Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Рассматривается процесс перехода механической энергии в тепловую в нанокристалле без дефектов. Взаимодействие между частицами кристалла – нелинейное, учитывается влияние только ближайших соседей. Начальная температура кристалла задаётся случайными скоростями частиц с нулевым математическим ожиданием и равномерным распределением. Механическая энергия кристалла определяется энергией заданной на нём гармонической волны, после чего численно решается задача Коши для ячейки периодичности с последующим усреднением результатов по ансамблю реализаций [1].
Введение в модель идеального кристалла тепловых скоростей частиц приводит к необратимости распределения энергии волны между частицами, если тепловая энергия кристалла достаточно велика в сравнении с механической энергией [2]. В данной работе для реальных кристаллов показывается необратимость этого перехода, а также сохранение волной её первоначальной формы при уменьшающейся амплитуде. Убывание механической энергии со временем описывается модифицированным экспоненциальным законом, что позволяет определить коэффициент внутреннего трения кристалла и описать движение частиц с помощью уравнения продольных колебаний стрежня.
Результаты работы были получены с использованием вычислительных ресурсов суперкомпьютерного центра Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
1. A. M. Krivtsov. Energy distribution in one-dimensional crystal. Dokl. Phys. 60 (9), page 407, 2015.
2. D. V. Tsvetkov, A. M. Krivtsov. Energy distribution in one-dimensional crystal. Proc. of XXIV ICTAM, pp. 2450-2451.
Егор Борисович Старобинский
Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет и Пермский Государственный Медицинский Университет
Эффективным способом сохранения зубов при заболевании пародонтитом является шинирование. В последние годы установлено, что конструкция шины должна обеспечивать микроподвижность, характерную для здоровых зубов. В данной работе, с помощью МКЭ, встроенного в пакет ANSYS, исследуется микроподвижность зубов в норме. В расчётах предполагается, что периодонт и ткани зуба являются упругими. Согласно данным литературы, средний модуль упругости зубных тканей на четыре порядка больше модуля упругости периодонта. Это обеспечивает возможность погружения зуба как жесткого целого в периодонт, то есть его микроподвижность.
На рис.1а приведёт пример расчёта вертикальной микроподвижности здорового, премоляра при осевой нагрузке 15 Н. Видно, что зуб перемещается как жесткое целое на величину 35 мкм. Полученное значение осевого перемещения зуба на порядок меньше, чем такое же перемещение в расчете по Винклеровской модели для корня зуба в виде конуса [1] (170 мкм), и близко к экспериментальному значению осевого перемещения [2] (15-20 мкм при нагрузке 1-5 Н).
Важным параметром является давление в периодонте (-0,25 МПа на рис.1б), которое при определенном значении запускает процесс резорбции. Такие же величины были определены для горизонтальной нагрузки 5 Н, действующей на здоровый премоляр (максимальное перемещение составило 21 мкм, давление -0,4 МПа).
Определялась также подвижность зубов при патологии (при заболевании пародонтитом). На первом этапе рассасывание межзубной альвеолярной перегородки приводит к уменьшению площади периодонта и, как результат, к увеличению подвижности и давления в периодонте. При уменьшении межальвеолярной перегородки премоляра на 4 мм (25% от высоты корня зуба) перемещение и давление составили 56 мкм и -0,40 МПа для вертикальной нагрузки, 77 мкм и -0,90 МПа для горизонтальной нагрузки. Увеличившиеся подвижность зубов и давление в периодонте при патологии приводят к ускорению процесса рассасывания костных тканей альвеолы. Полученные данные важны для анализа возможности остановки процесса резорбции с помощью шины. изготавливаемой из термопласта, пониженная жесткость которого позволяет сохранить микроподвижность зубов.
Савелий Евгеньевич Пешин
Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН
Развитие аэрокосмической промышленности связанно с применением в конструкциях и различных изделиях современных высокопрочных алюминиевых сплавов. В настоящей работе описываются экспериментальные исследования по оптимизации процесса лазерной сварки для алюминиевого-литиевого сплава 1420. Исследованы различные режимы термообработки для получения, выполненных лазерной сваркой, неразъёмных соединений имеющие характеристики близкие к основному сплаву или равные.
