Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение
Все статьи: 673
Статья научная
Исследовано влияние СВЧ электромагнитного поля на прочность композиционных материалов на примере образцов, сформированных из арамидной ткани ТСВМ-ДЖ, пропитанной клеем 88 с последующим отверждением. Было проведено две серии экспериментов - в первом случае был использован монослой арамидной ткани без связующего, во втором - с использованием последнего. Установлено, что после воздействия на однослойную арамидную ткань СВЧ электромагнитного поля малой удельной мощности повышается сопротивление образца прокалыванию конусом от 1,8 до 2,2 раза. Эффект упрочнения опытных образцов, изготовленных с использованием связующего и прошедших СВЧ модифицирование, более выражен по сравнению с образцами без использования клея 88 - увеличение прочности составляет до 2 раз. Также произведено исследование микроструктуры указанных серий образцов. На полученных микрофотографиях показано, что в большей степени влияние СВЧ электромагнитного поля выражено на образцах с использованием связующего и проявляется в формировании агломератов меньшего размера, по сравнению с контрольным образцом, появлении у них выраженных граней, что позволяет получить большее число точек контакта, увеличить площадь поверхности соприкосновения, что, в свою очередь, делает их соединение более прочным. В статье показана корреляция приведенных значений роста прочностных характеристик опытных образцов по сравнению с контрольными и изменений микроструктуры, проявившихся после описанного электрофизического воздействия. Вышеперечисленные факты обуславливают возможность управления механическими характеристиками посредством влияния на микроструктуру готовых изделий. Полученные результаты позволяют прогнозировать улучшение эксплуатационных характеристик элементов конструкции летательных аппаратов из органопластиков и средств индивидуальной защиты 1-го, 2-го классов.
Бесплатно
Критерии комплексной оценки проектирования планетарных смесителей вязких материалов
Статья научная
Установлена зависимость между проектными параметрами планетарных смесителей и технологическими характеристиками процесса перемешивания. Предложена целевая функция для комплексной оценки проектного образца.
Бесплатно
МКЭ моделирование силовых композитных обшивок транспортных средств
Статья научная
Рассмотрены методы конечно-элементного моделирования силовых обшивок транспортных средств, изготовленных из сэндвич-панелей. Расчетный анализ позволил определить диапазон рациональной толщины клеевого слоя в соединении сэндвич-панелей и металлического каркаса транспортного средства. Сравнительно низкий модуль упругости клея обеспечивает прочность стеклопластика в соединении со стальным каркасом как в плоскости панели, так и в трансверсальном направлении.
Бесплатно
Статья научная
Представлена динамическая модель осесимметричного баллистического летательного аппарата с переменными массогеометрическими характеристиками. Летательный аппарат представлен как система двух тел с возможностью их взаимного перемещения.
Бесплатно
Математическая модель движения автомобиля
Статья научная
Исследована математическая модель движения автомобиля. В модель движения включены математические модели двигателя, рулевого управления, трансмиссии и колес. Математическая модель представляет интерес для дальнейшего совершенствования конструктивных параметров многоосных автомобилей.
Бесплатно
Статья научная
Разработана математическая модель для исследования устойчивости автомобиля с индивидуальным приводом при разгоне максимальной интенсивности и обоснован рациональный характер распределения мощности между ведущими колесами двухосного автомобиля при разгоне на прямолинейном участке.
Бесплатно
Математическая модель процесса работы конусного раскатчика
Статья научная
Выбор типа конструкции уплотняющих машин зависит от многих факторов: вида уплотняемого материала (грунт, щебень, гравий, шлак, скальные крупнообломочные грунты, асфальтобетон, бетон); состояние грунта (оптимальной влажности, переувлажненные, водонасыщение, насыпные, просадочные); толщины уплотняемых слоев (послойное уплотнение тонкими слоями, уплотнение сразу на всю толщину отсыпки до проектной отметки) и условий работы машины (стесненные условия, широкий фронт работ). В статье представлена конструкция агрегата для глубинного трамбования грунта, разработанная специалистами института гидродинамики «Сибирское отделение российской академия наук» (СО РАН) и его конструкторско-технологического филиала. На основе оценки достоинств и недостатков агрегата для глубинного трамбования грунта предложено новое техническое решение на основе конусного раскатчика, обеспечивающее более благоприятные условия для удаления воздуха из массива уплотняемого материала. Представлена математическая модель конусного раскатчика с использованием метода разложения периодической функции в ряд Фурье, с помощью который определилась постоянная сила и сумма гармонических сил в процессе работы конусного рабочего органа. Главным рабочим органом машины для конусной раскатки грунтовых оснований автомобильных дорог являются катки с переменным диаметром по высоте. При качении рабочий орган воздействует на уплотняемую поверхность в узкой зоне, в центре которой сжимающее усилие будет максимальным, а по краям уплотняющей зоны оно уменьшается до нуля. Рассмотрены конструкции физической модели конусного раскатчика в виде одного катка и самоцентрирующийся рабочий орган с несколькими катками.
