Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics
Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1101
Статья научная
Несмотря на длительную историю исследований и большое число публикаций, в настоящее время отсутствуют методы оценки и расчета остаточного ресурса элементов конструкций при их многоцикловой усталости, которые удовлетворяли бы требованиям инженерной практики. В связи с этим возрастает роль физических методов, позволяющих регистрировать особенности накопления локальных усталостных повреждений без остановки эксплуатации или испытания различных объектов на усталость. В статье для изучения зарождения усталостной трещины использованы два лазерных метода. Ранее, после испытания на многоцикловую усталость полированного стального образца с надрезом типа Шарпи, были обнаружены две зоны разных размеров с разной шероховатостью, расположенные вблизи надреза. Первая зона размером 50´100 мкм располагалась непосредственно на вершине надреза. Она состояла из неоднородностей диаметром до 10 мкм и высотой порядка 100 нм. В центре зоны была обнаружена макротрещина. Вторая зона диаметром 500-700 мкм имела вид ямки (утяжки) глубиной порядка 1 мкм. Ее центр располагался на расстоянии 250-300 мкм от вершины надреза. Целью работы являлись определение состава неоднородностей в малой зоне и последовательности возникновения двух зон. Методом микроскопии комбинационного рассеяния света показано, что неоднородности являются кусочками карбида железа. Особенности изменения спекловых изображений показали, что формирование двух зон начинается практически одновременно. После зарождения макротрещины длиной около 100 мкм начинает формироваться новая зона пластичности на ее вершине. Обсуждаются возможные механизмы формирования двух зон. Рассматриваются недостатки спеклового метода и направления дальнейших исследований.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена экспериментальному изучению механизмов накопления повреждений в функциональных керамических покрытиях с применением метода акустической эмиссии. Исследование и описание эволюции разрушения функционального покрытия в дальнейшем дает возможность определения момента нарушения работоспособности данного материала в условиях эксплуатации. Проводились механические испытания на одноосное квазистатическое растяжение стальных образцов и стальных образцов с нанесенным на них керамическим покрытием на универсальной электромеханической системе Instron 5989 при комнатной температуре. В ходе эксперимента осуществлялась непрерывная регистрация сигналов акустической эмиссии с помощью системы AMSY-6 и широкополосных датчиков АЕ144А с частотным диапазоном 100-500 кГц. В качестве дополнительного метода фиксации момента разрушения керамического покрытия была использована система для регистрации неоднородных полей перемещений и деформаций, основанная на методе корреляций цифровых изображений. В процессе испытаний осуществлялась синхронизация акустико-эмиссионной системы, оптической системы и испытательной машины. Зарегистрированные сигналы акустической эмиссии подвергались предварительной фильтрации по пороговому значению и фильтрации с использованием полосового цифрового фильтра. Благодаря возможности записи диаграмм формы волны, при помощи быстрого преобразования Фурье извлечены значения частот спектрального максимума. На базе полученных данных построены диаграммы зависимостей параметров акустической эмиссии (пиковые значения амплитуд, значения частот спектрального максимума, энергетический параметр) от времени для всех образцов. Проведен сравнительный анализ распределений амплитуд и частот спектрального максимума для образцов с покрытием и без покрытия, вследствие чего предложены диапазоны значений параметров сигналов акустической эмиссии, которые характеризуют процесс накопления повреждений и разрушения керамического покрытия. Таким образом, во время проведения данных работ была реализована методика оценки поведения функционального покрытия, нанесенного на материал, показана эффективность применения метода акустической эмиссии для решения данной задачи.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается проблема решения многооператорной задачи линейной теории вязкоупругости применительно к проблеме прогнозирования эффективных термовязкоупругих характеристик однонаправленного композиционного материала с вязкоупругими компонентами. Применяется приближенный метод квазиконстантных операторов с частичными аппроксимациями. Использование частичных аппроксимаций в методе квазиконстантных операторов позволяет уменьшить погрешность метода, вносимую оператором с большим показателем квазиконстантности. По результатам расчетов показано, что однонаправленный органопластик проявляет термореологически простое поведение в отношении каждой отдельной компоненты тензора эффективных характеристик, при этом функция температурно-временной редукции для обобщенной функции продольной релаксации органопластика практически совпадает с функцией для органических волокон, а функции температурно-временной редукции для остальных обобщенных характеристик практически совпадают с функцией связующего.
