной оси. Это позволило определить зависимость кривизны центральной оси цилиндра от продольной координаты и найти характер распределения напряжения по сечению цилиндра. Выполнена оценка вклада в напряженное состояние от каждого из факторов, действующих на рассмотренное изделие. Решение поставленной задачи позволило определить эквивалентное напряжение в периферийных слоях цилиндра как результат воздействия всех рассмотренных силовых факторов.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена разработке и реализации численно-экспериментального метода оценки компонент тензоров напряжений и деформаций на основе инфракрасной термографии в процессе деформирования металлов. Инфракрасная термография является бесконтактным методом визуализации и измерения температурных полей объектов на основе их инфракрасного излучения и используется как успешный метод неразрушающего контроля. В результате работы создан программный комплекс, позволяющий на основе сопоставления результатов решения краевой задачи и данных измерения изменения температуры образца, вызванных термоупругим эффектом, проводить оценку отдельных компонент тензоров напряжений и деформаций. Для верификации предложенной методики проведена серия экспериментов на квазистатическое растяжение образцов из конструкционной стали 8Х18Н10 и титанового сплава ВТ1-0 с концентраторами напряжений. В результате показано, что в отличие от аналогичных подходов (например, TSA-Thermal Stress Analysis) метод позволяет получить дополнительную информацию о напряжённо-деформируемом состоянии материала и провести более детальную оценку степени критичности состояния конструкции. Методика предлагаемого комплекса основана на экспериментальном измерении первого инварианта тензора напряжений с использованием техники инфракрасного сканирования и его последующим пересчетом для определения граничных условий для исследуемой области образца или конструкции, что позволит определить все компоненты тензора напряжений в любой точке исследуемой области на основе численного решения соответствующей краевой задачи. Особенностью разрабатываемого подхода является незначительные вычислительные затраты для определения компонент тензора напряжений, что позволяет применять данную методику при анализе широкого класса инженерных конструкций в режиме реального времени.
Бесплатно
Статья научная
Плунжерные насосы, используемые для нефтедобычи, изготавливаются из длинных полых биметаллических цилиндров. С целью повышения прочностных и иных физико-механических характеристик данные элементы конструкции подвергаются термомеханической обработке. В процессе таких воздействий в изделиях возникают остаточные напряжения, которые могут приводить к положительным, нежелательным и недопустимым изменениям геометрии. В настоящей работе рассмотрена задача выбора оптимальных режимов обработки. В связи с трудоёмкостью оценки остаточных напряжений во всём изделии было решено использовать небольшие кольца, являющиеся представительными для каждой конкретной трубы. Ввиду сложности или невозможности применения существующих методов предложена методика, которая позволяет оценить уровень остаточных напряжений. Для этого сформулирована и решена задача в рамках теории упругости. Получено аналитическое решение, которое позволяет находить уровень напряжений в зависимости от экспериментальных измерений при разрезании колец. Рассмотрено три различных материала - стали 38Х2МЮА, 15Х5М, 12Х18Н10Т. Исходя из условий эксплуатации, сформулировано четыре критерия оптимизации при термообработке: минимальный уровень остаточных напряжений в трубе; минимальная разница между напряжениями в обечайке и лейнере; минимальное изменение радиуса трубы после обработки; наибольшее значение адгезии между лейнером и обечайкой. Согласно введённым критериям, проведён анализ полученных результатов. Выявлены оптимальные режимы термомеханической обработки и отброшены недопустимые, которые приводят к нежелательным изменениям в изделиях. Для каждого исследуемого материала установлены необходимая степень деформации и температура постдеформационного нагрева. В результате даны рекомендации промышленному предприятию по производственному процессу.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены проблемы, возникающие при численной оценке предельной нагрузки сварного соединения высокопрочных сталей с незначительным упрочнением. На примере наплавки проволокой валика на пластину из высокопрочной стали смоделирован концентратор напряжений в узле перехода от наплавленного к основному металлу. Использование сварочной проволоки с пределом текучести меньшим, чем у основного металла, позволило смоделировать участки сварного соединения с неоднородными механическими свойствами. Изучена геометрия трех участков сварного соединения: металла сварного шва, зоны термического влияния (ЗТВ) и основного металла. Механические свойства всех трех участков определены расчетно-экспериментальным путем. Для этого предлагается считать материал во всех участках идеально упругопластическим, а предел текучести однозначно связать с твердостью в зоне индентирования (использован алмазный конус Роквелла). Расчеты процесса неупругого индентирования методом конечных элементов (МКЭ) в осесимметричной постановке позволили получить линейную связь твердости с пределом текучести с коэффициентом 0,418. Испытания при квазистатическом трехточечном изгибе (с растяжением в участке наплавки) проведены на образцах-балках, вырезанных перпендикулярно направлению наплавки. Получены диаграммы «усилие - прогиб», которые сравниваются с расчетными кривыми (МКЭ в трехмерной постановке с явным учетом сложной конфигурации всех участков и различных пределов текучести в участках, определенных по локальным значениям твердости). Расчетные и экспериментальные предельные нагрузки хорошо согласуются. Предлагаемая методика трехстадийного исследования (определение локальной твердости, пределов текучести в участках и предельной нагрузки) может эффективно использоваться для оценки предельных нагрузок сварных соединений ввиду малопараметричности предлагаемых моделей неупругого деформирования материалов в участках, для которых невозможно изготовление стандартных образцов для исследования механических свойств. Проведенное экспериментальное исследование влияния усиления шва с концентратором напряжений в виде угла в 90° на величину предельной нагрузки при изгибе показало, что снятие наплавленного металла не приводит к росту предельной нагрузки сварного соединения при использовании сварочной проволоки из малоуглеродистой высокопластичной стали.
