Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1033
Статья научная
Описан ряд задач, посвященных развитию метода корреляции цифровых изображений, как с позиции разработки и тестирования аппаратно-программных средств, так и решения проблем в области механики усталостного разрушения. Проведено тестирование разработанной компьютерной системы стереозрения на сериях стереопар, отражающих изменение положения объекта в пространстве, а также плоскостные и внеплоскостные деформации. Показано, что ошибка определения пространственных координат не превышает 0,75 единиц, а ошибка вычисления компонент тензора деформации в случае системы с одной камерой на два порядка больше, чем при использовании системы стереозрения. Предложен и протестирован алгоритм автоматического детектирования трещины на оптических изображениях и определения координат ее вершины. Показано, что при размере кадра 2000×1000 элементов он позволяет определить координаты вершины трещины со средней ошибкой порядка 56 пикселов, а средняя ошибка определения площади трещины не превышает 1,93 %. Предложен модифицированный инкрементальный алгоритм определения перемещений на серии стереопар, который позволяет оценивать перемещения большой величины при последовательной обработке изображений. Развит алгоритм измерения J -интеграла с использованием метода корреляции цифровых изображений. Показано, что отклонение рассчитываемых значений J -интеграла от модельных составляет в среднем 1,75 %. Проведена количественная характеризация процесса роста усталостной трещины в металлических сплавах с помощью методики, основанной на методе корреляции цифровых изображений (в терминах механики разрушения), включающей расчет скорости роста усталостной трещины da / dN ; максимального значения деформации (εmax) и эффективной асимметрии цикла ( R eff). При испытании алюминиевого сплава Д16АТ показано, что в режиме Пэриса при единичной перегрузке минимальная скорость роста трещины достигается при ее удлинении на 30 % от размера пластической зоны, сформированной циклом перегрузки, и вызвана закрытием трещины, увеличивающим эффективную асимметрию цикла до R eff = 0,32.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты экспериментальных исследований по оценке работоспособности бесконтактной оптической видеосистемы Vic-3D и метода корреляции цифровых изображений при испытаниях на растяжение композитов в условиях нормальной и повышенных температур. Проанализированы зависимости регистрируемых значений деформации двумя независимыми методами измерений: метод корреляции цифровых изображений (КЦИ) и навесной экстензометр. Испытания проводились в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5882, в состав которой входит термокамера с рабочим диапазоном температур от -100° до +350 °С. Исследовались образцы композиционного материала, изготовленного из стеклотекстолита СТЭФ и углепластика. Испытания на растяжение проводились при температурах 22°, 100°, 120°, 200° и 300 °С. Предложены рекомендации по проведению температурных испытаний с использованием метода КЦИ. По результатам испытаний построены диаграммы деформирования. Получены поля и эпюры продольных деформаций при разных уровнях температур. Проведена подробная оценка мелкодисперсного покрытия, необходимого для реализации метода КЦИ при температурных испытаниях.
Бесплатно
Развитие повреждений при сверхмногоцикловой усталости
Статья научная
В работе дается описание метода испытаний металлических материалов с использованием пьезоэлектрических нагружающих элементов в области сверхмногоцикловой усталости (СВМУ). Обсуждается схема и устройство высокочастотной усталостной установки. Для проведения экспериментов рассчитывается первая мода резонансных продольных колебаний, соответствующих собственным частотам цилиндрического корсетного образца. Приводятся результаты некоторых экспериментов по сверхмногоцикловому усталостному разрушению образцов титанового сплава ВТ3-1 при различных коэффициентах асимметрии цикла. Проведено математическое моделирование процесса развития усталостных повреждений в области СВМУ. Для этого используется бимодальное представление усталостной кривой. Это представление содержит две ветви: левая ветвь соответствует классическим режимам малоцикловой и многоцикловой усталости, а правая ветвь описывает режим сверхмногоцикловой усталости. На этой основе построена кинетическая модель, ассоциированная с известным критерием многоосного усталостного разрушения SWT, в котором заложен механизм, связанный с развитием микротрещин нормального отрыва. Данную кинетическую модель развития повреждаемости можно использовать для расчета различных режимов усталостного разрушения - от малоцикловой до сверхмногоцикловой усталости. На основе этой модели разработан численный метод решения эволюционного уравнения для функции повреждаемости. Усталостное разрушение материала в данной модели связано с деградацией его модулей упругости по мере роста функции повреждаемости. Проведены расчеты развития трещиноподобных зон усталостного разрушения титановых корсетных образцов при различных коэффициентах асимметрии циклического нагружения, использованных при испытаниях на пьезоэлектрической установке. Для проверки работоспособности модели проведено сравнение экспериментальных и расчетных усталостных кривых в области СВМУ.
