DIAGNOSTICS, RESOURCE AND MECHANICS OF MATERIALS AND STRUCTURES

Рассматривается возможность применения метода магнитоупругого размагничивания (магнитоупругой памяти) ферромагнетиков для контроля механических напряжений протяженных стальных конструкций. Для этого исследовано магнитоупругое размагничивание пластинчатого образца больших размеров, предварительно локально намагниченного в виде полосы N-S, при его деформации простым изгибом. При этих условиях деформации листа по его длине будут чередоваться зоны растяжения и сжатия, а следовательно, локально намагниченная полоса стали по своей длине будет испытывать напряжения разного уровня и знака. Установлено, что наибольшее значение убыли δН напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности в виде полосы N-S имеют области стального листа в вершине изгиба, где напряжения растяжения не превышают 100 МПа. В остальных участках листа выявлено периодическое распределение δН меньшего уровня с длиной волны 20–30 см, что сопоставимо с размером половины его зоны с однотипными напряжениями, создаваемыми при изгибе. Проведена калибровка полученных результатов изменения δН по уровню испытываемых напряжений, и получено их распределение вдоль всей длины изгибаемого листа. Сделан вывод о применимости метода магнитоупругой памяти для контроля напряженного состояния протяженных стальных конструкций в режиме памяти.

Показано, что пластическое течение в твердых телах возникает локализованно на макроскопическом уровне ~10−2 м. Зоны локализованного пластического течения формируют картины локализованной деформации, представляющие собой проекцию автоволновых процессов пластического течения, развивающихся в объеме материала, на наблюдаемую по-верхность образца. В качестве источника информации о кинетике пластической деформации выбран метод спекл-фотографии. Общей особенностью локализованного пластического течения в твердых телах является упругопластический инвариант деформации, сочетающий типичные характеристики автоволн локализованного пластического течения с характеристиками упругих волн в кристаллической решетке. Инвариант определен почти для сорока раз-личных материалов (ОЦК-, ГЦК- и ГПУ-металлов и сплавов с решетками, щелочно-галоидных кристаллов, керамики и горных пород) в условиях активного растяжения и сжа-тия в интервале температур 143–420 К. С физической точки зрения обсуждается происхождение инварианта и его связь с другими физическими характеристиками кристаллической решетки, в частности с температурой Дебая. Выведены также многочисленные следствия упругопластического инварианта, позволяющие адекватно описывать закономерности пла-стического течения. Это, в свою очередь, позволяет рассматривать упругопластический ин-вариант деформирования как основное уравнение развивающегося в настоящее время автоволнового подхода к физической теории пластического деформирования.

В статье представлено семейство точных решений системы уравнений Навье – Стокса, используемой для описания неоднородных однонаправленных течений вязкой жидкости с учетом моментных напряжений. Несмотря на наличие только одной ненулевой компоненты вектора скорости, эта самая компонента зависит от времени и двух пространственных координат. Зависимость от третьей пространственной координаты отсутствует ввиду уравнения несжимаемости, являющегося частным случаем закона сохранения массы. Получающаяся переопределенная система уравнений рассматривается в нестационарной постановке. По-строение семейства точных решений полученной переопределенной системы начинается с анализа однородного решения типа Куэтта как наиболее простого в этом классе. Далее структура решения постепенно усложняется: профиль единственной ненулевой компоненты вектора скорости представлен в виде полинома, зависящего от одной переменной (горизонтальной координаты). Коэффициенты полинома функционально зависят от второй (верти-кальной) координаты и времени. Показано, что, ввиду сильной нелинейности и неоднородности исследуемого уравнения, сумма отдельных его решений не является решением. Также показано, что в линейно независимом базисе степенных функций горизонтальной координаты, определяющих вышеупомянутый полином, рассматриваемое уравнение распадается на цепочку простейших однородных и неоднородных уравнений в частных производных пара-болического типа. Данные уравнения интегрируются последовательно, порядок интегрирования отдельно описан. Результаты, изложенные в данной статье, обобщают ранее представ-ленное авторами семейство точных решений для описания однонаправленных нестационарных течений.