Бесплатно
Математическая модель рабочего цикла бензинового двигателя с рециркуляцией отработавших газов
Статья научная
Приведен расчет физических констант рабочего тела и рабочего цикла бензинового двигателя при использовании рециркуляции отработавших газов.
Бесплатно
Математическая модель рулевого управления с усилителем гидравлического типа
Статья научная
Рассматривается модель работы рулевого управления с гидравлическим усилителем, обеспечивающим переменное реактивное действие. Модель позволяет анализировать адаптацию рулевого управления к различным условиям движения и к конструктивным изменениям при модернизации автомобиля.
Бесплатно
Математическая модель силового взаимодействия колеса с грунтом при повороте машины
Статья научная
Для исследования поведения машины на повороте используются уравнения движения, в которые входят реакции со стороны грунта. Область применений модели движения полностью определяется адекватностью описания силового взаимодействия в контакте. Сегодня многие модели основаны на эмпирических зависимостях, что ограничивает их широкое применение. Часто допущения, принимаемые при описании сил в контакте, приводят к нарушению законов механики. В статье рассмотрены основные ошибки, наиболее часто используемые при описании силового взаимодействия колеса с грунтом при повороте машины. В статье предложена новая модель силового взаимодействия, основанная на законах механики и математической теории трения. Предложенная модель описывает силы реакции грунта как функции координат мгновенного скольжения пятна контакта, что сводит силовую задачу к кинематике движения колеса. Это позволяет совместно решать силовую и кинематическую задачи, что подтверждает их взаимосвязь и взаимозависимость. Преимущества новой модели в том, что она описывает каждое колесо индивидуально. Это позволяет учесть режим движения колеса (ведущий, ведомый или тормозной), упругие свойства пневматической шины и деформацию грунта, ввести разные размеры, форму контакта и величину нормальной нагрузки на колесах. Модель допускает дальнейшее ее усовершенствование для учета анизотропных свойств контакта. Модель опробована при расчете параметров криволинейного движения малогабаритного трактора и подтверждена экспериментом.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлена новая математическая модель оптимизации, основанная на методе трансформации параметров плоского течения в пространственные. Модель преобразует частоту, фазу, амплитуду двумерного течения в проточной части вихревого расходомера в аналогичные параметры для трехмерного течения. Это позволяет в значительной степени сократить время вычислений. В задаче представленной в данной статье, временные затраты снижаются в 36 раз. В работе представлены результаты анализа существующей 3D модели, реализованной в пакете ANSYS, используемой для моделирования течения в проточной части вихревого расходомера. Показаны основные свойства и настройки численной модели, выполняемые при постановке задачи. По результатам анализа картины течения в проточной части вихревого расходомера определены базовые точки геометрии его проточного тракта, в которых выполнялся сбор данных, а именно детектирование пульсаций давления вихрей. Разработана функциональная структура математической модели определения параметров течения в проточной части вихревого расходомера для варианта двумерного моделирования. Осуществлен выбор математического метода трансформации трехмерной модели расчета проточного тракта вихревого расходомера в двумерную модель. Разработан вычислительный алгоритм математической модели, связывающей трехмерную и двумерную модели проточного тракта вихревого расходомера. Алгоритм основан на использовании быстрого преобразования Фурье и решении задачи минимизации для определения частоты, амплитуды и фазы сигнала. Определены функциональные зависимости между параметрами плоского и трехмерного течения, а именно частоты, амплитуды и фазы. На основе метода трансформации предложен новый алгоритм обработки сигнала, сокращающий количество расчетных точек в десять раз - с десяти тысяч до одной тысячи. Далее, математическая модель соединена с алгоритмом оптимизации основанном на методе Розенброка, выполнены тестовые расчеты. По результатам расчетов установлено, что время получения оптимального прототипа проточной части сокращается в 36 раз - с 18 месяцев до 0,5 месяца. Актуальность исследования связана с выбором оптимального математического алгоритма моделирования процесса срыва вихрей с тела обтекания, находящегося в трубе (проточной части вихревого расходомера) и распространения вихрей ниже по потоку.
