Статьи журнала - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
Все статьи: 1009
Статья научная
Успехи современной пластики грыжевых дефектов (герниопластики) связаны с расширением использования синтетических эндопротезов в виде сетчатых имплантатов, выполненных из различных полимеров. Однако существенное число возникающих осложнений, связанных в том числе и с ошибочным применением того или иного имплантата, обусловливает необходимость более глубокого понимания механизмов не только биологического, но и механического поведения конструкций такого типа. В ходе выполнения работы предложена методика оценки деформационных свойств сетчатых имплантатов, выполненных на основе пенопропилена и полиэстера. Данные имплантаты применяются в хирургических операциях при ненатяжной герниопластике и являются на данный момент одними из самых распространенных. В результате были проведены испытания по изучению деформирования сетчатых имплантатов таких марок, как SPMM, TCM, «Реперен», ТЕС, под воздействием брюшного давления в квазистатических условиях. Отработана предложенная методика проведения исследований. Получены данные зависимости деформации от внутрибрюшного давления. Разработаны методика исследований и математическая модель, описывающая механическое поведение сетчатого имплантата, установленного в брюшную полость. Проведен анализ механического поведения для различных размеров рабочих областей сетчатого имплантата в условиях различных значений внутрибрюшных давлений в диапазоне от низких (2 кПа) до высоких (20 кПа) давлений. Полученные результаты позволяют провести оценку механического поведения конкретного типа имплантатов и их применимость для клинического случая в зависимости от размеров дефекта живых тканей и ожидаемых внутрибрюшных давлений.
Бесплатно
Экспериментальное исследование особенностей процесса генерации тепла в вершине усталостной трещины
Статья научная
В работе экспериментально исследуется генерация тепла в титане ВТ6 при циклическом нагружении с использованием метода инфракрасной термографии. Проведены две серии экспериментов на гладких образцах и на образцах с предварительно выращенной усталостной трещиной. Исследовано пространственное и временное изменение температуры в вершине трещины, определены форма и интенсивность зоны диссипации тепла. В результате сравнения полученных экспериментальных данных с соотношениями линейной теории упругости показано несоответствие формы зоны пластической деформации и характера тепловыделения в вершине трещины простым теоретическим моделям
Бесплатно
Экспериментальное исследование поведения материалов при низкоскоростных ударных воздействиях
Статья научная
Представлены результаты испытаний, проведенных на универсальном электромеханическом ударном измерительном стенде-копере Instron CEAST 9350. Образцы из алюминиевого сплава с различной глубиной выреза подвергались нагружению при разных скоростях удара. Были получены значения ударной вязкости, затраченной энергии и максимальной разрушающей силы для всех образцов. Построены диаграммы зависимостей сила - перемещение, сила - время и энергия - время. Проведены анализ и сравнение полученных результатов.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено получение экспериментальных данных (совокупность значений компонент тензора деформаций, соответствующих напряженно-деформированному состоянию в точке максимальной концентрации деформаций для пластин с проточкой различной ориентации), необходимых для построения критериев прочности, с помощью бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы и метода корреляции цифровых изображений, экспериментальное исследование предельного напряженно-деформированного состояния квазихрупкого материала, а именно оргстекла, предшествующего разрушению. Исследована эволюция неоднородных полей деформаций в телах с концентраторами, проведен анализ конфигурации неоднородных полей деформаций в образцах с концентраторами. В работе автором осуществлена регистрация продольной и поперечной деформации с использованием дополнительного модуля программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр», отражены основные преимущества «виртуального экстензометра». Показана высокая эффективность применения цифровой оптической системы для изучения напряженно-деформированного состояния квазихрупкого материала, математический аппарат данной системы основан на методе корреляции цифровых изображений.
Бесплатно
Экспериментальное исследование структуры меди при квазистатическом сдвиговом нагружении
Статья научная
Описываются оборудование, методика и результаты экспериментального исследования структуры меди при больших сдвиговых деформациях. Внутренняя структура изучается на травленых шлифах с использованием интерферометрического микроскопа NewView 5000. Исследованы вид и характерные размеры полос скольжения. Построены диаграмма деформации.