Из листов сплава 1420 изготавливались образцы размером 5 × 10см. Полученные образцы проваривались на автоматическом лазерном технологическом комплексе (АЛТК) «Сибирь-1», созданном в лаборатории №3 ИТПМ СО РАН.
Был определён оптимальный режим сварки, при котором не наблюдалось внешних дефектов швов: 2.7 кВт мощности излучения CO2-лазера, скорость перемещения излучения 4 м/мин, положение фокальной плоскости Δf = -3 мм.
Для термообработки были выбраны пять режимов закалки при различных режимах. Нагрев перед закалкой составлял 320, 400, 450, 490 и 530 °C, нагрев шёл со скоростью 5°C/мин и образцы оставались при постоянной температуре в течение 30 мин. Образцы остывали в воде, комнатной температуры, на воздухе и в печи, где происходила частичная гомогенизация образцов. Как видно из рисунка, оптимальной была выбрана температура закалки 490°C, при которой практически отсутствует разница между областью сварного шва и основным сплавом. Так же после трёх видов закалки при 490°C, образцы были искусственно состарены при пяти режимах: 8ч + 150 °С, 24ч + 120 °С, 10 ч + 120°C, 16ч + 170 °С и режим трёхступенчатого старения.[1]
В результате были исследованы режимы термообработки сплава 1420, при котором получек экспериментально наблюдаемый факт значительного упрочнения образцов при применении процесса старения. Таким образом, полная термическая обработка позволила увеличить прочность сварного шва в 1.5 раза, приблизив ее к прочности основного сплава 1420 системы Al-Mg-Li и значительно превысить прочность сплава в состоянии поставки с завода.
Благодарность: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда проект №17-79-20139.
На рисунке: Микроструктура образцов, полученная на конфокальном лазерном микроскопе при различном значении температуры на изображение присутствует масштабная метка 30 мкм.
1. Месензова И.С., Павлов Н.А., Маликов А.Г., Оришич А.М., Карпов Е.В. Оптимизация процесса лазерной сварки и последующей постобработки сварного шва алюминиевого сплава системы Al–Mg–Li для получения высокопрочных неразъемных соединений // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XII Всероссийской конференции молодых ученых (Новосибирск – Шерегеш, 16 - 22 марта 2018 г.) / под ред. В.В. Козлова. – Новосибирск, 2018. – С. 100-101.
Ирина Сергеевна Месензова
НИИ механики МГУ им. М.В.Ломоносова
Любая теория требует верификации. Экспериментальные исследования помогают не только проверить имеющиеся теоретические предсказания, но и найти новые явления. Все материалы изменяют свои характеристики под действием температуры. Одним из изменений механических характеристик при повышении температуры является появление существенной ползучести материала. В этих условиях нагруженный материал увеличивает деформацию с течением времени. Основоположником изучения данного направления можно считать [1].
При высокой температуре испытаний возникают сложности: во-первых, со стабилизацией температуры во всем объеме печи в течение продолжительного времени, во-вторых, измерение параметров нагретого образца. В-третьих, с обеспечением пожарной безопасности, а так же и др. сложности.
Первая задача обычно решается блоком управления печи. Частой встречающейся особенностью промышленных печей является расположение термопар вблизи нагревательных ТЭН-ов. Это приводит к невозможности поддержания точной температуры на образце. Рассматривая температуру образца в длительном промежутке времени можно обнаружить влияние сквозняков в комнате, долго открытых дверей, изменение комнатной температуры и др. Более точное поддержание температуры возможно при непосредственном контакте образца с термопарой. Т.е. при установке каждого образца к нему прикрепляются термопары, соединенные с блоком управления.
Измерение параметров нагретого образца наиболее целесообразно получать бесконтактным способом [2]. Идея метода состоит в периодическом фотографировании образца через кварцевое смотровое окно. Из эксперимента получают несколько сотен фотографий, в зависимости от деформации образца и частоты съемки. После этого их необходимо обработать, получив метрические данные и построить соответствующие графики.