Бесплатно
Математическая модель трехкоординатного манипулятора с параллельной кинематической структурой
Статья научная
Рассмотрено построение математической модели механизма с параллельной кинематической структурой, имеющего три степени свободы. Представлены результаты математического моделирования.
Бесплатно
Математическая модель ударно-вибрационного механизма
Статья научная
В данной статье рассмотрена математическая модель работы ударно-вибрационного механизма для уплотнения сыпучих материалов (в том числе трудно деформируемых), основанного на четырёхзвенном механизме, в состав которого входит рычаг Архимеда. Приведены принципиальная схема ударно-вибрационного механизма, принцип работы и его достоинства относительно аналогичных механизмов уплотнения, формулы для расчета коэффициентов увеличения движущей силы привода. Описана математическая модель механизма, состоящая из геометрического, кинематического и динамического расчетов. Выделены необходимые исходные данные для расчета математической модели: размеры звеньев механизма (радиусы кривошипа и коромысла, длина шатуна), массы и моменты инерции этих звеньев, усилие уплотнения. В геометрическом расчете определяются положения звеньев механизма в пространстве в зависимости от угла поворота кривошипа, углы отклонения коромысла, шатуна относительно начального положение при работе механизма, а также положения звеньев в пространстве. Кинематический расчет включает в себя определение угловых скоростей и ускорений путем дифференцирования углов отклонения звеньев относительно начального положения, а также линейных скоростей и ускорений звеньев механизма и в особых точках. Исходя из динамического расчета, определяются необходимые крутящий момент и мощность с учетом усилия, необходимого для прессования, инерционных сил и моментов и сил тяжести. В ходе работы выделены следующие условия работы механизма, а именно: максимальный угол подъема рабочей плиты не должен превышать 20°, оптимальное положение кривошипа в конце рабочего хода для достижения максимального усилия прессования, необходима установка маховика для предотвращения резких колебаний и возникновения пиковых нагрузок.
Бесплатно
Математическая модель шероховатой поверхности контактного трибосопряжения
Статья научная
Рассмотрен способ создания ортогональной модели шероховатой поверхности для конечно-элементного анализа. С этой целью выделены три характерных уровня представления контактного трибосопряжения. Методами математической статистики описана структура поверхности на микроуровне с оценкой суммарного значения функции спектральной плотности как основного критерия энергетической насыщенности случайного сигнала. Представлен способ моделирования шероховатой поверхности на основе использования ортогональных преобразований произвольных векторов, составляющих матрицу высот микронеровностей фрагмента поверхности.
Бесплатно
Математические модели сил резания при точении
Статья научная
В работе рассмотрен вариант прогнозного определения составляющих силы резания для условий несвободного резания при токарной обработке. Установлено, что на величину и направление действия составляющей влияют как процесс пластического деформирования, так и процесс трения по задним поверхностям, прилегающим к главной и вспомогательной режущим кромкам инструмента. Результирующая сила определяется как векторная сумма сил, возникающих на главной и вспомогательной режущих кромках. Направление действия силы при несвободном резании предлагается определять как вектор в направлении схода стружки относительно главной режущей кромки. Фиксация угла отклонения стружки проведена путем фотографирования процесса резания. Подтверждено, что при свободном резании направление схода стружки перпендикулярно главной режущей кромке. Обработка фасонных поверхностей на токарных станках с ЧПУ сопровождается изменением направления движения подачи и, как следствие, изменением кинематических главного и вспомогательного углов в плане режущего инструмента. Увеличивающаяся в данной ситуации активная длина главной режущей кромки приводит к увеличению площади контакта задней поверхности главной режущей кромки с обрабатываемой поверхностью, а следовательно, и к увеличению составляющей силы . Экспериментальное измерение составляющих силы резания позволило определить степень влияния составляющих силы, связанных как с процессом пластического деформирования обрабатываемого материала, так и с процессом трения на задних поверхностях, прилегающих к главной и вспомогательной режущим кромкам инструмента. Полученные аналитические зависимости выражают функциональную взаимосвязь между элементами режимов резания, геометрическими параметрами резцов, степенью его износа, формой обрабатываемой поверхности, физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. Большой набор параметров, входящих в формулы для определения составляющих силы резания, позволяет адекватно отслеживать характер силового взаимодействия элементов технологической системы в процессе обработки деталей.