Бесплатно
Экспериментальное исследование усталости порошковых композитов на основе технически чистого железа
Статья научная
Приводится описание методик экспериментальных исследований порошковых пористых макроизотропных материалов на основе компактированного технически чистого железа. Испытания образцов порошковых композитов на усталость проводились как в условиях «простых» видов нагружения (изгиб при жестком и мягком нагружении, кручение), так и при нагружении, одновременно сочетающем в одном процессе два «простых» вида (изгиб с кручением, растяжение с кручением). Методики реализовывались по отношению к одному классу материалов, на протяжении нескольких лет, на основе принципиально различной материальной базы - испытательных машин. В работе также приведены методы анализа НДС в образцах, статистически обработанные результаты испытаний, построены кривые усталости равной вероятности. Приведен краткий анализ при сопоставлении результатов испытаний, проведенных в разных условиях.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена экспериментальному исследованию циклической долговечности алюминиевого сплава Д16Т в испытаниях на сложное нагружение при растяжении с кручением. Представлены результаты испытаний при осевом циклическом нагружении в условиях наличия постоянной составляющей касательного напряжения. Величина постоянной составляющей касательного напряжения τ по отношению к пределу текучести при кручении τ 03, определенному в статических испытаниях, изменялась в диапазоне от 0 до 0,7. Испытания выполнены на двух уровнях амплитуды осевых напряжений (250 МПа и 280 МПа). Получены экспериментальные данные зависимости числа циклов до разрушения при различной величине постоянной составляющей касательного напряжения. Отмечено, что при увеличении амплитуды осевого напряжения влияние постоянной составляющей касательного напряжения снижается.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена исследованию зарождения и распространения усталостных трещин в титановых сплавах методом инфракрасной термографии при циклической нагрузке и с помощью анализа поверхности разрушения. Проведены две серии экспериментов на плоских гладких и на образцах с предварительно выращенной усталостной трещиной. Исследована пространственная и временная эволюция температуры в вершине трещины, определена форма пластической деформации и интенсивность тепловыделения. На основании результатов сравнительного анализа экспериментальных данных и уравнений линейной механики разрушения показано, что пространственная форма и характер диссипации тепла в зоне вершины трещины не соответствуют простой теоретической модели. В работе экспериментально получен эффект охлаждения за счет упругой деформации материала, а также исследованы особенности распределения напряжений в вершине трещины. Высокоскоростная съемка (на частоте 1 кГц) позволила определить интенсивность и форму зоны рассеиваемой энергии из-за пластической деформации в вершине трещины, а также сравнить скорость диссипации энергии для различных уровней напряжения. Разрушенные образцы исследовались с помощью электронного микроскопа и интерферометра New View для определения скейлинговых закономерностей образования и роста трещины. Полученные результаты позволяют нам проверить существующие модели неупругой деформации в вершине трещины, а также улучшить методы контроля накопления микроповреждений в процессе усталостного деформирования.
Бесплатно
Статья научная
Волокнистые композиты со слабой полимерной матрицей или непрочными поверхностями раздела «волокно-матрица» обнаруживают некоторые специфические направленные механизмы разрушения (расслоения, расщепления, скол вдоль волокон, полосу сдвига - кинк и др.), и для численного описания этих видов разрушения необходимы нетрадиционные подходы, новые специальные модели разрушения и критерии прочности, учитывающие взаимодействие нормальных и касательных напряжений на плоскости разрушения. Показано, что использование простых линейных критериев прочности позволяет лучше интерпретировать экспериментальные данные и оценивать в опытах прочностные параметры целостности композитных структур, которые можно использовать при проектных расчетах композитных элементов конструкций.
