№2-2021

Полные версии статей
https://elibrary.ru/contents.asp?id=46288275

Головешкин В.А., Мягков Н.Н.

МОДЕЛЬ ПЕРЕНОСА ИМПУЛЬСА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ

Построена аналитическая механическая модель эжекции, возникающей при высокоскоростном ударе жесткого ударника по полубесконечной преграде, и дана оценка массы эжекции и эффекта усиления импульса, передаваемого преграде при ударе. Эффект усиления импульса вызван выбросом (эжекцией) фрагментов преграды в направлении, противоположном направлению полета ударника. В настоящее время проявляется устойчивый интерес к исследованию этого эффекта. Это связано, в частности, с возможным применением эффекта для отклонения потенциально опасного объекта (астероида), сближающегося с Землей, посредством ударного космического аппарата, использующего эффект усиления импульса. Модель, представленная в настоящей работе, построена в приближении плоской деформации с использованием минимального числа параметров материалов ударника и преграды. Получены уравнения для массы эжекции и приращения импульса преграды, в зависимости от глубины внедрения ударника. Модель учитывает зависимость угла вылета эжекционных фрагментов от глубины внедрения ударника. Показано, что модель адекватно описывает импульс эжекции, скорость изменения импульса эжекции и массу эжекции в зависимости от глубины проникания ударника. Проверяется возможность представления импульса и массы эжекции скейлинговыми соотношениями как для отношения плотностей ударника и преграды, ptρρ, так и для динамического параметра 20ttVYγρ= (0V — скорость удара, tY — предел текучести преграды), в которых коэффициент пропорциональности зависит только от формы ударника. Найдено, что скейлинг по динамическому параметру γ имеет место при сγ γ>, где 330сγ≈, которое, например, для алюминия дает переходное значение 02.5 км/сcV =.

Страницы: 147-168  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.147_168.01

Мовчан А.А., Экстер Н.М.

АКТУАТОР С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ СТЕРЖНЯ ИЗ СПЛАВА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ И УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА СМЕЩЕНИЯ

Одним из наиболее перспективных применений сплавов с памятью формы (СПФ) является их использование для создания рабочих тел силовозбудителей (актуаторов). Рабочее тело актуатора должно совершать определенные движения за счет явлений памяти формы (нагрев, рабочий ход актуатора) и накопления деформаций прямого превращения (охлаждении, холостой ход актуатора). Известно, что процесс деформирования СПФ при охлаждении происходит только при наличие механического воздействия, тогда как возвращение к исходной форме при нагреве происходит при отсутствии соответствующего механического воздействия и даже при наличии противодействия достаточно большой величины. Для обеспечения возможности не только рабочего, но и холостого хода актуатора рабочее тело из СПФ соединяется с упругим элементом смещения так, чтобы оба эти элемента деформировались совместно. В этом случае при нагреве элемента из СПФ он деформируется за счет явления памяти формы, что приводит к деформированию связанного с рабочим телом элемента смещения и возникновению, как в этом элементе, так и в рабочем теле, механических напряжений, возрастающих с ростом температуры элемента из СПФ. Именно эти напряжения, продолжающие действовать при охлаждении рабочего тела, обеспечивают его деформирование в противоположную сторону на этапе охлаждения рабочего тела и соответствующего прямого превращения в СПФ. В данной работе аналитически исследуется поведение актуатора, состоящего из соединенных последовательно стержня из СПФ и упругого стержня (элемента смещения), общая длина которых считается неизменной. Исследовано влияние параметров системы на напряжения в стержне из СПФ и величину рабочего хода актуатора. Определены условия осуществления в данной системе замкнутого двойного эффекта памяти формы.

Страницы: 169-190  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.169_190.02

Ду Икунь, Шешенин С.В.

ДВЕ МОДЕЛИ РЕЗИНОКОРДНОГО СЛОЯ

Брекерные слои в пневматической радиальной шине — это важная часть в конструкции шины. Эти слои включают металлический корд, что приводит к существенной жесткости на изгиб. При гомогенизации таких слоев применяют метод «обрезания» брекерного слоя. В результате возникает более тонкий слой, обладающий адекватными жесткостями как на растяжение, так и на изгиб. В данной работе используется феноменологический подход для получения эффективных свойств однородного анизотропного гиперупругого материала эквивалентного слоя. Для описания осредненных свойств можно использовать две модели: трансверсально-изотропного или ортотропного материала. В данной работе на основании численных экспериментов делается выбор между этими моделями для обрезанного резинокордного слоя. В обоих случаях потенциалы строятся на базе потенциалов Трелоара или Муни. Отметим, что в случае неоднородного тонкого слоя традиционное определение осреднения нуждается в модификации. В предыдущих работах авторов предложено определение трехмерных осредненных упругих свойств слоя путем окружения его однородным материалом. Это позволяет корректно учесть тот факт, что пограничный эффект от граничных условий на верхней и нижней поверхностях пронизывает всю ячейку периодичности. Предложен набор локальных задач, достаточный для определения материальных констант. Решены нелинейные локальные задачи на периодической ячейке и определены материальные константы упругого потенциала. Для «обрезанного» слоя определена возможность применимости ортотропного потенциала (вторая модель). Обнаружено, что ортотропные свойства проявляются относительно продольных сдвигов. Результаты показывают пригодность предложенной структуры потенциала и схемы определения материальных параметров.