Бесплатно
Развитие трещин в роторной стали Р2М при повышенной температуре
Статья научная
Проведено комплексное расчетно-экспериментальное исследование скорости развития трещин при взаимодействии усталости и ползучести на компактных образцах из стали Р2М при температуре 550°C. Теоретическая часть исследования состояла в формулировке параметров сопротивления разрушению через классические и новые конституционные уравнения состояния среды с учетом накопления повреждений. Численные расчеты включали определение полей параметров напряженно-деформированного состояния для условий упругости, пластичности и ползучести, а также распределений нелинейных коэффициентов интенсивности напряжений и С*-интеграла по длине и фронту трещины для каждого испытанного компактного образца. Интерпретация экспериментальных результатов для одинаковых по форме в плане, но различной толщины образцов, дана в терминах упругих и нелинейных коэффициентов интенсивности напряжений с учетом накопления повреждений при ползучести. Получено, что скорость роста трещины при совместном действии усталости и ползучести по мере увеличения размеров трещины монотонно возрастает по сравнению с гармонической усталостью на порядок и более на образцах одинаковой геометрии. Учет поврежденности через коэффициенты интенсивности напряжений ползучести обусловливает различия в диаграммах циклического разрушения. Суперпозиция вкладов усталости и ползучести в терминах времени выдержки под нагрузкой показывает увеличение суммарной скорости роста трещины на порядок по сравнению с интерпретацией экспериментальных данных в терминах чистой ползучести.
Бесплатно
Развитие трещины в имитационной модели диска турбины ГТД при эксплуатационных условиях нагружения
Статья научная
Представлены результаты экспериментальных исследований развития поверхностных трещин в имитационной модели диска турбины газотурбинного двигателя (ГТД) при циклическом растяжении в условиях нормальных и повышенных температур. Проведено обоснование геометрии имитационной модели, воспроизводящей концентратор напряжений в виде крепежного отверстия под стяжной болт в диске турбины ГТД. С целью обеспечения подобия начальной поврежденности имитационной модели и полноразмерного диска турбины в плоскости симметрии концентратора напряжения выполнен несквозной надрез полуэллиптической формы от контура отверстия по направлению к центру диска. Условия нагружения имитационной модели подобраны по результатам сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) в зоне отверстия для имитационной модели и крепежного отверстия полноразмерного диска турбомашины. В результате испытаний имитационной модели при комнатной и повышенной температурах получены экспериментальные зависимости положения фронтов развивающейся трещины от значений разности потенциалов на берегах трещины. Установленные положения и размеры фронтов трещины положены в основу численного расчета параметров сопротивления разрушению. В порядке численных исследований рассмотрены 10 трехмерных конечно-элементных расчетных схем с различными положениями и размерами фронтов трещины. Результаты численных расчетов на основе метода конечных элементов (МКЭ) были использованы для определения распределений упругих коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) вдоль каждого фронта трещины. Для условий нормальных и повышенных температур экспериментально получены характеристики скорости роста трещины как на свободной поверхности, так и в наиболее глубокой точке фронта. Предложена методика автоматизации проведения испытаний, моделирующих длительное пребывание материала диска под нагрузкой при повышенных температурах.