Бесплатно
Оценка ресурсных характеристик жаропрочных сплавов при циклическом термомеханическом нагружении
Статья научная
Обсуждается проблема оценки прочности и ресурса ответственных инженерных объектов, эксплуатационные свойства которых характеризуются многопараметрическими нестационарными термомеханическими воздействиями. Рассмотрены основные деградационные механизмы конструкционных материалов (металлов и их сплавов), характерные для данных объектов. Сформулированы основные требования к математическим моделям накопления усталостных повреждений. Рассматриваются основные физические закономерности сложного термопластического деформирования и накопления усталостных повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах) при различных режимах комбинированного термомеханического нагружения и их основные отличия от изотермических усталостных процессов. С современных позиций механики повреждённой среды (МПС) развита математическая модель, описывающая процессы циклического термопластического деформирования и накопления усталостных повреждений в конструкционных сплавах при многоосных непропорциональных путях комбинированного термомеханического нагружения. Модель МПС состоит из трёх взаимосвязанных частей определяющих соотношений термопластичности с учётом их зависимости от процесса разрушения, эволюционных уравнений накопления усталостных повреждений и критерия прочности повреждённого материала. Показано,что при известных параметрах уравнений циклической термопластичности по одной экспериментальной точке на усталостной кривой определяются параметры эволюционных уравнений накопления повреждений, с помощью которых кривые малоцикловой усталости для различных сложных траекторий деформирования восстанавливаются с высокой точностью расчётным путём. Приводятся результаты численного моделирования циклического термопластического деформирования и накопления усталостных повреждений в жаропрочных сплавах (Haynes188) при комбинированном термомеханическом нагружении. Особое внимание уделяется вопросам моделирования процессов циклического термопластического деформирования и накопления усталостных повреждений для сложных процессов деформирования, сопровождающихся вращением главных площадок тензоров напряжений и деформаций.
Бесплатно
Оценка степени пластической деформации линейной части магистрального трубопровода
Статья научная
Анализ происшедших за последнее время аварий показал, что основными причинами, по которым произошли внезапные разрушения участков магистральных трубопроводов, это недоработки проектной и исполнительной документации, а также пластические деформации. В статье рассматривается возможность использования нечеткой логики для оценки пластической деформации линейной части магистрального трубопровода. В результате проведенных исследований было получено соотношение предельно допустимых значений напряжений линейной части магистрального трубопровода при пластической деформации при нечетких входных параметрах (в рассматриваемом случае - внутреннее давление).
Бесплатно
Оценка степени поврежденности углепластиковых композиционных материалов при ударном воздействии
Статья научная
В работе представлены результаты экспериментального исследования изменения остаточных механических свойств образцов углепластиковых композитов различной структуры в условиях комбинированных ударных и статических воздействий. Данное исследование ставило целью получение новых экспериментальных данных о процессах деформирования и разрушения образцов углепластиковых композиционных материалов в условиях воздействия ударных и статических нагрузок, а также разработку методики анализа степени поврежденности и терпимости к повреждениям после ударных нагрузок при использовании различных вариантов неразрушающего контроля. Для исследования было выбрано восемь типов структур армирования. Экспериментальная часть выполнена на базе Центра экспериментальной механики ПНИПУ с использованием испытательных систем с падающим грузом Instron CEAST 9350 и электромеханической - Instron 5982. Методика испытаний основывалась на стандартах ASTM D7136 и D7137 - удар и сжатие после удара. После ударных воздействий измерялись глубина вмятин и с помощью неразрушающего контроля методом шерографии - размер несплошности образцов. Терпимость к повреждениям оценивалась с помощью введенной величины степени поврежденности после удара. Представлена процедура расчета работы разрушения в процессе ударного воздействия. Дана оценка перспективности использования введенных значений для проектирования и изготовления изделий из углепластиковых композиционных материалов с разной структурой армирования. Процесс ударного низкоскоростного воздействия отражен на диаграммах зависимости силы от перемещений при различных уровнях воздействий. Результаты испытаний представлены в виде диаграмм максимальной разрушающей нагрузки при сжатии, описывающих изменение остаточных механических свойств после ударного воздействия. Отмечены особенности использования прямых и косвенных методик оценки эксплуатационных характеристик поврежденных образцов. Проанализировано влияние ударного воздействия на характер разрушения и деформационные свойства образцов углепластиковых композиционных материалов.