Для обеспечения пожарной безопасности и возможности контроля над ходом протекания эксперимента в течение нескольких недель удобно, во-первых, иметь видеодоступ, основанный, например, на web-камерах, а во-вторых, удаленного управления процессом нагрева и/или резервным отключением нагрева, например, на основе умных розеток TP-Link. Все электронные приборы следует включать через ИБП.
Таким образом, при длительных экспериментах следует использовать комплексный подход при организации испытаний. Наиболее существенным является возможность удаленного контроля и управления ходом протекания эксперимента.
Валентин Викторович Терауд
Пермский государственный национальный исследовательский университет
В последние годы в России были разработаны самолеты нового поколения и осуществлены их частные и государственные запуски. В связи с этим возникли новые сложные и крайне важные инженерные задачи. Так, на самолете МС 21 используются крылья из композитного материала, имеющего хорошие прочностные характеристики и низкую плотность, но, одновременно, большую чувствительность к высоким температурам. В связи с этим повреждение, например, системы кондиционирования способно привести к перегреву или даже к полному разрушению сегмента крыла. Подобные утечки случаются и в других технических ситуациях. К примеру, пробой газопровода может повлечь существенные экономические потери, а также привести к экологическому загрязнению. Таким образом, существует необходимость своевременного обнаружения и локализации разрывов трубопроводов.
Как правило, трубопровод окружен теплоизолирующей оболочкой, поэтому при повреждении нагретая жидкость не вытекает в окружающую среду, а просто прогревает (или охлаждает) теплоизоляцию изнутри. В результате на внешней поверхности трубопровода образуется температурная неоднородность, причем ее размер и форма будут зависеть не только от характера повреждения, но и его ориентации относительно вектора ускорения свободного падения. Поэтому в зависимости от локализации повреждения вокруг трубы возникнут разные конвективные структуры, исследование которых поможет спроектировать адекватные распределенные системы мониторинга.
Так как при разрыве вытекающая жидкость часто остается под слоем тепловой изоляции, задача определения местоположения повреждения оказывается тесно сопряжена с процессом тепломассопереноса на внешней поверхности трубопровода. В качестве упрощения можно рассмотреть систему коаксиальных цилиндров с неравномерным подогревом [1, 2, 3]. Внешний цилиндр находится при температуре T0 и играет роль холодильника. Внутренний цилиндр разделён на две области в вертикальном направлении: одна половина теплоизолирована, другая поддерживается при постоянной температуре Ti > T0. Система находится в поле силы тяжести, причём вектор ускорения свободного падения g ортогонален оси цилиндров. Для имитации поворота внутреннего цилиндра, вектор g задаётся под некоторым углом α к вертикальной оси y.
Нами изучено влияние интенсивности нагрева и ориентации системы относительно направления вектора ускорения свободного падения g на структуру течения, распределение температуры в слое жидкости и интенсивность теплоотдачи. По результатам работы были сформированы требования к расположению и чувствительности элементов БРСКУ.
Матвей Максимович Гончаров
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Намагничивающийся эластомер (НЭ) – это композитный материал, состоящий из упругой (вязкоупругой) основы и диспергированных в ней ферромагнитных частиц нано- или микроразмера. В докладе рассматривается проблема неоднозначности деформации этих материалов в магнитном поле. Исследуются, в частности, такие особенности поведения сферических и тонких тел из НЭ, как наличие двух устойчивых положений равновесия при фиксированной конфигурации магнитного поля (бистабильность), а также существование трех устойчивых положений равновесия тонкого тела из НЭ при определенном расположении двух электромагнитных катушек относительно его оси (мультистабильность). Данные эффекты были теоретически изучены в [1] и [2], соответственно. Также в докладе представлены эксперименты, в которых обнаружено существование двух и более чем двух равновесных форм тонкого тела из НЭ в неоднородном магнитном поле. На рисунке изображен экспериментальный график зависимости относительного удлинения тонкого тела от тока в электромагнитной катушке. Рассматриваются различные методики экспериментального определения параметров моделей упругого тела (модель Нео – Гука, Муни – Ривлина) и вязкоупругого тела (модель Кельвина – Фойгта с учетом пластических деформаций). Исследуются зависимости данных параметров от величины магнитного поля и влияние этой зависимости на характер деформации тел. Силовым методом определены магнитные свойства НЭ. Предложены способы создания анизотропных тел из НЭ. Построена модель анизотропного тела и экспериментально найдены параметры модели.