Бесплатно
Статья научная
Целью настоящей работы является экспериментальное обеспечение ранее предложенной авторами модели для описания термомеханического поведения стеклующихся полимеров при больших деформациях. Для этого проведен ряд термомеханических испытаний образцов из эпоксидной смолы с относительно слабой сшивкой, для которой в размягченном состоянии возможно проявление больших деформаций. Проведено три серии экспериментов на приборе ДМА в режиме приложения регулируемой осевой сжимающей нагрузки и изменяющейся температуры с измерением продольного перемещения. Целью первой серии испытаний являлось обоснование выбора упругого потенциала для описания поведения рассматриваемого материала. Для этого производилось деформирование образцов в размягченном состоянии с постоянной скоростью нагружения. Сделан вывод о применимости потенциала Пенга-Ландела для описания процесса деформирования эпоксидной смолы. Вторая серия включала ряд установочных экспериментов для нахождения параметров модели. Производился нагрев образцов с постоянной скоростью под постоянной сжимающей нагрузкой. Приведено сравнение результатов при различных значениях скоростей и нагрузок. Описана методика определения параметров модели. Часть параметров принята константами материала; для других получена линейная аппроксимация зависимости от скорости изменения температуры и уровня нагрузки. Третья серия представляет собой проверочный эксперимент, в качестве которого выбран цикл памяти формы. Выполнена аппроксимация экспериментальных данных численной моделью с использованием параметров, найденных в ходе установочного эксперимента. Показана хорошая согласованность результатов эксперимента с численным расчетом. В статье также дан краткий обзор наиболее распространенных экспериментальных схем, реализующих цикл памяти формы.
Бесплатно
Статья научная
С целью определения группы горючести и деформационных характеристик при нормальных и повышенных температурах проведены испытания образцов на основе жидкого стекла с различными армирующими материалами. Установлено, что композиты, армированные стекломатом, являются негорючими (имеют категорию пожарной опасности НГ). Материалы, матрицей которых является жидкое стекло, армированное стекломатом и базальтовой тканью, в диапазоне температур 20-700 °С демонстрируют более стабильные свойства по сравнению с композитами на основе полиэфирных смол.
Бесплатно
Статья научная
Прикрепленные к поверхности конструкции пьезоэлементы с шунтирующими цепями образуют рассеивающее энергию устройство для повышения диссипативных свойств механической системы. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту часть механической энергии колебаний преобразуется в электрическую энергию, которая может быть рассеяна. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию эффективности гашения колебаний конструкций с пьезоэлементами, зашунтированными внешними пассивными электрическими цепями. Исследованы резистивные и резистивно-индукционные цепи. Рассматривается консольная стальная балка с прикрепленными к ее поверхности пьезоэлементами, подверженная внешнему гармоническому воздействию. Сопротивление и индуктивность шунтирующей электрической цепи варьируются до достижения максимального гашения колебаний первой и/или второй моды колебаний. Доказано, что представленная методика позволяет значительно снизить вибрации при наличии в цепи индуктивности по сравнению с чисто резистивной цепью. Желание избежать требуемых при этом больших катушек индуктивности привело к использованию синтетических индуктивностей - гираторов (собранных из операционных усилителей).
