ННГУ им. Н. И. Лобачевского
Рассматривается задача, в которой требуется определить некоторые параметры (такие как давление, скорость потока и пр.) газового (сжимаемой жидкости) слоя, не имея к нему непосредственного доступа. Исследование распространения акустических волн в упругой пластине, погруженной в неподвижную сжимаемую жидкость, ранее проводилось, как правило, в рамках так называемых технических теорий колебаний упругой пластины, причем принималось, что жидкость безгранична в направлении по нормали к пластине.
В данной работе ставится задача определения таких параметров газа, как скорость потока и давление, по изменению характеристик нескольких упругих мод под влиянием газовой нагрузки. Рассмотрение распространения упругих волн ведется на основе общей теории упругости, т.е. для описания колебаний пластины не используются приближения технических теорий, пластина рассматривается с позиции теории упругости как упругий изотропный однородный слой. Слой сжимаемой жидкости с одной стороны ограничен упругим слоем, а с другой жесткой стенкой или свободной поверхностью. Переход к более строгому подходу обусловлен в большей мере необходимостью выяснения характеристик высших мод при движущейся газовой нагрузке, что невозможно сделать в рамках технических теорий. Настоятельность описания высших мод связана с тем, что в неразрушающем контроле удобно использовать (и уже достаточно давно применяются на практике) нормальные волны s0, s1, a0, a1, a2 и, реже, более высокие моды.
Показано, что необходимые параметры можно определить ультразвуковым способом на основе анализа характеристик упругих нормальных волн, причем без использования объемных упругих и (или) акустических волн в газе. В работе найдено дисперсионное уравнение задачи и проведено его исследование, а также построены дисперсионные кривые; полученные в ходе исследования зависимости позволяют вычислить величину скорости потока. Детально рассмотрено влияние скорости потока и давления сжимаемой жидкости на дисперсионные характеристики мод, наиболее часто используемых в неразрушающем контроле.
1. Солдатов И.Н. Нормальные волны в упругом волноводе с приповерхностным слоем, обладающим инерционным сопротивлением, поверхностным натяжением и вязкой реакцией // Процессы в геосредах. 2018. № 2(15). С. 854- 861.
Злата Павловна Мишустова
Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, Пермь
В работе представлены результаты экспериментального исследования процесса флотации калийной руды при ультразвуковом (УЗ) воздействии. Эксперименты, проведенные при одинаковой дозировке ПАВ (NORAM SH) для трех различных фракций руды, показали, что извлечение KCl и NaCl в отсутствие УЗ обработки зависит от крупности руды. При уменьшении размера частиц от крупной фракции 0,5 – 1 мм до средней фракции 0,25 - 0,5 мм извлечение KCl в пенный продукт увеличивается с 82% до 97%, что, по-видимому, связано с низкой вероятностью отрыва частиц мелкой фракции от пузырьков по сравнению с крупной фракцией. Извлечение калийной руды мелкой фракции 0,25 – 0,1 мм составило около 92%.
В экспериментах при использовании УЗ обнаружено, что ультразвук оказывает значительное влияние на флотацию крупных частиц за счет усиления отрыва частиц от пузырьков. Обработка ультразвуком высокой интенсивности приводит к значительному увеличению селективности средней 0,5 – 0,25 мм и мелкой 0,25 – 0,1 мм фракций с соответствующим снижением извлечения хлорида натрия из-за уменьшения поверхностной гидрофобизации. При мощности обработки ультразвуком до P = 45%, извлечение сильвина из фракции среднего размера остается неизменным и высоким (90 – 92%), в то время как извлечение NaCl снижается. На флотацию KCl из мелкозернистой фракции (0,25 – 0,1 мм) обработка ультразвуком не влияет, в то время как извлечение галита значительно снижается, что позволяет переработать фракцию такой крупности, которая, по традиционной схеме переработки калийной руды, сбрасывается в хвосты [1]. Полученные экспериментальные данные, могут помочь инженерам отрасли оптимизировать параметры обработки ультразвуком, когда требуется повышение селективности между сильвином и галитом. Уменьшение содержания NaCl в концентрате при обработке ультразвуком может разблокировать руду с низким содержанием или уменьшить потери сильвина с фракциями шлама.