Исследования поддержаны РФФИ (18-501-12011, 18-31-00066, 16-31-60091).
1. Naletova V.A., Pelevina D.A., Merkulov D.I., Zeidis I., Zimmermann K., Bi-stability of the deformation of a body with a magnetizable elastomer in a magnetic field // Magnetohydrodynamics, Vol. 52, 2016, No. 3, pp. 287-298.
2. D.I. Merkulov, V.A. Naletova, D.A. Pelevina, V.A. Turkov, Multi-stability of a body with magnetizable elastomer in a non-uniform magnetic field // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 431, 2017, pp. 123-125, http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.011.
Дмитрий Игоревич Меркулов
Тульский государственный университет
Особенности изготовления сердечников пуль с удлиненной оживальной головной частью обусловлены трудностями, связанными с достижением больших перепадов диаметра на торцевом участке тонкого цилиндрического стержня, при необходимости обеспечения высокой производительности, единообразия и требуемого качества изделия.
Наиболее эффективной для получения подобного рода деталей является операция обработки металлов давлением - выдавливание, позволяющая получать детали с достаточной точностью, практически без потерь материала и с требуемыми характеристиками.
Оценка деформируемости и прогнозирование разрушения заготовок проводилась на основе феноменологической теории разрушения [1]. Использование деформационной теории позволяет на каждом этапе деформирования определять среднее нормальное напряжение s, показатель напряженного состояния h и приращение деформации dei. Степень использования запаса пластичности Ψ представляется суммированием по приращениям с учетом влияния истории деформирования:
Ψ=∫(dei)/(eip(h)),
если Ψ≤0,33, высокий эксплуатационный уровень, высококачественные изделия, предназначенные для эксплуатации в «жестких» условиях; Ψ ≤0,55, хороший эксплуатационный уровень, качественные изделия, у которых существуют ограничения по нижнему пределу прочности, вязкости и долговечности; 0,55≤ Ψ<1, низкий эксплуатационный уровень, изделия, которые не несут значительных нагрузок.
С помощью программного комплекса QForm 2D/3D оценена реальная картина пластического формоизменения материала в процессе выдавливания, исследовано напряженно-деформированное состояние во всем объеме обрабатываемой заготовки в любой момент времени, а также оценены силовые параметры и количество технологических переходов для получения изделия с высоким эксплуатационным уровнем.
Маршрутная технология изготовления сердечников пуль с удлиненной оживальной головной частью представлена на рисунке 1.
1. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. – М.: Металлургия. 1970. 229с.
Людмила Петровна Семенова
НИИ механики МГУ
Рассматривается двухзвенный маятник, на втором звене которого закреплено тонкое крыло с симметричным аэродинамическим профилем, как показано в [1]. Вся система помещается в поток с постоянной скоростью V и монтируется таким образом, что обе оси маятника вертикальны. Первое звено маятника снабжено линейной спиральной пружиной. Введём систему отсчета, как показано на Рис.1. Ось абсцисс направлена по скорости потока. Выберем угол между этой осью и первым звеном и угол между этой осью и вторым звеном в качестве обобщенных координат. Предполагается, что пружина не напряжена, когда угол между первым звеном и осью абсцисс равен нулю, т. е. звено ориентировано «вдоль потока».
Чтобы описать аэродинамическую нагрузку на крыло, используется квазистатический подход, как например в [2]. В рамках этого подхода предполагается, что аэродинамическая нагрузка на крыло зависит только от мгновенного состояния движения системы. Получены условия асимптотической устойчивости положения равновесия «вдоль потока». Исследуется влияние положения крыла и жёсткости пружины на устойчивость. Увеличение расстояния, на котором крепится лопасть, ведёт к устойчивости системы, а увеличение жёсткости пружины на первом звене приводит к её потере.
Также, изучаются предельные циклы, возникающие в системе при определённых значениях параметров. Проанализирована зависимость их амплитуды и частоты от жёсткости пружин.