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей статье приведена информация об основных отличительных особенностях микрогазотурбинных установок и их преимуществах по сравнению с прочими автономными источниками электрической энергии. Дано обоснование использования турбины радиально-осевого типа в микрогазотурбинной установке номинальной мощностью 100 кВт. Рассмотрены начальные аналитические проектировочные расчеты данной турбины (без применения средств вычислительной газодинамики) с указанием соответствующих методик расчета. Приведены особенности радиально-осевой турбины как турбомашины, в которой срабатывается большой теплоперепад и имеет место высокая степень реактивности. Описан подход к параметризации геометрии профиля лопатки соплового аппарата турбины с использованием дуг окружностей, кривых Безье и прямолинейных участков. Для данной параметрической геометрии в программном комплексе ANSYS построены расчетная сетка и расчетная модель. Выполнено параметрическое исследование течения в сопловом аппарате различной геометрической конфигурации и определены оптимальные конфигурации по величине скоростного коэффициента для разных значений угла выхода потока из соплового аппарата, где минимальная граница диапазона рассматриваемых углов ограничена технологией изготовления. После исследования соплового аппарата рассмотрена ступень турбины (с учетом течения в рабочем колесе), для которой также были установлены границы изменения геометрических параметров и выполнена серия расчетов. По результатам расчетов определена оптимальная геометрическая конфигурация ступени турбины по критерию максимизации коэффициента полезного действия. Результаты расчета представлены в графическом виде, а также в виде полей скорости и давления в межлопаточных каналах соплового аппарата и рабочего колеса.
Бесплатно
Статья научная
Разработана математическая модель изменения распределения зерен на рабочей поверхности абразивного инструмента в результате их радиального износа скалыванием в процессе шлифования. В модели учитывается смещение всех вершин к периферии на величину износа круга за один оборот. Все разновидности изнашивания поверхности абразивного инструмента объединены в три вида: механическое истирание вершины зерна, скалывание вершины, вырывание зерна из связки. Допускается, что за время контакта на одной вершине можно реализовать все три вида изнашивания. Вид изнашивания определяется по максимальной величине радиального износа за рассматриваемый цикл. Принимается, что каждое зерно за рассматриваемый период взаимодействия подвергается только одному виду изнашивания, а вероятности этих событий составляют полную группу. Существенной новизной проекта является представление процесса изнашивания вершин абразивных зерен при единичном акте взаимодействия, как марковского процесса с дискретным временем состоянием, а процесса формирования рабочей поверхности абразивного инструмента, как суперпозицию таких марковских процессов. В представленной модели переходные вероятности рассчитаны по экспериментально полученному закону распределения износа вершин зерен при скалывании. Изложена методика и результаты экспериментального исследования изнашивания зерен скалыванием при шлифовании. Определен радиальный износ вершин зерен при микроцарапании отдельными зернами и глубина резания, при которой происходит скалывание. Доказано, что распределение износа с наибольшей вероятностью подчиняется закону Вейбулла. Установлены функциональные зависимости параметров закона распределения от глубины скалывания. Модель может быть использована для изучения изменения рельефа рабочей поверхности при шлифовании абразивными инструментами различной зернистости и вида материала.