Полученные экспериментальные данные, могут помочь инженерам отрасли оптимизировать параметры обработки ультразвуком, когда требуется повышение селективности между сильвитом и галитом. Уменьшение содержания NaCl в сильвитовом концентрате при обработке ультразвуком может разблокировать руду с низким содержанием или уменьшить потери сильвита с фракциями шлама.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46066).
1.Filippov L. O., Filippova I. V., Barres O., Lyubimova T. P., Fattalov O. O. Intensification of the flotation separation of potash ore using ultrasound treatment //Minerals Engineering. – 2021. – Т. 171. – С. 107092
Оскар Олегович Фатталов
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
В данной работе были изучены контактно-усталостные повреждения в приповерхностных слоях головки рельса в области сварного стыка на основе экспериментальных данных о механических свойствах и изменении структуры рельсовой стали в процессе эксплуатации. Объектами исследовании служили образцы, изготовленные из рельсовой стали категории ДТ350 общего назначения: исходный (без наработанного тоннажа) и после эксплуатации при различных условиях. Образцы отличались значениями пропущенного тоннажа с момента первичной укладки до изъятия. Поверхностные слои рельсов в зоне сварных стыков были исследованы методом сканирующей электронной микроскопии на приборе Quanta 650. Микротвердость измеряли на твердомере Shimadzu HMV-2000 при вдавливании алмазной четырехгранной пирамиды Виккерса.
Известно [1], что в зоне сварных стыков эта сталь имеет локальное понижение твердости, обусловленное процессом сварки и термической обработкой после нее. Поэтому были проведены исследования образцов у поверхности катания в различных зонах: непосредственно линия сплавления, зона термического влияния (ЗТВ) при сварке, зона термической обработки (ТО) и зона основного металла. В качестве примера приведены результаты, полученные для образца из рельсовой стали, пропущенный тоннаж которого составлял 442,2 млн. т. брутто. На рис. 1а представлены полученные результаты по измерению твердости. Среднее отклонение от фактического значения составляет 5–10%. На рис.1б дано СЭМ - изображение микроструктуры на расстоянии 10 мм вглубь от поверхности катания.
Установлено, что структурные особенности определяют механические свойства материала в зоне сварного стыка, в частности, зафиксирована зависимость твердости от расстояния до линии сплавления. Показано, что в зоне стыка, вследствие пониженной твердости, в результате воздействия колес происходит пластическое смятие с образованием деформированного слоя, которому свойственны различные стадии деформации и разрушения материала.
Исследование выполнено по теме государственного задания (№ госрегистрации АААА-А20-120011690132-4) и частично при финансовой поддержке РФФИ, НТУ «Сириус», ОАО «РЖД» и Образовательного Фонда «Талант и успех» в рамках научного проекта № 20-38-51005.
1.Шур Е.А., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Фимкин А.И. Пути устранения повышенной повреждаемости рельсов в зоне сварных стыков // Вестник ВНИИЖТ. 2019. Т. 78. №4. С. 210-217.
Павел Олегович Буковский
Томский государственный университет
В докладе представлены результаты численного исследования горения смесевого твердого топлива, содержащего порошок бора. Представлены результаты расчета скорости горения смесевого твердого топлива, содержащего частицы бора, от давления над поверхностью топлива. Постановка задачи основана на сопряженной модели горения смесевого твердого топлива [1] и модели горения порошка бора [2].