Эксперименты с таким маятником проводились в аэродинамической трубе Института механики МГУ. В ходе испытаний были определены характеристики колебательных режимов для разных скоростей ветра и различных положений крыла на втором звене. Показано, что экспериментальные данные качественно согласуются с результатами численного моделирования.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (No. 17–08–01366, 18–01–00538).
1. Голуб А.П., Селюцкий Ю.Д. О влиянии упругого крепления на колебания двух- звенного аэродинамического маятника // Труды Московского физико-технического института. 2017. No. 3. С. 8 – 13.
2. Klimina L., Dosaev M., Selyutskiy Yu. Asymptotic analysis of the mathematical model of a wind-powered vehicle // Applied Mathematical Modelling. Elsevier BV. 2017. Vol. 46. P. 691–697.
Андрей Петрович Голуб
Лаборатория вибрационной гидромеханики, Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет
Работа посвящена экспериментальному изучению тепловой конвекции жидкости, заполняющей цилиндрический коаксиальный зазор с границами разной температуры при вращении вокруг горизонтальной оси. Рассматривается случай толстого слоя с более нагретой внутренней границей, когда центробежная сила инерции оказывает стабилизирующее воздействие на систему. Сила тяжести, вращающаяся в системе отсчета полости, является возмущающим фактором. На фоне колебаний неизотермической жидкости относительно полости, вызываемых осциллирующим внешним силовым полем, возбуждаются инерционные волны [1]. Обнаружено, что взаимодействие инерционных волн с неоднородным неизотермическим температурным полем приводит к генерации осредненных конвективных потоков. Волны, испытывающие многократное отражение от границ полости, формируют потоки неизотермической жидкости в виде системы азимутальных вихрей, не симметрично расположенных вдоль оси вращения (см. рис.).
Показано, что вибрационная конвекция, в основе которой лежат инерционные волны, распространяющиеся в неизотермической жидкости, проявляется даже в условиях устойчивой стратификации (при быстром вращении) до порога «классической» вибрационной конвекции [2]. Последняя возникает пороговым образом при понижении скорости вращения полости и проявляется в виде двумерных валов вытянутых вдоль оси вращения (см. рис.) на фоне азимутальных вихрей. Влияние допороговых конвективных течений усиливается с ростом разности температур на границах слоя.
Работа выполнена в рамках в рамках задания Минобрнауки (проект РФ 3.9053.2017/БЧ).
1. Kozlov V.G., Ivanova A.A., Vjatkin A.A., Sabirov R.R. Vibrational convection of heat-generating fluid in a rotating horizontal cylinder. The relative length of the cavity role // Acta Astronautica. 2015. Vol. 112. P. 48–55. DOI: 10.1016/j.actaastro.2015.03.014
2. Вяткин А.А., Козлов В.Г., Сираев Р.Р. О конвективной устойчивости жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндрическом слое // Изв. РАН. МЖГ, 2017. № 4. С. 73–84.
Алексей Анатольевич Вяткин
Научно исследовательский институт механики МГУ им. М. В. Ломоносова
Аналитически и численно поставлены и решены плоские задачи о контуре и сопле максимальной тяги в сверхзвуковом потоке с ударными волнами.
Постулируется, что оптимизируемый контур, соединяющий две заданные точки А и C, причем ХA < XC и YA < YС, состоит из двух отрезков. Первый из них прямолинейный разворачивает однородный сверхзвуковой поток, имеющий место при X=XA и Y<YA, в волне разрежения Прандтля-Майера с центром в точке А на некоторый, заранее неизвестный угол Q, разгоняя его до значительных сверхзвуковых скоростей. Второй – в общем случае криволинейный, с неизвестной формой следует за первым с изломом в точке сопряжения В, XA < XB < XC, где образуется ударная волна, повышающая давление на этом отрезке контура.