Бесплатно
Статья научная
Сформулирована новая кинематическая гипотеза, а также некоторые различные представления тензоров Коши-Грина и линейных деформаций и их компоненты в теории новых оболочек.
Бесплатно
Статья научная
Многие элементы конструкций в реальных эксплуатационных условиях функционируют за пределом упругости, в условиях пластического течения и ползучести и подвергаются периодическому термомеханическому нагружению. В настоящее время активно развиваются инкрементальные (пошаговые) и прямые методы определения стабилизированного состояния таких систем. Известно, что для конструкций, подверженных действию периодического нагружения, реализуются три различных типа асимптотического поведения: приспособляемость, когда конструкция ведет себя упругим образом после большого числа циклов нагружения; циклическая пластичность, когда реализуется пластическая деформация разных знаков; рэтчетинг - явление накопления пластических деформаций с течением времени, ведущих к разрушению конструкции. В настоящей работе в многофункциональном конечно-элементном пакете SIMULIA Abaqus выполнено пошаговое циклическое нагружение образца с концентратором напряжений. В качестве которого рассматривалась упругопластическая пластина с центральным эллиптическим отверстием, подверженная действию двухосного нагружения. Нагружение по одной из осей являлось периодическим. Проведены расчеты для нескольких материалов, различных по своим механическим свойствам. В статье представлены результаты и обобщения расчетов определения асимптотического поведения конструкции, приведены найденные в процессе исследований диапазоны нагрузок, при которых реализуются режимы приспособляемости, циклической пластичности и рэтчетинга. Выполнен анализ полученных расчетов и показано, что посредством выбора удобной нормировки результатов вычислений расчеты для различных материалов укладываются на единую кривую, что позволяет существенно сократить объем вычислений.
Бесплатно
Различные формы записи уравнений движения и граничных условий новой теории оболочек
Статья научная
В работе представлены различные формы записи уравнений движения и граничных условий новой теории оболочек.
Бесплатно
Разложение конечной упругопластической деформации на упругую и пластическую составляющие
Статья научная
Учредительные уравнения упругопластического материала с регрессивным режимом Прандтля! находится на рассмотрении. Используются различные методы разложения эластопластических деформаций и пластиковых деталей. Представлены термодинамический анализ конститутивных уравнений и прямые расчеты упругих и пластических деформаций для разных разложений.
Бесплатно
Разработка метода определения сварочных напряжений по цветам побежалости
Статья научная
Предложен метод неразрушающего определения максимальных остаточных напряжений в сварном соединении по распределению цветов побежалости после остывания шва. На одномерной модели построено решение обратной задачи теплопроводности при охлаждении шва после стыковой сварки стальных пластин, исходя из расположения изотерм на лицевой и обратной сторонах пластин, выраженных характерной - синей полосой побежалости. Это решение использовано для нахождения поперечных остаточных напряжений. Обсуждена возможность определения продольных напряжений в шве и околошовной зоне при найденных поперечных напряжениях и базе данных о соотношениях между продольными и поперечными напряжениями, полученных методом высверливания зондирующего отверстия.