Бесплатно
Статья научная
Разработана методика расчета многослойных балок с применением метода конечных элементов в сочетании с методом контактного слоя. Контактный слой представляет собой упругую анизотропную среду, состоящую из жестких коротких стержней, работающих только на растяжение - сжатие в вертикальном направлении и сдвиг. Контактные слои моделируют связи, посредством которых между собой взаимодействуют слои многослойных балок. Для определения напряженно-деформированного состояния балка представляется как совокупность балочных конечных элементов каждого слоя, соединенных конечными элементами контактных слоев. В качестве балочных элементов используются видоизмененные конечные элементы, у которых в качестве степеней свободы в узле выступают горизонтальные перемещения по верхней и нижней кромке, а также прогиб. Представлен пример расчета шарнирно опертой по концам трехслойной балки под действием равномерно распределенной нагрузки. Крайние слои балки выполнены из углепластика, а средний слой - из синтактика на основе стеклосфер. Расчет выполняется с учетом и без учета деформаций поперечного сдвига слоев. Разбиение балки по длине на конечные элементы принимается неравномерное со сгущением в приопорной зоне для возможности уловить краевые эффекты. Решение программно реализовано в среде MATLAB. В результате расчета установлено, что существует диапазон изменения, в котором жесткость контактных слоев не оказывает заметного влияния на прогибы конструкции. Для рассмотренного примера выявлено существенное различие в величинах максимальных перемещений, а также в характере эпюр изгибающих моментов и поперечных сил в крайних слоях при расчете с учетом и без учета деформаций поперечного сдвига. В то же время деформации поперечного сдвига не оказывают заметного влияния на напряжения в контактных слоях.
Бесплатно
Применение метода плоского бимформинга к идентификации вращающихся звуковых мод
Статья научная
Геометрические и механические параметры многослойных панелей, используемых как звукопоглощающие конструкции в каналах авиационного двигателя, определяются требованиями к акустическому импедансу этих конструкций. Данные требования формулируются на основе анализа распространения звуковых мод в каналах, в частности в канале воздухозаборника. Как следствие, знание модального состава звукового поля в канале воздухозаборника авиационного двигателя является необходимым при выборе геометрических и механических параметров (толщина слоев, размер и форма ячеек, процент перфорации, материал конструкций и заполнителя, тип клея и т.д.) звукопоглощающих конструкций. Экспериментальное определение модального состава может производиться с помощью микрофонной решетки, установленной внутри канала или вне него. В данной работе для измерения вращающихся звуковых мод применялась плоская решетка микрофонов, расположенная вне канала воздухозаборника, а полученные данные обрабатывались с помощью метода бимформинга. Вращающиеся моды создавались на специально разработанном генераторе мод на основе воздухозаборника авиационного двигателя ПС-90; звук создавался с помощью 34 акустических драйверов JBL 2451H, расположенных по окружности в основании установки. При проведении испытаний поток отсутствовал. Эксперименты были выполнены в новой заглушенной камере лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа Пермского национального исследовательского политехнического университета. Результаты испытаний показали, что метод плоского бимформинга локализует вращающуюся звуковую моду в точке, положение которой зависит от номера моды (это явление во многом аналогично результатам применения метода плоского бимформинга к шуму винта или открытого ротора). Был сделан вывод, что измерения вращающихся мод, излучаемых из воздухозаборника, с помощью метода бимформинга в принципе позволяют определить модальный состав шума в канале, но практическая реализуемость этого метода для натурного авиационного двигателя требует специального исследования. Факт локализации вращающейся моды в точке необходимо учитывать при анализе источников шума авиационного двигателя, измеренных с помощью метода бимформинга.