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования состоит в разработке и верификации методики экспериментального определения динамических полей деформации при изучении процессов ударного повреждения и разрушения пластин. Разработана экспериментальная установка, реализующая динамическое нагружение исследуемой пластины при высокоскоростном столкновении с ударником и определение полей динамических деформаций на поверхности пластины. Использован метод корреляции цифровых изображений (Digital Image Cоrelation) в сочетании со скоростной видеосъемкой, реализованный в аппаратно-программном комплексе Vic-3D. Проведены две серии экспериментов, различающиеся материалом и размерами исследуемых пластин-образцов, материалом и скоростью ударника. Приведены результаты экспериментального определения полей динамических деформаций на поверхности алюминиевой пластины при высокоскоростном соударении со сферическим стальным ударником и пластины из углепластика при соударении с ледяным ударником. Результаты представлены в виде покадровой записи полей компонент тензора динамических деформаций и временных зависимостей для деформаций в отдельных точках пластины. Реализованы скорости деформации до 1,5*·10 3 с --1. Получена оценка деформации при высокоскоростном разрушении исследованного углепластика. Достоверность полученных методом корреляции цифровых изображений результатов подтверждена непосредственным измерением остаточных деформаций в пластине. Описанная методика позволяет получать детальную экспериментальную информацию о процессах высокоскоростного деформирования металлов и композиционных материалов. Эта информация представляет интерес для экспериментальной верификации моделей деформационного поведения и разрушения материалов при высоких скоростях деформации. В частности, она дает возможность получать необходимые для верификации моделей деформирования и деформационных критериев разрушения данные при двухосном напряженном состоянии. Методика может быть использована для отработки расчетных методов и экспериментального изучения закономерностей баллистического повреждения и разрушения ответственных элементов конструкций типа пластин, в частности, при повреждении посторонними предметами деталей самолетов и двигателей, пробивании бронезащиты.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается вопрос о мониторинге процесса накопления поврежденности путем контроля акустических свойств металла. Целью работы является разработка доступной в производственных условиях ультразвуковой технологии оценки технического состояния металла до его разрушения. Исследовалась возможность создания «индикатора поврежденности», используя в качестве датчика высокочастотную упругую поверхностную волну. Ультразвуковая технология зондирования, применяемая в данной работе, была ориентирована на расширении спектра зондирующего сигнала, что позволило повысить точность измерений. В качестве параметра, характеризующего внутреннее трение, использован коэффициент формы акустического зондирующего импульса и в качестве альтернативы - время прохождения волной фиксированного расстояния в металле. Демонстрационные эксперименты проведены на плоских образцах из предварительно отожженной стали марки Ст10. Циклические испытания проводились на универсальной испытательной машине фирмы TiniusOIlsenLtd, модель H100KU, обеспечивающей погрешность измерения нагрузки 0,5 %. Образцы были подвергнуты 50 циклам мягкого нагружения с амплитудой напряжения в цикле 0,6; 0,7 и 0,8 от условного предела текучести при постоянной скорости перемещения активного захвата 5 мм/мин. В основе методики анализа формы зондирующего импульса лежит обращение наблюдаемого сигнала из изменения амплитуды во времени в распределение по амплитуде и получение на основе этого обращения параметров априори выбранной статистической модели распределения Дирихле. Вычислялся параметр самоорганизации формы импульса, характеризующий изменение структуры зондирующего импульса. Изменение напряжения нагружения в цикле приводит к значимому изменению параметра самоорганизации формы зондирующего сигнала. Получена линейная связь между коэффициентом поглощения упругой энергии и показателем самоорганизации формы зондирующего импульса. Показано, что скорость распространения поверхностной волны для разных режимов нагружения меняется незначительно и не может служить признаком, характеризующим внутреннее трение. Результаты демонстрируют возможность характеризовать величину упругого гистерезиса, являющуюся одной из мер внутреннего трения в твёрдых телах, посредством измерения коэффициента формы акустического зондирующего импульса поверхностных волн.
Бесплатно
Статья научная
Актуальной задачей является исследование и анализ влияния повышенных и пониженных (эксплуатационных) температур на механические свойства и механизмы разрушения композиционных материалов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным режимам, а также установления температурных зависимостей упругих и прочностных характеристик волокнистых композитов, применяемых в ответственных конструкциях. Исследовались механические характеристики композиционных материалов на основе комбинированной стеклоорганоткани и двух типов связующего - полиимидного (КМ-1) и эпоксидного (КМ-2). Целью настоящей работы было исследование деградации механических характеристик композиционных материалов при повышении температуры. Исследования проводились на универсальной электромеханической системе Instron 5882, в состав которой входит термокамера и бесконтактный видеоэкстензометр. Исследования при высокой температуре 500 ºС проводились на сервогидравлической испытательной системе Instron 8850 с использованием высокотемпературной муфельной печи. Получены результаты экспериментальных исследований влияния повышенных и высокой температур на деформационные и прочностные свойства композитов двух рецептур КМ-1 и КМ-2 при растяжении и смятии вдоль утка и вдоль основы. Проведены механические испытания на растяжение и смятие при нормальной и повышенных (100, 250 ºС) температурах для КМ-1 и КМ-2. Для композита КМ-1 также проведены испытания на растяжение при высокой (500 ºС) температуре. Построены диаграммы деформирования, при растяжении и при смятии в условиях повышенных температур выявлена стадия закритического деформирования, определены значения упругих коэффициентов, пределов прочности и прочности при смятии. Построены и проанализированы зависимости деградации механических свойств композитов при повышении температуры. Выявлено преимущество рецептуры КМ-2 над КМ-1 по комплексу механических характеристик, поддающихся сравнению, в диапазоне температур от 22 до 250 ºС при растяжении и температуре 22 ºС при смятии в направлении основы.