Первая из рассмотренных задач носит модельный характер и относится к оптимальному профилированию хвостовой части тела с плоской нижней (или верхней) поверхностью, не возмущающей сверхзвуковой поток. В некоторой точке А указанная поверхность терпит излом, за которым контур тела должен прийти в некоторую точку С. В соответствии с высказанным постулатом ищется контур, соединяющий точки А и С, генерирующий ударную волну в своей точке излома и доставляющий максимум функционалу тяги. Взаимодействие сверхзвукового потока за волной Прандтля-Майера со стенкой на участке ВС моделируется по формуле Ньютона. Показано, что экстремаль состоит из двух отрезков прямых, причем второй составляет с первым угол Q/2. В зависимости от числа Маха М невозмущенного потока и удлинения профилируемой кормовой части тела λ = (XC - ХA)/(YС - YA) построены области существования экстремалей, соответствующие разным Q. Установлено, что каждому углу Q в плоскости параметров (М, λ) отвечает ограниченная кривая, концы которой при λ > 0.5 соответствуют коническому профилю – отрезку прямой, соединяющему точки А и С. Между указанными точками при изменении, например, одного из параметров – числа М достигается максимум отношения Т = ТO/ТС, где ТО – тяга оптимального, ТС – тяга конического контура, в некоторых случаях превышающий единицу на несколько десятков процентов. Точное решение соответствующей оптимизационной задачи в классе отрезков прямых значительно расширяет область существования "ударных" контуров и увеличивает их преимущество по сравнению с коническими контурами.
Вторая задача относится к построению плоского сверхзвукового сопла максимальной тяги с заданными координатами входа (ХA = 0, YA > 0 – критическое сечение сопла, в котором задано число Маха потока, несколько превышающее единицу: М=1.01) и выхода (XC, YС). Для приближенного определения формы экстремали на отрезке [XВ,XС] рассмотрена задача об оптимальной форме указанного отрезка при моделировании потока в сопле на отрезке [XА, XС] потоком от плоского сверхзвукового источника со звуковой линией, проходящей через точку А. Взаимодействие потока от источника со стенкой сопла на отрезке [XВ, XС] моделируется по формуле Ньютона. Показано, что каждый луч, выходящий из центра источника под некоторым углом φ ≤ Q, составляет в точке пересечения с элементарным отрезком экстремали угол φ/2. Следовательно, криволинейный отрезок экстремали является параболой, в фокусе которой располагается центр источника. С использованием построенного вычислительного кода, в котором использован метод Годунова, проведены параметрические расчеты течения в сверхзвуковой части сопла, состоящего из конического с углом Q и параболического участков, и его тяги, которая сравнивается с тягой эквивалентного конического сопла. Установлено, что в зависимости от определяющих параметров задачи тяга оптимального сопла, состоящего из прямолинейного отрезка и сопрягающегося с ним отрезка параболы, может превышать на несколько процентов тягу эквивалентного сопла с прямолинейной стенкой.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-01-00182).
Альберт Ришатович Мустаев
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук
Данная работа посвящена исследованию зависимостей механических характеристик сплавов авиационного назначения системы Al-Cu-Li 1441 и В-1461 от температуры закалки и режимов искусственного старения. Сварка производилась на автоматическом лазерном технологическом комплексе «Сибирь-1» собственного производства лаборатории №3 ИТПМ СО РАН. В рамках исследования изучались такие механические характеристики, как: прочность образцов на разрыв, предел текучести и величина относительного удлинения образцов при испытании на разрыв; измерялась микротвёрдость сваренных образцов в областях основного материала, зоны термического влияния (ЗТВ) и сварного шва. Также выявлялись закономерности в изменении микроструктуры образцов.
На основе более ранних исследований [1] были выбраны режимы закалки образцов после выдержки в течение 30 минут при температурах в диапазоне от 320 до 545 °C со скоростью нагрева до заданной температуры 5 °C/мин.