Бесплатно
Оценка точности измерений с использованием видеосистемы анализа полей перемещений и деформаций
Статья научная
В работе представлены результаты испытаний по оценке точности измерений, проводимых оптической системой анализа полей перемещений и деформаций при одновременном использовании навесного осевого датчика деформации. Показана высокая эффективность применения метода корреляции цифровых изображений для изучения поведения материалов на стадиях неупругого деформирования при возникновении неоднородных полей деформаций, а также волн локализованной пластической деформации.
Бесплатно
Статья научная
Опыт эксплуатации разнообразных элементов конструкций показывает, что условия циклического нагружения и виды напряженного состояния зачастую отличаются от условий лабораторных испытаний, таких как одноосное растяжение-сжатие, изгиб или кручение. Как правило, в эксплуатации конструкционные элементы подвержены сложным (многоосным) напряженным состояниям, поэтому для оценки долговечности реальных элементов необходимо использовать многоосные усталостные критерии. Современные многоосные критерии позволяют оценить количество циклов до разрушения образца или конструкционного элемента (усталостная долговечность) с учетом ориентации так называемой критической плоскости развития усталостных повреждений. Получены аналитические решения для определения ориентации критической плоскости при циклическом нагружении с использованием современного усталостного критерия для многоосных напряженных состояний. Рассмотрено циклическое нагружение с произвольным сдвигом фаз для классического диапазона усталости (малоцикловая и многоцикловая усталость). Исследованы случаи трехосного циклического нагружения «растяжение-сжатие» и циклического нагружения, часто используемого при усталостных испытаниях, «кручение с изгибом». Показано, что при определенных значениях сдвига фаз усталостная долговечность может принимать очень низкие значения даже в тех случаях, когда синфазное нагружение вообще не приводит к усталостному разрушению. Проведено сравнение исследуемого критерия с экспериментальными данными и численными расчетами, выполненными с использованием иного критерия. Рассмотрен диск компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, подверженный циклическому воздействию центробежных нагрузок. Путем распределения напряжений, рассчитанного приближенным численно-аналитическим методом, а также распределения напряжений, рассчитанного методом конечных элементов, определены зоны наибольшей концентрации напряжений, ориентация критической плоскости в зонах концентрации и на этой основе оценена долговечность эксплуатации такого диска с использованием многоосного критерия усталостного разрушения.
Бесплатно
Параметры процесса механической обработки с учетом температурных режимов
Статья научная
В работе рассмотрены основные процессы механической обработки и их влияние на прочность цилиндрических изделий, рассчитаны температурные режимы при резании труб, параметры процесса резания выбраны с учетом величины и знака температурных остаточных напряжений. Под механической обработкой понимают различные виды резания: точение, сверление, фрезерование, шлифование, хонингование, полирование. В связи с этим показано, как процессы механической обработки влияют на качество трубных изделий. Целью обработки резанием является придание деталям желаемой формы. Также рассмотрены параметры процесса резания, выбранные с учетом величины и знака температурных остаточных напряжений. Остаточные напряжения при резании металлов образуются в результате неравномерности пластической деформации и значительного нагрева поверхностных слоев. Решая задачу термоупругости, можно определить напряжения, возникающие при нагреве. Исходя из условия не наступления пластических деформаций на поверхности детали после прохождения инструмента можно оптимизировать параметры резания при обработке различных осесимметричных металлоизделий. Таким образом, зная соотношения между этими параметрами, а также механические свойства материала заготовки и геометрию, можно оценить величину интенсивности напряжений в зависимости от начальной температуры и параметров резания при обработке трубы. Далее, на основе полученных результатов построены соотношения и зависимости важнейших параметров резания для трубных изделий из различных материалов и представлены предельные соотношения параметров механической обработки трубы. В работе предложена методика определения предельных соотношений параметров процесса резания для осесимметричных изделий с учетом температурного разогрева поверхности за счет трения при обточке. Методика позволяет определять напряжения на поверхности заготовки и рационально подбирать параметры процесса в зависимости от геометрии детали и обрабатываемого материала.
Бесплатно