Бесплатно
Статья научная
Методами атомно-силовой микроскопии проведено исследование рельефа и локальных механических свойств полимер-силикатных нанокомпозитов. Основным объектом для изучения был выбран полиэтилен ПЭ 107-02К, наполненный ультратонкими слоистыми частицами модифицированной глины Cloisite 20A. Разработана оригинальная методика подготовки поверхности образца к АСМ-сканированию. В результате специального режима термической обработки в полиэтилене происходило сначала расплавление кристаллитов, а затем их восстановление (рекристаллизация). Таким образом, кристаллитные образования на поверхности становились более заметными, а нанесенные при изготовлении образца микроповреждения исчезали. В результате исследована наноструктура поверхности таких материалов. Построены АСМ-сканы рельефа, жесткости и адгезии. Установлено что наибольшая жесткость и практически нулевая адгезия характерны для частиц нанонаполнителя. Аморфная фаза была наименее жесткой, но обладала наибольшей адгезионной способностью. Жесткостные и адгезионные характеристики кристаллитов лежали где-то посредине. Кристаллиты, выходящие на поверхность образца, представляли собой образования из нескольких слабоизогнутых пачек параллельных пластин толщиной 30–60 нм с мягкой аморфной фазой в зазорах. Количество этих слоев варьировалось в пределах от 10 до 20 штук.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена экспериментальному изучению деформационного поведения материалов при динамическом нагружении. Проведено исследование поведения крупнозернистого и субмикрокристаллического титана на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского с одновременной термографией образца в реальном режиме времени с целью определения доли диссипированной энергии. Исследовалось поведение стали при динамическом растяжении при температурах 22 и 250 °С. Изучено пробивание преграды в виде формирования и выноса пробки при скоростях 101-260 м/с. На установке по исследованию пробивания были исследованы образцы из алюминия марки 6061. После эксперимента образцы подвергались микроструктурному анализу с помощью оптического интерферометра-профилометра и сканирующего электронного микроскопа с последующей обработкой 3D-данных деформационного рельефа.
Бесплатно
Экстремальные кластеры зерен в случайных микроструктурах поликристаллических материалов
Статья научная
Экспериментально было обнаружено, что в поликристаллических материалах при низких макронагрузках первые очаги повреждений или первых пластических сдвигов возникают в специфических кластерах из нескольких зерен, названных экстремальными кластерами. В некоторых зернах этих экстремальных кластеров локальные (мезо-) деформации и напряжения существенно выше макродеформаций и напряжений, настолько, чтобы вызвать первые локальные хрупкие повреждения или пластические скольжения. В стохастической микроструктуре поликристалла образование экстремальных кластеров является случайным и редким событием. Тем не менее эти кластеры определяют инициирование процессов разрушения и могут серьезно повлиять на надежность поликристаллических деталей машин. Экспериментально наблюдаемые кластеры состоят из нескольких (3-4) предпочтительно ориентированных соседних зерен или даже из одного большого суперзерна. Всплески локальных деформаций и напряжений обусловливаются упругим взаимодействием зерен. Можно ожидать, что в больших кластерах, состоящих из большего числа взаимодействующих зерен, могут генерироваться более высокие всплески локальных полей. Экспериментальный поиск возможных паттернов и исследование экстремальных кластеров на реальных образцах поликристаллических материалов требует больших затрат времени и ресурсов. Поэтому желателен эффективный теоретический инструмент. В работе представлен производительный вычислительный метод поиска случайно образующихся экстремальных кластеров, исследования их возможных паттернов и оценки абсолютных максимумов локальных деформаций/напряжений, которые могут быть достигнуты в этих кластерах. Метод основан на теоретико-полевом подходе к проблеме деформирования поликристаллов, дающем значительные вычислительные преимущества. Мы нашли типичные формы экстремальных кластеров (малых и больших) в четырех различных поликристаллах с зернами слабой и сильной анизотропии для случая одноосного растяжения. Во всех рассмотренных случаях экстремальные кластеры имеют форму симметричных паттернов. В кластерах сильно анизотропных зерен максимум мезодеформации в несколько раз превышает макродеформацию. В кластерах слабо анизотропных зерен концентрация локальной деформации довольно умеренная (десятки процентов).