|
Графики зависимостей предела прочности σB (а) и относительного удлинения δ (б) от температуры закалки для сплавов 1441 и В-1461
|
В результате были получены режимы термообработки сплавов 1441 и В-1461, при которых достигается прочность образца 0.92 и 0.9 относительно основного сплава для В-1461 и 1441 соответственно. Величина относительного удлинения образцов из сплава В-1461 после закалки на одном из режимов увеличилась, и превысила таковую у основного сплава на 6.6 %, а после искусственного старения, при достижении уровня прочности 0.92, величина относительного удлинения стала выше на 3 %. Наблюдения на лазерном конфокальном микроскопе показали изменения микроструктуры образцов в области сварного шва и ЗТВ в зависимости от температуры закалки, вплоть до полного исчезновения границы сварной шов – основной материал сплава. На рисунке а для обоих сплавов наблюдается рост прочности при повышении температуры закалки в диапазоне 400-530 °C. Лучшим режимом по критерию прочности был выбран режим закалки при температуре 530 °C. Также на рисунке б видно, что для сплава В-1461 величина относительного удлинения растёт с ростом температуры закалки практически линейно, в то время как, для сплава 1441 однозначно выявить зависимость нельзя.
Благодарность: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда проект №17-79-20139.
1. Павлов Н.А., Месензова И.С., Маликов А.Г., Оришич А.М., Карпов Е.В. Оптимизация технологии лазерной сварки с использованием непрерывного СО2-лазера, алюминий-литиевых сплавов системы Al–Cu–Mg–Li для получения высокопрочных сварных соединений // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии : тезисы докладов XII Всероссийской конференции молодых ученых – Новосибирск, 2018. – С. 116-117.
Никита Алексеевич Павлов
Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова
В докладе описывается малогабаритная установка для экспериментального изучения аэроупругих колебаний, собранная из доступных робототехнику-любителю деталей, таких как микроконтроллер Ардуино, вентилятор и гибкий тензорезистор, меняющий свое сопротивление при изгибе, к которому присоединена пластиковая пластина. Установка позволяет осуществлять сбор и анализ данных на компьютере и может найти применение в университетском учебном процессе.
Установка является модификацией устройства Flexy (см. https://github.com/martin-kaluz/flexy-arduino/wiki), разработанного в Словацком технологическом университете для обучения студентов основам автоматического управления. В оригинальной версии воздушный поток вентилятора направлен снизу вверх и отклоняет на некоторый угол пластиковую пластину, лежащую на нем и прикрепленную к тензорезистору.
В модифицированной версии пластина установлена почти перпендикулярно вентилятору в горизонтальной плоскости. Наблюдаемый угол отклонения пластины является нелинейной функцией сопротивления тензорезистора. Тензорезистор является и плоской пружиной, в отсутствие подьемной силы возвращающей пластину в исходное положение после отклонения. Микроконтроллер передает по USB данные о сопротивлении и управляет скоростью вращения вентилятора.
Предварительные эксперименты с установкой (см. https://vimeo.com/mdemenkov/flexyflutter) демонстрируют жесткое возбуждение и последующее мягкое затухание колебаний в диапазоне скорости потока 3-5 м/c, а также дивергенцию пластины. Выявлен эффект вязкоупругого гистерезиса тензорезистора (см. https://vimeo.com/mdemenkov/viscoelastic). Для корректного наблюдения угла отклонения необходима идентификация гистерезиса и его учет при обработке поступающих данных. Также, пока не решена задача идентификации всей аэроупругой системы для сравнения эксперимента с результатами численного бифуркационного анализа.
Максим Николаевич Деменков
ФГУП ЦНИИмаш
При проектировании конструкций предъявляются высокие требования к точности расчетов запасов прочности. При расчетах критерием прочности считается достижение предельной интенсивности пластических деформаций в какой-либо зоне конструкции. Как показано в данной работе предельная деформация существенно зависит от типа напряженного состояния, который характеризуется безразмерными параметрами: объемностью, углом Лоде.
Целью работы является определение вида зависимости предельной интенсивности деформации от типа напряженного состояния. Для определения указанной зависимости проводились испытания образцов с реализацией различных видов напряженного состояния.
Исследовалось растяжение образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Рассматривался гладкий цилиндрический образец, а так же образцы с кольцевыми выточками (концентраторами) радиусов 2,5 мм, 1 мм, 0,5 мм. Образец растягивался с постоянной скоростью перемещения захватов на сверхпрецизионном испытательном оборудовании, что позволяло остановить эксперимент в момент инициации разрушения. Далее проводилась томографическая диагностика испытанных образцов с целью выявления места инициации разрушения. Следующим шагом определялись значения расчетных параметров напряженного состояния в зоне начала разрушения. Расчет напряженно-деформированного состояния проводился с помощью программного комплекса SIMULIA Abaqus в геометрически и физически нелинейной постановке. В качестве модели материала использовался вариант теории пластического течения с нелинейным изотропным упрочнением.