Математическая постановка задачи определяется системой уравнений, записанной в декартовой системе координат для области, определяющей процессы в твердом топливе и области на поверхностью горения. В твердом топливе решаются уравнение теплопроводности в твердом топливе уравнение разложения окислителя в твердом топливе. В расчетной области, определяющей процессы над поверхностью смесевого твердого топлива, решаются уравнения сохранения массы, импульса и энергии для газа и частиц, баланса массы кислорода, газообразных продуктов реакции, твердого оксида бора в частицах, счетной концентрации частиц и состояния газа. В уравнениях, определяющих математическую постановку задачи, правые части, отвечающие за химическое взаимодействие газа и частиц, определяются через радиус бора в частице, окисление определяется эффективной диффузией через оксидный слой. Слагаемые, определяющие инерционное и тепловое взаимодействие определяются через радиус самой частицы, состоящей на этапе окисления из бора и оксидного слоя, на этапе горения из оголившегося бора. Подробности модели окисления и горения частиц бора приведены в [2].
Задача решалась численно с использованием методов, аналогичных [2].
На рисунке 1 представлена зависимость линейной скорости горения смесевого твердого топлива, содержащего полидисперсный порошок бора, от давления газа над поверхностью горения. Точками представлены результаты численно расчета, сплошной линией аппроксимация расчета степенным законом.
Подробности исследования представлены в работе [3].
Дальнейшее исследование касалось использования PSU-модели для описания процессов окисления и горения частиц бора.
Модель PSU была дополнена допущениями [2] и дала изменения в законе горения частиц бора в составе смесевых твердых топлив.
1. Порязов В.А., Крайнов А.Ю. Расчет скорости горения металлизированного смесевого твердого топлива с учетом распределения агломератов по размерам. Инженерно-физический журнал. 2016. Т. 89. № 3. С. 568-574.
2. Крайнов А. Ю., Крайнов Д. А., Моисеева К. М. и др. Математическое моделирование горения газовзвеси порошка бора // Инженерно-физический журнал. 2021. Т. 94, № 2. C. 360 – 371.
3. Порязов В.А., Моисеева К.М., Крайнов А.Ю. Исследование горения смесевого твердого топлива с добавкой порошка бора // Физика горения и взрыва. 2022. Т. 58. № 5. В печати.
Ксения Михайловна Моисеева
Научно-исследовательский институт механики МГУ
Введение: Роботы, передвигающиеся в жидкостях за счет перемещения внутренних масс, востребованы для применения в средах с сопротивлением. Такие роботы могут применяться даже в медицинских целях. Подробный обзор исследований жидких капсульных роботов можно найти в [1]. Среди классических результатов в этой области можно отметить такие работы, как [2-3].
Описание системы: Исследуется робот-тримаран с одиночным внутренним маховиком. Робот совершает плоскопараллельное движение. Таким образом, система имеет четыре степени свободы и один управляющий вход. Математическая модель построена в виде динамической системы 5-го порядка. Для этого применяется квазистатическая модель взаимодействия с жидкостью. Эта модель позволяет не только проводить эффективный параметрический анализ, но и выявлять особенности движения, связанные с наличием боковой составляющей гидродинамической силы. Построена стратегия управления.
Результаты: Показано, что боковая сила обеспечивает возможность необратимого движения центра масс в желаемом направлении. Таким образом, перспективно создание роботов-тримаранов и алгоритмов управления ими на основе использования боковой силы. Результаты моделирования подтверждены экспериментами с прототипом. Подтверждено качественное соответствие модели и экспериментов.
Ключевые слова: робот-тримаран, движение внутренней массы, квазистатическая модель,
[1] KILIN A, KLENOV A, TENENEV V: Controlling the movement of the body using internal masses in a viscous liquid. Computer research and modeling 2018, 10(4):445-460.
[2] KOZLOV V, RAMODANOV S: The Motion of a Variable Body in an Ideal Fluid. Prikl. Mat. Mekh. 2001, 65(4):592–601 (in Russian).
[3] CHERNOUS'KO F: The optimal periodic motions of a two-mass system in a resistant medium. J. of Applied Mathematics and Mechanics 2008, 72(2):116-125.