Бесплатно
Математическое моделирование модернизированного ударно-вибрационного механизма
Статья научная
В данной статье рассмотрена математическая модель модернизированного ударно-вибрационного механизма для уплотнения сыпучих материалов (в том числе трудно деформируемых), основанного на четырёхзвенном механизме, в состав которого входит рычаг Архимеда. В статье указаны плюсы данного механизма относительно предшествующего. Отображены формулы для расчета коэффициентов увеличения движущей силы привода. Описана математическая модель механизма, состоящая из геометрического, кинематического и силового расчетов. Исходя из математической модели, подобраны необходимые условия для успешной работы этого механизма. На кафедре «Колесных и гусеничных машин» ЮУрГУ спроектирована 3D-модель рабочего органа на основе четырехзвенного механизма и всей опытной установки. Специально спроектированная опорная поверхность рамы (столу) позволяет регулировать высоту уплотнения от 10 до 250 мм. Что позволит после изготовления установки, провести не только испытания четырехзвенного механизма, но и понять на какую глубину и с каким эффектом он способен уплотнить. По проведенным раннее испытаниям на ударно-вибрационном стенде с шарнирно-рычажным механизмом при высоте уплотнения 65 мм, были подтверждены технологические возможности и преимущества этого механизма в сравнении с вибрационной технологией уплотнения, принятой на современных колесных или гусеничных бетоноукладчиках, а именно контрольные образцы бетона показали увеличение прочности в 1,2-1,4 раза в сравнении с прочностью образцов, полученных по традиционной технологии уплотнения. Но также были обнаружены относительные недостатки такой конструкции, которые устранены в модернизированном ударно-вибрационном механизме на основе четырехзвенного механизма.
Бесплатно
Математическое моделирование мультиинертного колебательного механизма
Статья научная
Отмечено, что свободные гармонические колебания классического маятника обусловлены взаимным преобразованием кинетической энергии груза в потенциальную энергию пружины. Разработаны осцилляторы с другим характером энергообмена, например преобразованием кинетической энергии груза в энергию магнитного поля соленоида или энергию электрического поля конденсатора. Все эти колебательные системы и подобные им явились предпосылкой создания биинертного осциллятора, в котором ускорение одного груза происходит за счет торможения другого, т.е. происходит обмен только кинетическими энергиями. Целью работы является математическое моделирование мультиинертного колебательного механизма. Основными методами исследования в рамках настоящей работы являются методы математического моделирования и анализа. Использованные методы позволяют получить достоверное описание исследуемых объектов. В предложенном мультиинертном осцилляторе инертные тела массой m каждое осуществляют гармонические колебания, обусловленные взаимным обменом кинетической энергией. Потенциальная энергия пружин для этого не требуется. Колебания тел являются свободными. Особенностью мультиинертного осциллятора является то, что частота его свободных колебаний не фиксирована и определяется преимущественно начальными условиями. Эта особенность может оказаться весьма полезной для технических приложений, например, для самонейтрализации механической реактивной (инерционной) мощности. Образованный инертными телами n-угольник осуществляет сложное движение - орбитальное вращение вокруг центра координат и спиновое вращение вокруг своей оси, проходящей через центр n-угольника. При этом каждый груз совершает линейные гармонические колебания вдоль своей направляющей. При расположении направляющих грузов не в виде звезды, а параллельно друг другу углы между соответствующими кривошипами необходимо составят 360/n градусов.
Бесплатно
Математическое моделирование плазменного подогрева цилиндрической заготовки
Статья научная
В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса плазменно-механической обработки круглых цилиндрических заготовок для случая стационарного и нестационарного режимов. Подогрев заготовки плазменной дугой позволяет значительно снизить прочностные характеристики обрабатываемого материала и существенно повысить производительность операций формообразования. При построении теплофизической модели используется авторская методика, базирующаяся на действии фиктивных приповерхностных внутренних источников теплоты. Основой моделирования служат дифференциальные уравнения переноса тепла в частных производных в предположении анизотропности и температурной инвариантности физико-механических свойств обрабатываемых материалов. Начальные и граничные условия учитывают как конвективный теплообмен с окружающей средой, так и теплоотдачу излучением в инфракрасном диапазоне. Для стационарного и нестационарного режимов методом Фурье рассчитаны температурные поля, позволяющие определить значение и градиентную картину в приповерхностном слое заготовки, подвергающемся наибольшему нагреву. Полученные соотношения приведены к инженерному виду, удобному для проведения практических расчетов. Отличительной особенностью построенных моделей является возможность построения температурных полей вне зависимости от размеров заготовки, так как все соотношения выведены в безразмерном виде с единым характерным размером - радиусом обрабатываемого вала. Проведенный численный эксперимент показал границы применимости и необходимости использования соотношений, учитывающих нестационарность режима на уровне половины характерного размера. При обработке валов длиной более радиуса заготовки влияние времени становится несущественным и процесс можно считать стационарным. Кроме того, расчеты дали возможность найти оптимальное с точки зрения длительности бесперегревной работы инструмента расстояние между резцом и плазменной горелкой в безразмерном виде.
Бесплатно