Бесплатно
Статья научная
Оптимальной формой хранения водорода с точки зрения эффективности и безопасности являются гидриды металлов. Среди перспективных материалов для реализации такого подхода особого внимания заслуживают магний и сплавы на его основе, которые способны обратимо поглощать водород в количестве, удовлетворяющем требованию DOE. Подготовка материалов для насыщения водородом сводится к измельчению его структуры путем интенсивной пластической деформации, что позволяет значительно улучшить кинетику реакции за счет увеличения удельной доли поверхностей раздела в образце. Для магниевых сплавов повышения сорбционных характеристик можно достичь, используя равноканальное угловое прессование (РКУП). В ходе операции РКУП происходит изменение микроструктуры, которое сопровождается образованием ярко выраженной текстуры. Оптимизация свойств материала в процессе операции РКУП заключается в следующем: формирование ультрамелкозернистой структуры с большим количеством большеугловых границ зерен (именно в этом случае качественно изменяются свойства материалов), обеспечение однородности свойств по всему объему образца, что особенно существенно для последующего насыщения водородом полученной заготовки. Поскольку в большинстве случаев деформация РКУП должна применяться два и более раз, для повышения реакционной способности материала необходимо регулировать также и температуру деформации, чтобы избежать необратимого растрескивания образца. Анализ деформаций, полученных образцом после операции РКУП, проводится различными способами: инженерные оценки, численное моделирование, экспериментальные методы. В данной статье при изучении характера деформирования образца использовали метод сеток.
Бесплатно
Применение методов машинного обучения в задаче топологической оптимизации упругой пластины
Статья научная
В качестве альтернативы традиционным методам топологической оптимизации деформируемых твердых тел предложен подход к топологической оптимизации на основе методов машинного обучения. Предложенный подход существенно уменьшает время, затрачиваемое на получение оптимального решения, и позволяет избежать использования ресурсоемких конечно-элементных вычислений на стадии получения оптимального решения. Все ресурсоемкие вычисления выполняются на стадии тренировки сети. Приводится обзор мировой литературы по теме применения методов машинного обучения в задаче топологической оптимизации упругого тела. Далее в качестве примера рассматривается квадратная упругая пластина, жестко закрепленная с одной стороны и нагруженная силой с другой. Для данной пластины с помощью метода скользящих асимптот решается серия задач топологической оптимизации (максимизации жесткости при ограничении на объём) для построения тренировочного набора данных. Проводится сравнительное исследование нейронной сети с одним пользовательским нелинейным слоем, созданным исходя из особенностей оптимальной топологии, и трехслойной нейронной сети, построенной с помощью стандартных функций библиотеки PyTorch. Входным параметром нейронной сети является точка приложения силы, выходным - оптимальная топология пластины. Обучение сети происходит с помощью метода обратного распространения ошибки. Квадратичная норма вектора отклонений предсказанных значений проектных переменных от значений, полученных на последнем шаге оптимизации, минимизируется в процессе обучения нейронной сети. Рассмотренный пример демонстрирует возможность применения подхода к другим задачам, отличающимся геометрией, граничными условиями и т.д. Также обсуждаются результаты и нерешенные проблемы метода.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача определения термомеханических характеристик полимеров. В основу методики положено решение задачи оптимизации. В качестве целевой функции выбрана сумма квадратов отклонений расчетных напряжений от известных экспериментальных значений. Ограничения формулируются как квазистатическая краевая задача термовязкоупругости, решение которой проводится методом конечных элементов. Минимизация целевой функции осуществляется методом Нелдера-Мида. Единственность решения проверяется путем спуска из нескольких начальных приближений.