Бесплатно
Электромагнитная связанность композита "пьезоэлектрик/феррит" с начальным напряженным состоянием
Статья научная
Разработана математическая модель электромагнитотермоупругости для начально-напряженного трансверсально-изотропного композита c пьезоэлектрическими магнитострикционными фазами. Для решения связанной краевой задачи электромагнитотермоупругости использован метод функций Грина в рамках обобщенного сингулярного приближения статистической механики композитов с учетом начального напряженного состояния представительной области композита на микро- и макроуровнях. Получено решение задачи «эффективного модуля» для тензоров эффективных упругих, пьезомеханических, магнитострикционных свойств, диэлектрических и магнитных проницаемостей, температурных, пироэлектрических, пиромагнитных коэффициентов и (появившимся лишь на макроуровне) электромагнитной и магнитоэлектрической связанностей квазипериодического композита с начальным электромагнитоупругим напряженным состоянием. Решение для искомых тензоров эффективных свойств квазипериодического композита представлено в виде аналитических формул - простых линейных разложений по решениям для тензоров эффективных свойств периодической структуры и статистической смеси, коэффициенты разложений - это коэффициент «периодичности» (корреляции квазипериодической и периодической структур) p и «разупорядоченности» 1- p соответственно. Представлены результаты расчета всех независимых компонент тензоров эффективных коэффициентов электромагнитной и магнитоэлектрической связанностей различных структур (периодической, квазипериодической и статистической смеси) однонаправленно-волокнистого композита «PZT-4/феррит» при осесимметричном тензоре начальной макродеформации композита. Для квазипериодического композита (с начальным макродеформированием) выявлен существенно немонотонный характер зависимостей относительных (к значениям в отсутствие начального напряженного состояния) значений эффективных коэффициентов электромагнитной и магнитоэлектрической связанностей от объемной доли ферритовых волокон. Выявлено, что увеличение абсолютных значений коэффициентов электромагнитной и магнитоэлектрической связанностей композита имеем при отрицательных значениях его начальных осесимметричных осевых макродеформаций. Наиболее существенное влияние оказывает начальная всесторонняя макродеформация в трансверсальной плоскости на коэффициенты трансверсальной магнитоэлектрической связанности композита.
Бесплатно
Электромагнитоупругость и эффективные свойства пьезокомпозитов
Статья научная
Получено новое решение связанной краевой задачи электромагнитоупругости в обобщенном сингулярном приближении статистической механики композитов на основе новых решений для сингулярных составляющих вторых производных функций Грина для однородной трансверсально-изотропной пьезоэлектромагнитной среды с эллипсоидальным зерном неоднородности. На основе анализа корреляционных функций квазипериодических структур и решения связанной краевой задачи электромагнитоупругости методом периодических составляющих получены уточненные решения для тензоров эффективных электромагнитных и термоупругих свойств композитов с пьезоэлектрическими и пьезомагнитными фазами. Проведен численный расчет и анализ влияния на действительные и мнимые части эффективных коэффициентов электромагнитной связи полидисперсных магнитоэлектрических пьезокомпозитов с максвелл-вагнеровской релаксацией величины наполнения, инверсии свойств фаз и частоты электрического поля.
Бесплатно