В ходе изучения образцов с выточкой выявлена нетипичная зависимость. Максимальная деформация по расчетам реализуется вблизи концентраторов, однако инициация разрушения происходит в середине образца, как и в случае гладкого.
В работе представлена выявленная зависимость предельной деформации от коэффициента объемности для всех исследуемых образцов (найдена искомая зависимость для угла Лоде равном 1). В настоящий момент ведется работа по определению данной зависимости для остальных углов Лоде.
Мария Владимировна Захарова
Волгоградский государственный технический университет
Исследования по механике движения шагающих машин и роботов выявили недостатки, вызванные низкой энергетической эффективностью и сложностью алгоритмов управления их движением. Обусловливается это нелинейностью механических процессов, протекающих при дискретном взаимодействии шагающего движителя с опорной поверхностью, процессами переноса движителей в новое положение относительно корпуса и т.д.
Проявление нелинейных эффектов вызывает необходимость генерирования в приводе курсового перемещения переменных во времени сил для обеспечения равномерного движения, что приводит к непроизводительным потерям энергии.
Одним из возможных вариантов снижения сил в приводе курсового перемещения может быть управление касательной жёсткостью в системе стопа-грунт за счёт переменной жёсткости этой системы.
Ярослав Владимирович Калинин
Белорусский государственный университет
После хирургической резекции трубчатых костей зачастую возникают патологические переломы в области пост-резекционного дефекта, особенно при остеопорозе кортикальной костной ткани [1]. Целью настоящей работы является оценка предельных нагрузок на бедренную кость на основании конечно-элементного моделирования для различного процентного содержания остеонов и пористости кортикальной костной ткани. Проведен сравнительный анализ прогнозируемой предельной нагрузки на бедренную кость с пост-резекционным дефектом и результатов эксперимента по определению разрушающей нагрузки.
Кортикальная костная ткань описывалась изотропной упругой средой с учетом различного процентного содержания остеонов (30%, 44.5% и 50%) и пористости (5% и 8%) [2]. Граничные условия соответствовали действию собственного веса человека на бедренную кость [3]. Пост-резекционный дефект размещался в средней трети диафиза бедренной кости. Дефект располагался таким образом, что оставшийся после резекции фрагмент находился в наружном анатомическом квадранте. Эксперимент по определению разрушающей нагрузки проводился для бедренной кости с костным дефектом при тех же граничных условиях. Оценка предельной нагрузки осуществлялась на основании расчета критического J-интеграла в области пост-резекционного дефекта.
Экспериментальное значение величины нагрузки на бедро с дефектом составило 630 Н. Предельное значение нагрузки на основании конечно-элементного расчета критического значения J-интеграла оказалось на 7.8% ниже для наибольшего процентного содержания остеонов и наименьшего значения пористости. При уменьшении процентного содержания остеонов и увеличении пористости предельная нагрузка на бедренную кость нелинейно возрастает. Полученные результаты могут быть использованы специализированными медицинскими учреждениями, выполняющими хирургические операции по удалению опухолеподобных поражений длинных трубчатых костей, для прогнозирования возникновения трещин в окрестности пост-резекционного дефекта и формулировке рекомендаций по их предупреждению.
Работа выполнена при поддержке граната FP7 IRSES Marie Curie 610547 TAMER.
- Шпилевский, И.Э. Оценка прочности бедренной кости при секторальной резекции / И.Э. Шпилевский, А.В. Спиглазов // Медицинские новости. - 2010, №9. - С.100 - 105.
- Li S. Cutting of cortical bone tissue: analysis of deformation and fracture process / Doctoral Thesis. Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough, UK. 2013. 220 pp.
- Letter to the editor, 2002. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion—part I: ankle, hip, and spine. Journal of Biomechanics Vol. 35, 543–548.
Анна Ивановна Ершова