Бесплатно
Статья научная
Предложена методика определения величины теплового нагружения при высоких температурах, позволяющая с высокой точностью найти температуру нагрева поверхности пламенем газовой горелки, что необходимо для обеспечения точности дальнейших исследований температурных полей и напряженно-деформированного состояния изделий. Рассматривается задача определения температуры поверхности заготовки оптического волокна из кварцевого стекла в зоне разогрева газовой горелкой и дальнейшее исследование температурных полей в заготовке в процессе производства. Методика определения температуры поверхности заготовки в зоне нагревания газовой горелкой включает проведение эксперимента, позволяющего измерить температуру в нескольких точках поверхности заготовки, удаленных от пламени горелки, и последующее решение задачи оптимизации для нахождения температуры поверхности непосредственно в зоне нагрева. В процессе эксперимента температура поверхности трубки измерялась двумя термопарами, расположенными на расстоянии от зоны нагрева, а затем решалась задача оптимизации. В качестве целевой функции выбрана сумма квадратов отклонений расчетных значений температуры в заданных точках от значений, полученных в ходе эксперимента. Разработанная методика проверена на ряде тестовых задач. Единственность решения задачи оптимизации была подтверждена путем «спуска» из нескольких различных начальных значений. Исследованы температурные поля в заготовке кварцевого оптического волокна, нагреваемой с помощью равномерно движущейся газовой горелки. Для решения нестационарной задачи теплопроводности использован метод конечных элементов, задача оптимизации решалась методом золотого сечения.
Бесплатно
Статья научная
Модели физической теории пластичности кристаллов в комбинации с явным учетом зеренной структуры являются эффективным инструментом для исследования деформационных процессов в поликристаллических материалах на разных масштабных уровнях. Численное решение краевых задач с учетом морфологических особенностей микроструктуры требует значительных вычислительных ресурсов. Переход к явным схемам интегрирования по времени позволяет эффективно минимизировать вычислительные затраты, при этом обеспечивая квазистатическое решение с высокой степенью точности. В настоящей работе обсуждаются вычислительные аспекты, связанные с применением моделей физической теории пластичности при моделировании процессов квазистатического деформирования поликристаллов в динамической постановке. Приведены соотношения для описания скоростей пластических сдвигов активных систем скольжения, позволяющие эффективно исключить скоростную чувствительность, что является необходимым условием моделирования при искусственно завышенных скоростях деформации. На примере расчетов для моно- и поликристаллов алюминия обсуждаются вопросы тестирования и верификации моделей на микро-, мезо- и макроуровнях.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлены численные и экспериментальные исследования процессов деформирования и разрушения сталей 10Г2ФБЮ и Ст35 при различных видах квазистатического и динамического нагружения: растяжение сплошного стержня и болтов М8 с гладкой и резьбовой рабочей частью, а также сжатии компактных цилиндрических образцов. Подробно описаны и схематично показаны разработанные экспериментально-расчетные методики построения квазистатических и динамических истинных диаграмм деформирования в экспериментах на растяжение и сжатие. В результате применения этих методик определены квазистатические и динамические истинные диаграммы деформирования для сталей 10Г2ФБЮ и Ст35. Полученные квазистатические диаграммы деформирования стали 10Г2ФБЮ при растяжении и сжатии практически совпадают. Установлено, что при построении истинных диаграмм деформирования для стали 10Г2ФБЮ существенное влияние оказывает скорость деформаций при значениях выше 500 1/c. Для исследования и описания процессов деформирования и разрушения упругопластических материалов предложена и реализована связанная модель разрушения на основе кинетического уравнения накопления повреждений в сочетании с критерием прочности типа Писаренко-Лебедева. На основе экспериментально-расчетного подхода разработана новая методика по оснащению материальными параметрами для предложенной модели разрушения. Соответственно, определены материальные параметры связанной модели разрушения для стали Ст35. Результатами численного моделирования процесса разрушения болтов М8 с гладкой и резьбовой рабочей частью при квазистатическом растяжении показано количественное и качественное соответствие вида и характера разрушения с экспериментом. Совместное применение экспериментально-расчетного подхода и предлагаемой связанной модели разрушения позволяет более точно описывать процессы деформирования и разрушения упругопластических материалов.
Бесплатно
Применение электронной спекл-интерферометрии для определения упругих характеристик тонких волокон
Статья научная
Представлены механико-математическая модель для исследования упругих характеристик микроразмерных волокон, схема испытаний и установка для их проведения, где в качестве чувствительного элемента используется консольно-закреплённая пластина-полоса, а регистрирующего устройства - электронный спекл-интерферометр. Приведены результаты тестовых экспериментов.