Бесплатно
Разработка метода оценки предела выносливости материала по данным инфракрасной термографии
Статья научная
Представлены результаты экспериментального исследования процессов диссипации энергии при квазистатическом нагружении титанового сплава ВТ6 с использованием данных инфракрасной термографии. Методика инфракрасного сканирования, изначально эффективно развивающаяся как метод неразрушающего контроля, основана на измерении интенсивности электромагнитного излучения материала в инфракрасном диапазоне длин волн. Инфракрасная термография позволяет регистрировать изменение температуры поверхности образца, рассчитывать мощность внутренних источников диссипации энергии и разрабатывать методики оценки перехода материала в критическое состояние. В данной работе на основе метода инфракрасной термографии было показано, что отклонение от линейной зависимости температуры от напряжения, соответствующего классической теории термоупругости, наблюдается при напряжениях существенно ниже предела пропорциональности материала. На основании полученных данных была предложена методика определения порога диссипации энергии при квазистатическом деформировании и высказано предположение о связи этого напряжения с пределом усталости материала. Предел усталости, рассчитанный по данным инфракрасной термографии при квазистатическом нагружении образцов, сравнивался со справочным значением предела усталости, полученным из циклических испытаний. Было показано, что предлагаемый метод с достаточной точностью может использоваться для оценки предела усталости материала по данным температурного поля поверхности образца при квазистатических испытаниях. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что достигнутая в настоящее время точность измерения температуры делает возможной регистрацию диссипации тепла, вызванную процессами микропластичности и, как следствие, позволяет разрабатывать новые методы прогнозирования поведения материала при длительных (циклических) воздействиях.
Бесплатно
Статья научная
Использование волоконно-оптических датчиков (ВОД) является актуальным направлением развития различных областей науки и техники. Применение ВОД с чувствительным элементом (брэгговской решеткой) имеет ряд преимуществ перед стандартными датчиками деформации, температуры, углов наклона. В горнодобывающей промышленности ВОД, как правило, используются для мониторинга температур в процессе возведения ледопородного ограждения, для анализа возникновения изгибов при проходке шахтных стволов или при забивании свай. Авторский коллектив имеет опыт использования оптоволоконных датчиков для контроля масштабных горнотехнических объектов. Как известно, процесс оттаивания и замораживания пористых сред сопровождается эффектами массо- и теплопереноса, формированием криогенных течений, изменением напряженно-деформированного состояния среды. Поэтому актуальным является вопрос разработки лабораторной оптоволоконной системы мониторинга, позволяющей регистрировать температурные и деформационные особенности фазового перехода в пористой среде. В статье представлена разработка системы анализа напряженно-деформированного состояния насыщенного влагой пористого грунта в процессе возникновения и движения фазового перехода «вода-лед». Для формирования образца с размещенной в нем волоконно-оптической системой используется разработанная пластиковая форма, изготовленная методом 3D-печати. Для анализа кинетических параметров фазового перехода и напряженно-деформированного состояния грунта используются волконно-оптические датчики температуры и деформации. В работе рассматриваются методы компенсации температурных деформаций, влияющих на показания датчиков механической деформации породы и деформационного влияния на датчики температуры. Рассматриваются методы создания системы с продвигающимся фазовым переходом для анализа кинетических особенностей системы «вода-лед/лед-вода». Исследуются особенности фазового перехода в пористой влагонасыщенной среде.
Бесплатно
Разработка способа обрыва рабочей лопатки компрессора высокого давления на заданной частоте вращения
Статья научная
Проектирование газотурбинных двигателей неразрывно связано с большим объемом работ по численному моделированию. С помощью численного моделирования возможно спрогнозировать поведение детали при работе двигателя на различных режимах. Кроме этого при моделировании возможно спрогнозировать режимы, расчетную нагрузку, условия для проведения инженерных испытаний. В данной работе представлен подход к моделированию инженерного испытания по обрыву рабочей лопатки (РЛ) компрессора высокого давления (КВД) для подтверждения непробиваемости корпуса. Расчетным путем определяется величина подрезки РЛ КВД для обрыва на заданной частоте вращения ротора. Предложенный подход к осуществлению обрыва лопатки на заданной частоте вращения ротора заключается в одновременной реализации двух факторов: 1) прочностным расчетом подрезки с использованием локальных критериев прочности обеспечивается работа лопатки близко к предельному состоянию; 2) расчетно-экспериментальные работы по определению резонанса позволяют увеличить переменную составляющую напряжений на расчетном режиме. По расчетному полю напряжения также можно оценить направление распространения трещины.