Работа посвящена вопросам численного моделирования аэродинамики профиля NACA 0012 при различных углах атаки. Рассмотрено два подхода к определению угла атаки: за счет изменения положения вектора скорости набегающего потока и за счет изменения относительного положения плоского аэродинамического профиля. Величина угла атаки варьируется в диапазоне от −5 до +10°. Численное моделирование проводилось с помощью пакета openFoam для решения задач механики сплошной среды в стационарной постановке на осно-ве конечных объемов с использованием решателя rhoSimpleFoam. В результате исследования были получены значения скорости потока и давления, частично определяемые методом зада-ния угла атаки. Показано существенное влияние метода задания угла атаки на расчетные аэродинамические коэффициенты. Дана оценка математической корректности и численной неоднозначности рассмотренных подходов. Сравнение коэффициентов сопротивления друг с другом в сочетании с качественным анализом полей физических величин показывает не-корректность определения угла атаки путем изменения положения вектора скорости набега-ющего потока.

Аналитически рассмотрены резонансные осесимметричные колебания цилиндрических дисков из изотропных материалов в соответствии с теорией Кога. Представлены в удобном для расчетов виде соотношения, связывающие безразмерные резонансные частоты с геометрическими размерами дисков и динамическими характеристиками материала (коэффициентом Пуассона и скоростью сдвиговых волн). Вычислены и сведены в таблицы цифровые значения безразмерных резонансных частот при разных коэффициентах Пуассона в пределах 0,20–0,45 с шагом 0.05 для ряда дискретных отношений толщины к диаметру дисков в пределах от 0 до 0,853145 и от 0 до 0,30 при возбуждении колебаний первой и второй форм соответственно. Оценка методических погрешностей расчетов резонансных частот на основе сравнения с известными результатами, полученными методом Рэлея – Ритца, доказала их высокую сходимость. Рассчитаны инструментальные погрешности определения динамических характеристик материала применительно к экспериментальным результатам, полученным в ряде известных работ.

В работе рассмотрен вопрос выбора оптимальных параметров работы диагностичской установки для двигателя внутреннего сгорания. Разработана методика и утверждена программа проведения лабораторного эксперимента. С применением метода математического планирования составлена план-матрица трехфакторного эксперимента 33. Объектами ис-следования выбраны пневматические клапаны, давление воздуха в пневматической системе и интервал подачи сжатого воздуха в градусах поворота коленчатого вала. В результате про-веденного эксперимента получены данные изменения угла поворота распределительного ва-ла после прекращения подачи воздуха в цилиндр ДВС в зависимости от изменения заданных параметров работы установки. Проведена статистическая обработка значений с расчетом не-обходимых величин среднего значения, дисперсии и коэффициента вариации. Проверка на достоверность полученных данных подтвердила воспроизводимость процесса. Полученные при проведении эксперимента результаты обработаны статистически с получением регрессионных уравнений. Построены трехмерные графики поверхностей и двухмерные графики зависимости угла поворота распределительного вала после прекращения подачи воздуха в цилиндр ДВС от значений варьируемых факторов. Выполненный анализ результатов лабораторного эксперимента позволяет определить наиболее рациональные конструкторские и технологические параметры работы диагностической установки для двигателя внутреннего сгорания. Определены параметры диагностической установки для двигателя внутреннего сгорания: сечение пневматического клапана от 29,5 до 34,5 мм2; давление в системе от 0,48 до 0,62 МПа; интервал подачи сжатого воздуха в градусах поворота коленчатого вала от 140 до 180°, обеспечивающий угол поворота распределительного вала от 95 до 110°.

В статье рассматривается влияние электронно-лучевой стерилизации на детали систем забора крови из полиэтилентерефталата. Структурное состояние и степень кристалличности полиэтилентерефталата оцениваются по анализу инфракрасных спектров. Относительная интенсивность рассчитывается по опорной полосе (общему уровню интенсивности) при 1410 см−1. Рассчитываются гауссовы интенсивности полос поглощения для транс- и гош-конформаций по отношению к опорной полосе при 1505 см–1. Определены спектральные коэффициенты D973/D795, D848/D795, D1042/D795, D895/D795, D1098/D1370 и D1255/D1370. Доза до 25 кГр не оказывает существенного влияния ни на соотношение интегральных интенсивностей, ни на соотношение транс- и гош-конформаций.