Бесплатно
Применения метода инфракрасной термографии для определения параметров линейной механики трещин
Статья научная
В работе экспериментально исследуется генерация тепла в вершине усталостной трещины при циклическом нагружении методом инфракрасной термографии. Проведена серия экспериментов на образцах с предварительно выращенной усталостной трещиной. Исследовано пространственное и временное изменение температуры в вершине трещины. Предложен способ математической обработки экспериментальных данных для расчета мощности источника тепла в зоне пластической деформации в вершине трещины, включающий блок, осуществляющий компенсацию относительного движения образца и камеры. В результате определены значение J-интеграла и коэффициента интенсивности напряжения в вершине трещины в случае развития значительной области пластической деформации.
Бесплатно
Статья научная
Усовершенствована традиционная техника применения принципа объективности с целью развития нетермодинамических методов построения векторных и тензорных определяющих соотношений с точностью до скалярных коэффициентов. Приведён альтернативный вывод известной формулы Нолла, описывающей замену системы отсчёта, выявлены характерные особенности. Порядок применения предложенного метода проиллюстрирован на конкретных примерах.
Бесплатно
Приповерхностные слои структурных элементов нанокомпозитов как важный структурный уровень деформации
Статья научная
На основе двухмасштабной модели Фойгта - Рейсса рассмотрен возможный механизм торможения процесса разрушения нанокомпозита. Приповерхостные слои структуры нанокомпозита рассматриваются как активная самоорганизационновозбудимая среда с гетерогенно распределенными в ней свойствами. Выдвигается гипотеза о возможности прогнозирования оптимальных наноразмеров гетероструктуры для получения уникальных свойств материала.
Бесплатно
Проблема учета структуры в определяющих соотношениях
Статья научная
Рассмотрены различные подходы к расчету структурных параметров в установившихся соотношениях для пластической деформации поликристаллов. Рекомендуется макроскопический подход, отражающий более точную физическую концепцию описанного явления. Предложена схема процесса пластической нагрузки, которая описывает ролевые дефекты при пластической деформации. Эта схема может быть принципиальной основой для к
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена методика прогнозирования деформационных и прочностных свойств металлических материалов с равномерно распределенными по объему изделия дефектами в виде газовых пузырьков при однократном и циклическом нагружении. Предлагаемый подход базируется на использовании соответствующих характеристик бездефектного материала (диаграммы деформирования, ресурса пластичности, кривой циклического деформирования и циклической кривой, а также кривой усталости) и результатах численных экспериментов на моделях образцов с различной объемной долей дефектов (степенью пористости среды). Анализ напряженно-деформированного состояния виртуальных образцов производили методом конечных элементов с использованием пакета ANSYS. Момент достижения предельного состояния - нарушения сплошности - при монотонном нагружения фиксировали с помощью деформационного критерия В.Л. Колмогорова. В условиях однократного нагружения определены упругие константы и диаграммы деформирования вплоть до момента разрушения модельной среды, имитирующей материал с различной степенью пористости. (Возможную смену механизма деформирования вследствие искажения формы стенок газовых пузырьков, сопровождаемого пластическим течением материала матрицы, не учитывали.) Отмечено свойство центрального подобия кривых деформирования. В условиях циклического нагружения получены как кривые циклического деформирования, представляющие траекторию точки состояния в пространстве «напряжение ~ деформация» в течение цикла, так и циклические кривые - зависимости амплитуды напряжения от амплитуды деформации, - отражающие упрочнение (разупрочнение) материала различной степени пористости. Описание кривых усталости, характеризующих в данных условиях прочностные свойства, выполнено с помощью локального критерия типа уравнения Мэнсона-Лэнжера. Результаты исследования могут быть использованы как для нормирования допускаемых размеров дефектов и их плотности, так и для назначения обоснованных коэффициентов запаса прочности по напряжению, деформации и долговечности реальной пористой среды.