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается заполненное линейно-упругой средой Коссера пространство со сферической полостью при заданных нестационарных антисимметричных поверхностных возмущениях, под которыми понимается соответствующий аналог классических антиплоских деформаций. Движение среды описывается системой из трех уравнений относительно ненулевых компонент вектора перемещения и потенциалов поля вращения, записанной в сферической системе координат с началом в ее центре полости. Начальные условия полагаются нулевыми. Для решения задачи используются разложения искомых функций в ряды по полиномам Лежандра и Гегенбауэра, а также преобразование Лапласа по времени. В результате задача сводится к независимым системам обыкновенных дифференциальных уравнений с оператором Лапласа относительно коэффициентов рядов. Формулируется утверждение о структуре общего решения этой системы. Изображения коэффициентов рядов представлены в виде линейных комбинаций граничных условий с коэффициентами - трансформантами поверхностных функций влияния, в явные формулы для которых входят функции Бесселя полуцелого индекса. В силу сложности этих выражений для определения оригиналов в линейном приближении используется метод малого параметра, в качестве которого принимается коэффициент, характеризующий связь полей перемещений и поворотов. Затем с учетом связи функций Бесселя с элементарными функциями изображения записываются в виде линейных комбинаций экспонент с коэффициентами - рациональными функциями параметра преобразования. Дальнейшая процедура обращения преобразования Лапласа проводится с использованием вычетов. Показано, что имеются три волновых фронта, соответствующие модифицированной с учетом свободного вращения волне сдвига и двум волнам вращения. Представлены примеры расчетов для зернистого композита из алюминиевой дроби в эпоксидной матрице.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается цилиндрическая сегментированная оболочка - баллон давления, изготовленный намоткой из однонаправленного ровинга. Оболочка имеет разную толщину и схему армирования по сегментам и металлические закладные элементы на переднем и заднем торцах оболочки для крепления крышек. Ставится задача расчета напряженно-деформированного состояния и оценки прочности оболочки при нагружении внутренним давлением. Для решения задачи разработана двухуровневая численная математическая модель оболочки. На первом уровне оболочка моделируется с использованием эффективных характеристик композиционного материала по сегментам. На втором уровне моделируется деформирование отдельных сегментов оболочки - передних и задних узлов стыка с металлическими закладными элементами и штифто-шпилечным соединением с явным описанием схемы армирования сегмента. Граничные условия для задачи деформирования сегмента определяются в результате расчета НДС оболочки по модели первого уровня. Проведено сравнение разработанной модели с результатами стендовых испытаний оболочки на действие внутреннего давления. По результатам решения задачи для сегментов оболочки выполнен анализ межслойных напряжений в зоне контакта композитная оболочка - металлический закладной и получены оценки прочности конструкции.
Бесплатно
Расчет больших упругопластических деформаций трехмерных тел МКЭ
Статья научная
Работа посвящена построению методики исследования напряженно-деформированного состояния упругопластических тел с учетом больших перемещений, поворотов и конечных деформаций. Основная идея состоит в использовании метода пошагового нагружения в рамках комбинированного лагранжево-эйлерового описания деформации среды. Напряженное состояние описывается тензором истинных напряжений Коши - Эйлера, а скорость его изменения - производной Яуманна. Условием пластического течения служит критерий пластичности Губера - Мизеса.
Бесплатно
Расчет гидратонасыщенности по данным измерений хлоридности в морских донных отложениях
Статья научная
Местные измерения солености воды в глубоководных отложениях (которая может быть непосредственно определена из удельной электропроводности) являются основным практическим источником информации о мощности морских депозитов гидрата метана. В работе демонстрируется, что соотношение между профилем солености и объемом гидрата в порах существенно зависит от нефиковских вкладов в диффузионный поток – термодиффузии и гравитационной сегрегации, – которые в литературе по данной проблеме и в анализе данных широкомасштабных программ разведки донных отложений не отражены.