Страницы: 191-204  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.191_204.03

Гончарова Т.П., Пономарев М.В., Пономарева Г.П., Попова И.М., Сладков О.М., Хитрова Н.В.

УСИЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТА БАЗАЛЬТОПЛАСТИКОМ В ВИДЕ СОТОВОЙ СТРУКТУРЫ

Представлена многослойная конструкция, состоящая из наружных слоев двухслойного базальтопластика, состоящего из базальтовой ткани, пропитанной эпоксидным компаундом и внутреннего слоя из пенополиуретана, армированного базальтопластиком, того же состава, сформированного в виде сопряженных шестигранных призм, образующих сотовый каркас. В основной части описана последовательность технологии формирования базальтопластиковых облицовочных слоев, полученных импрегнированием эпоксидного олигомера в базальтовую ткань с последующим отверждением олигомера при повышенной температуре. Приведена технология формирования базальтопластикового шестигранного ячеистого каркаса и заполнение его жидкой реакционной массой жесткой пенополиуретановой системы. Описана последовательность формирования многослойного композита в единую конструкцию. Приведены результаты экспериментальных испытании многослойного композита и его внутреннего слоя без облицовочных слоев на статический изгиб сосредоточенной нагрузкой, нарастающей с постоянной скоростью, и испытания на сжатие до 10% относительной деформации. Исследовано влияние размера призматических шестигранных ячеек каркаса на физико-механические характеристики среднего слоя. Прочностные характеристики образца определялась приложением нагрузки как в направлении перпендикулярном несущим слоям, так и в плоскости с приложением силы в направлении параллельном несущим слоям конструкции. Прочностные характеристики с уменьшением размера ячеек при испытании образцов с заполнителем в виде шестигранных призм, заполненных пенополиуретаном, на статический изгиб и сжатие возрастают в 2-4 раза. Исследована плотность композита в зависимости от типа армирования и величины ячеек базальтового каркаса, которая возрастает с уменьшение размера ячеек.

Страницы: 205-216  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.205_216.04

Белашова И.С., Бибиков П.С.

ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГАЗОФАЗНЫХ НЕОДНОРОДНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ

В статье представлены результаты исследования поверхностных слоев, получаемых осаждением металлоорганических соединений хрома на основной металл, и структурные изменения, происходящие в них при воздействии дополнительной термической обработки в виде последующего отжига. Отмечено, что тип покрытия и его структура в первую очередь зависят от температуры осаждения, поэтому различают три основных типа — кинетический, переходный и диффузионный. Каждый такой тип поверхностного слоя определяется своим механизмом формирования, и по мере изменения температуры один переходит в другой. Метастабильное состояние таких поверхностей, представляющих собой пересыщенные твердые растворы, при дополнительной термической обработке приводит к существенным структурным изменениям и формированию нано-структурированного композитного слоя. Показана возможность получения таких нано-модифицированных слоев при формировании структуры матричного раствора с дисперсно-растворенными вторичными нано-размерными частицами карбидов хрома. Определены режимы, при которых начинается кристаллизация аморфной фазы с выделением нано-размерных частиц хрома и карбидов хрома. Установлены режимы с максимальным и минимальным уровнем остаточных напряжений, непосредственно влияющих на работоспособность изделий, изучено влияние дополнительного отжига на распределение остаточных напряжений. Показано, что процесс кристаллизации аморфной фазы при отжиге и параллельно идущий процесс коагуляции карбидов обуславливает появление и рост остаточных напряжений. Исследовано влияние остаточных напряжений на адгезионную прочность поверхностных слоев, которая в значительной степени зависит и от основных параметров термической обработки — температуры и времени. Сравнение адгезионной прочности до и после отжига показало, что общий уровень адгезионной прочности при термообработке покрытий снижается незначительно, на 7-10%.

Страницы: 217-226  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.217_226.05

Жаворонок С.И.