Бесплатно
Статья научная
В статье выполнена оценка несущей способности эндопротеза тазобедренного сустава, изготовленного из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), при анатомической нагрузке. УУКМ изготовлен на основе нити углеродной «Урал Н/400-22» и фенолоформальдегидного связующего новолачного типа СФ-010. Существенной сложностью при моделировании эндопротеза является прогнозирование свойств УУКМ. Сложность математического моделирования на основе механики композиционных материалов состоит в невозможности экспериментального определения механических характеристик пироуглеродной матрицы. Пироуглеродная матрица не существует в чистом виде отдельно от композиционного материала. Вычислены механические характеристики УУКМ, построены математические модели костной ткани и эндопротеза, учитывающие сложную составную структуру. Бедренная кость представлена сочетанием кортикальной и губчатой ткани. Бедренная кость в исследовании закреплялась по латеральному и медиальному мыщелкам бедренной кости. Данное закрепление соответствует пятну контакта мыщелка с латеральным и медиальным менисками. Подтверждена гипотеза о том, что наиболее слабым компонентом в УУКМ является пироуглеродная матрица. Выявлены места наибольших значений нормальных и касательных напряжений. Места концентрации касательных напряжений совпадают с областями разрушения эндопротеза при испытании на сжатие, выявленные ранее визуально. Определены новые конструктивные и технологические требования к конструкции, которые будут способствовать увеличению надежности эндопротеза.
Бесплатно
Статья научная
Исследован процесс деформирования и разрушения конструкционных сплавов при малоцикловой усталости в условиях одноосного нагружения с контролем по осевой деформации при сложной форме цикла и блочном нагружении. Полученные результаты экспериментальных исследований конструкционных сплавов использовались для оценки возможности использования нелинейной модели накопления повреждений Марко - Старки. Проведена обработка результатов циклических испытаний никелевого сплава при простой и сложной форме цикла. Подобрана комбинация показателей степени, входящих в нелинейную модель Марко - Старки, которая для случая малоцикловой усталости при сложной М-образной форме цикла позволила спрогнозировать долговечность, хорошо согласующуюся с экспериментальными данными испытаний. Основной проблемой при использовании нелинейной модели Марко - Старки для прогнозирования циклической долговечности при М-образной форме цикла является наличие множества комбинаций показателей степени, позволяющих с одинаковой точностью осуществить прогноз циклической долговечности. Для определения возможности получения единственности решения предложено проведение комплекса испытаний при простом и блочном циклическом нагружении. Получены экспериментальные результаты о процессах деформирования и разрушения сплава алюминия Д16Т в условиях малоцикловой усталости при простых формах цикла с постоянными параметрами и блочном нагружении с переменными параметрами цикла в испытаниях на одноосное нагружение с контролем по осевой деформации. На основе полученных экспериментальных результатов по новой методике произведен подбор комбинаций коэффициентов степеней m, поиск которых осуществлялся в диапазоне показателей степеней от 0,2 до 10 с шагом 0,2. Сопоставление результатов прогнозирования по блокам, состоящим из трёх групп, позволило найти несколько комбинаций общих показателей степеней m по двум группам, которые присутствуют во всех блоках. Окончательный выбор пары коэффициентов осуществлялся из условия близости прогнозируемого значения параметра поврежденности к единице в первом (проверочном) блоке. Выбранные значения коэффициентов позволили осуществить прогноз долговечности при блочном малоцикловом нагружении с использованием нелинейной модели Марко - Старки.
Бесплатно
Прогнозирование эффективных теплофизических характеристик пироуглеродных матриц
Статья научная
Ранее развитая модель пироуглеродной матрицы как многофазного поликристалла применена для прогнозирования теплофизических свойств пироуглеродной матрицы. Получены общие выражения для макроскопических теплофизических характеристик произвольного многофазного поликристалла в корреляционном приближении. Общие формулы использованы для вычисления тензора коэффициентов тепловых напряжений, тензора коэффициентов теплового расширения и тензора теплопроводности пироуглеродной матрицы. Получены численные значения эффективных теплофизических свойств матрицы.
Бесплатно