Бесплатно
Расчет и проектирование гибридных деревянных брусьев
Статья научная
Рассмотрена проблема определения напряженно-деформированного состояния и проектирования гибридных деревянных брусьев. В общем случае брус представляет собой стержень, состоящий из нескольких слоев. Количество слоев принципиально не ограничено. Каждый слой может быть выполнен из различных материалов. Геометрия поперечного сечения слоя изменяется в широких пределах. Поперечное сечение стержня может быть как постоянным, так и переменным по длине. Стержень испытывает прямой поперечный изгиб с растяжением-сжатием. Учитывается физическая нелинейность, а также разная сопротивляемость материала растяжению и сжатию. Деформации и перемещения стержня считаются малыми величинами, что позволяет записывать уравнения равновесия для недеформированного состояния. Принимается справедливой теория плоских сечений Бернулли и упрощенное выражение кривизны плоской кривой. Определение напряженно-деформированного состояния стержня сводится к решению системы из двух нелинейных алгебраических уравнений третьей степени. Для ее решения нагрузка разбивается на ряд шагов в соответствии с историей нагружения, что позволяет провести линеаризацию системы разрешающих уравнений. Большое внимание уделено проектированию гибридных брусьев. Рассматривается как параметрическое, так и функциональное проектирование. Выполненные примеры расчета позволили показать, что использование критерия равнопрочности в совокупности с принципами гибридного проектирования (когда конструкция создается путем рационального сочетания материалов с различными механическими свойствами) позволяет значительно снизить вес конструкции и стоимость затраченного материала. Также показано сильное влияние разной сопротивляемости материала на получаемые при проектировании поперечные размеры брусьев. Продемонстрирована возможность возникновения скрытых механизмов разрушения, когда предельное состояние достигается во внутренних слоях бруса.
Бесплатно
Расчет каркасных деревянных конструкций с применением МКЭ
Статья научная
Рассматриваются особенности численного расчета НДС каркасных деревянных строений с использованием метода конечных элементов. Приводится математическая постановка задачи МДТТ о статическом деформировании стержневых элементов и пластин каркасной конструкции. Даются рекомендации по учету сложных физико-механических свойств древесины, реализации численного счета в пакете ANSYS.
Бесплатно
Расчет коэффициента теплопроводности нанокристаллов
Статья научная
Методы математического моделирования являются мощными инструментами при проектировании различного типа наносистем и анализа протекающих в них процессов. Отметим, что главными задачами математического моделирования в наномасштабных системах являются: формирование наноэлементов, взаимодействие отдельных элементов наносистемы, определение структуры изолированной наносистемы в динамических состояниях, расчет параметров наносистемы при взаимодействии с окружающей средой, расчет макропараметров наносистемы. Данной работой мы продолжаем последовательное изложение теоретических основ, методов моделирования и результатов расчетов макрохарактеристик наносистем, основанных на работах по моделированию процессов формирования и структуры различных наносистем. В данной работе приводятся физические основы, а также численные методики расчета коэффициента теплопроводности однородных наносистем. Компьютерное моделирование расчета коэффициента теплопроводности нанокристаллов на основе кремния методом молекулярной динамики было проведено в программном комплексе LAMMPS. Рассмотрены уравнения, описывающие многочастичные потенциалы MEAM. Решение задачи определения коэффициента теплопроводности было осуществлено в несколько этапов. В молекулярно-динамических расчетах величину коэффициента теплопроводности можно вычислить различными способами. В данной работе используется формализм Грина - Кубо (Green - Kubo), который связывает автокорреляционную функцию теплового потока с коэффициентом теплопроводности. Определены температурные зависимости коэффициента теплопроводности для материалов на основе кремния. Выполнены расчеты теплофизических характеристик однородных наносистем на основе кремния. Представлены кривые температурной зависимости коэффициента теплопроводности для систем различной размерности. Проведено сравнение данных, полученных с использованием потенциалов MEAM с экспериментальными данными. Выявлено, что характер кривых и значения, полученные при моделировании, хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Бесплатно