ЗАДАЧИ О ДИСПЕРСИИ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ ВОЛНОВОДАХ: МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ (ОБЗОР). ЧАСТЬ I

Представлен краткий обзор современного состояния и тенденций развития методов решения задачи о дисперсии нормальных волн в неоднородных, в первую очередь функционально-градиентных, упругих волноводах. Кратко описаны основные типы функционально-градиентных материалов и конструкций, в том числе тонкостенные элементы с градиентной структурой, и их основные инженерные приложения. Указаны проблемы моделирования напряженно-деформированного состояния функционально-градиентных пластин и оболочек и возможные способы их преодоления. Рассмотрены основные теоретические методы определения эффективных физических постоянных функционально-градиентных материалов и оценки эффективных констант, применяемые на практике. Перечислены основные зависимости эффективных физических постоянных материала от координат, использующиеся в задачах динамики. Кратко описана постановка задачи динамики неоднородного волновода и формулировка задачи о дисперсии нормальных волн. В первой части обзора основное внимание уделено некоторым аналитическим методам решения дисперсионных задач, главным образом матричным методам, опирающимся на формулировку задачи в пространстве изображений в форме системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Приведены определения векторов состояния, соответствующие общепринятым формализмам Штро и Коши, формулировки разрешающих уравнений и краевых условий на поверхностях волновода. Описаны классические методы решения стационарной задачи динамики для слоистого волновода, являющиеся основой для аппроксимации функционально-градиентного материала системой слоев с постоянными свойствами: метод переходных матриц и его основные модификации, обеспечивающие устойчивость вычислений, и метод глобальных матриц. Рассмотрены развивающиеся в последние 15 лет методы реверберационных матриц, матриц жесткости и матриц рассеяния, а также метод рядов Пеано. Приведены некоторые ключевые решения задач о дисперсии волн для неоднородных слоев, повышающие вычислительную эффективность аппроксимации функционально-градиентного волновода слоистой структурой, и метод построения в неявном виде общего решения для волновода с произвольным законом изменения свойств. Кратко описаны ключевые преимущества и основные недостатки описанных методов. Во второй части обзора основное внимание будет уделено методам полуаналитического решения дисперсионных задач, основанным на приближении волновода эквивалентной в некотором смысле системой с конечным числом степеней свободы: методам степенных рядов, обобщенных рядов Фурье, полуаналитических конечных элементов и спектральных элементов, а также методам, основанным на различных теориях пластин и оболочек.

Страницы: 227-260  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.227_260.06

Голубков А.К., Иванова А.Н., Кулаков В.В., Шмелев Д.С.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ ФРИКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ, НА ОСНОВЕ ДИСКРЕТНЫХ ВОЛОКОН

Проектирование углерод-углеродных композитов (УУКМ) фрикционного назначения является важной задачей, поскольку существующие подходы применимы только к технологиям получения материалов с использованием непрерывного волокна в виде лент и тканей и не подходят для изделий с хаотичным армированием короткими волокнами, использование которых улучшает механические характеристики УУКМ как при статических, так и при динамических воздействиях. Также такая технология имеет экономические преимущества за счет использования более дешевого сырья и значительного сокращения времени стадии формования при наличии сопоставимых физико-механических и фрикционных свойств с УУКМ на основе иглопробивания. Для обеспечения прочности дискретно армированных фрикционных изделий необходимо обеспечивать требуемую эффективную длину углеродного волокна в жгутах, распределенных в объеме материала, за счет их оценки по степени разделения филаментов. В данной статье приведена зависимость критической длины жгута от количества его волокон, из которой выяснено, что критическая длина жгута устанавливает минимальное пороговое значение, при котором материал способен реализовать высокие прочностные характеристики. Указанные соотношения позволяют оценить минимально необходимую степень разделения жгута для заданной длины волокна. что позволит реализовать максимальную прочность материала с учетом технологических ограничений в степени разделения. Также предложены модели, позволяющие оценить технологические перспективы изготовления дискретно армированных углерод-углеродных материалов фрикционного назначения и прогнозировать их свойства. Показано влияние дополнительного армирования межжгутовых пространств композиционного материала на его износостойкость при высоких удельных энергиях трения.

Страницы: 261-271  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.261_271.07

Васильченко Л.Б., Онучин Е.С., Орлов Д.А., Товарнова Н.А., Фельдштейн В.А.

ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ТКАНЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Обеспечение функционирования космических орбитальных станций предполагает принятие конструктивных мер по защите от ударов частиц космического мусора и метеороидов. Это достигается путем применения многослойных защитных экранов, в состав которых входят слои на основе тканевых материалов. Расчет и проектирование экранов требует характеристик, определяющих энергозатраты на разрушение ткани (энергоемкость) при ударе. В работе описана методика и результаты экспериментального определения энергии, поглощаемой в тканевых пакетах экранных защитных конструкций орбитальных пилотируемых станций при действии распределённой импульсной нагрузки, возникающей в результате соударения с частицами космического мусора. Энергия, поглощаемая в тканевых пакетах, в эксперименте определяется в результате анализа соударения образца с плоским металлическим ударником, ускоряемым воздушной газовой пушкой. Приведены экспериментальные результаты в области давлений до 1,5 ГПа. С использованием модели ткани как пористого материала получена зависимость поглощаемой тканевым пакетом энергии от давления в диапазоне до 10 ГПа, которая сопоставляется с экспериментальными результатами. Показано, что для сильно пористых материалов зависимость поглощаемой энергии от давления в ударной волне близка к линейной. Получена соответствующая асимптотическая зависимость для сильно пористых материалов при высоких давлениях нагружения.

Страницы: 272-287  doi.org/10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.272_287.08