Наличие в элементах конструкций из композиционных материалов межслойных дефектов, связанных с несовершенством технологии их изготовления, сложными взаимодействиями компонентов, воздействием ударных нагрузок, приводит к снижению прочности та-ких элементов и оказывает серьезное влияние на остаточную прочность. В работе проведено численно-экспериментальное исследование поведения при ударном нагружении пластины из композиционного материала с переменным углом укладки слоев. Экспериментально определены скорости ударника до и после пробития многослойной пластины, а также размеры межслойных дефектов в виде расслоений. Для моделирования процесса разрушения пластин из композиционных материалов при ударном нагружении использовали программное обеспечение Ansys LS-DYNA в режиме двойной точности. Выявлено, что значительную роль в снижении энергии удара играют размеры расслоений в зависимости от угла укладки слоев в пакете. Получена зависимость между площадью расслоения и остаточной скоростью ударника: чем больше площадь дефекта типа «расслоение», тем больше снижение скорости ударника.

При изучении конвективных крупномасштабных течений (движение жидкости в тон-ком слое) можно для первоначальных исследований рассматривать приближение Стокса при интегрировании уравнения Обербека – Буссинеска. В этом случае конвективную производную в уравнениях переноса импульса и в уравнении теплопроводности полагают тождественно равной нулю. В статье рассмотрено несколько подходов к построению точных решений для медленных (ползущих) течений неоднородно нагретой жидкости. Для установившихся течений приведены формулы для трехмерных течений в классе Линя – Сидорова – Аристова. Гидродинамические поля описываются полиномами. Приведены точные решения для поля скоростей, нелинейно зависящего от двух пространственных координат (продольных, или горизонтальных) с коэффициентами нелинейных форм, зависящими от третьей ко-ординаты. Показано, как можно автоматизировать вычисления неизвестных коэффициентов для формирования гидродинамических полей (скоростей и температуры).

С использованием численных и экспериментальных методов решена мультидисциплинарная задача определения напряженного состояния стальной оболочки вращения в условиях механического нагружения и температурного воздействия с учетом ее контакта с водородсодержащей средой. В работе используется разработанный математический аппарат решения задач теплопроводности для решения задачи диффузии водорода в металл. Дей-ствующие напряжения и их инварианты определяются решением нелинейной краевой задачи термопластичности толстостенной оболочки вращения в трехмерной постановке. В работе учитывается экспериментально зафиксированный эффект изменения механических свойств стали под воздействием водорода. Даны количественные оценки правильности предлагаемо-го метода и выполненных расчетов путем сравнения с известной задачей, имеющей аналитическое решение. Показана возможность и необходимость учитывать изменение механических свойств при определении напряженного состояния стальных конструкций, работающих в условиях контакта с водородсодержащей средой.

Работа посвящена проблеме построения точных решений вырождающегося уравнения теплопроводности со степенной нелинейностью в случае многих независимых переменных при наличии пространственной (например, осевой или центральной) симметрии. Предложен новый класс автомодельных решений, нахождение которых сводится к решению задачи Ко-ши для нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка, имею-щего особенности при старшей производной относительно искомой функции и/или незави-симой переменной. Изучение обыкновенного дифференциального уравнения проводится двумя способами: аналитическим и численным. В ходе аналитического исследования приме-няются отрезки рядов Тейлора с рекуррентно вычисляемыми коэффициентами, для которых получены явные формулы. Для численного решения задачи используется итерационный ал-горитм, основанный на методе коллокаций и радиальных базисных функциях. Проведенный численный анализ показал сходимость предложенного численного алгоритма, а также его достаточную точность, позволяющую использовать найденные автомодельные решения для верификации приближенных решений исходного уравнения теплопроводности. Также чис-ленный анализ позволил оценить радиус сходимости построенных рядов Тейлора. Вид по-строенных автомодельных решений, а именно их неограниченность вблизи центра (оси) симметрии, дал возможность исследовать поведение и точность обладающих тем же свой-ством численных решений нелинейного вырождающегося уравнения параболического типа, полученных с помощью предложенного авторами ранее пошагового метода решения.

С использованием метода корреляции цифровых изображений изучены особенности пластического течения в ходе деформации растяжением образцов стали 08Г2Б, проявляющей эффект деформационного старения. Стандартные плоские образцы, вырезанные из листа, из-готовленного по режиму контролируемой прокатки, испытаны на растяжение после термо-обработки при 680 °C с выдержкой 30 мин и охлаждением на воздухе. Показано, что на стадии макроупругой деформации происходит как рассеянное пластическое течение в отдельных участках растягиваемого образца, так и возникновение зародышевого центра в приповерхностной области, из которой впоследствии вырастает зародыш полосы локализованной деформации.