Сергей Александрович Голованов
ИММ - обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН
Исследования волновой динамики неоднородных и многофазных сред представляет значительный интерес в связи с прикладной их направленностью [1-3]. Установлено, что при разной начальной концентрации аэрозоля для всех рассматриваемых длин однородных труб и частот возбуждения время осаждения различно [4]. В связи с этим представляет интерес исследование осаждения аэрозоля при различных его начальных концентрациях в трубе с изменяющимся сечением.
Экспериментальные исследования проводились на установке, где основным элементом был виброгенератор, который приводил в движение плоский поршень радиуса R1 = 0.05 м [5]. Колебания возбуждались в цилиндре высотой L1 = 0.038 м. Цилиндр соединялся со стеклянной трубой длиной L0 = 1.06 м и радиусом R0 = 0.018 м. В качестве рабочей среды использовался аэрозоль DEHS с диаметром капель около 1 мкм.
Получены осциллограммы колебаний давления газа и аэрозоля вблизи резонанса при различных амплитудах возбуждения. Интенсивность колебаний максимально в чистом газе и падет с увеличением концентрации, что связано с вязкостью среды. Выявлено, что с уменьшением концентрации аэрозоля осаждение происходит быстрее.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№ 22-79-00302).
1. Медников Е.П. Акустическая коагуляция и осаждение аэрозолей. – М.: Изд-во АН СССР, 1963. – 263 с.
2. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Осипов П.П., Ткаченко Л.А., Шайдуллин Л.Р. Волновая динамика газовзвесей и отдельных частиц при резонансных колебаниях (обзор) // ТВТ. 2021. Т. 59. № 3. С. 443–466.
3. Вараксин А. Ю. Двухфазные потоки с твердыми частицами, каплями и пузырями: проблемы и результаты исследований (обзор) // ТВТ. 2020. Т. 58. № 4. С. 646–669.
4. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Галиуллин Р.Г., Галиуллина Э.Р., Ткаченко Л.А. Экспериментальное исследование коагуляции аэрозоля в трубе вблизи субгармонического резонанса // ТВТ. 2004. Т. 42. № 5. С. 788.
5. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Ткаченко Л.А., Шайдуллин Л.Р. Экспериментальное исследование осаждения аэрозоля в закрытой трубе с изменяющимся сечением // ТВТ. 2022. Т. 60. № 1. С. 443–466.
Линар Радикович Шайдуллин
Тульский Государственный Университет
В распоряжении современного конструктора имеется большое количество САПР, которые могут решать различные инженерные задачи. Рассматривая наиболее распространенные из них (Компас, АПМ) можно отметить, что все они имеют модули для построения конечно-элементных моделей и анализа их на статическую и циклическую прочность. Оценка прочности производится по методу допускаемых напряжений и позволяет конструктору дать предварительное заключение по живучести проектируемого элемента. При всем удобстве такого подхода к расчету конструкции существует ряд ограничений по применению конечно-элементного моделирования без экспериментальной проверки действующих напряжений в ответственных элементах. К таким элементам, например, можно отнести несущие металлоконструкции грузоподъемных машин,неправильный расчет которых может привести к техногенным катастрофам. Для того чтобы оценить действующие напряжение, возникающие в металлоконструкции машины, обычно применяют тензометрирование. Суть данного метода заключается в размещение тензодатчиков в исследуемой области, их калибровки, анализ результатов, снятие тензодатчиков и восстановление ЛКП. Данный метод дает достаточно точные данные по напряжениям в элементе, но отличается большой трудоемкостью.
Нами предлагается технология оценки напряженного состояния в металлоконструкции по изменению температурных полей исследуемой области[1]. Если обратиться к механике деформированного твердого тела, то энергетически процесс деформирования включает в себя затраты на деформацию и диссипацию.Рассеянное тепло в виде диссипации можно регистрировать с помощью тепловизионного оборудования с достаточно большой точностью. Проведенное экспериментальное исследование при статическом нагружении лабораторных образцов из малоуглеродистой стали (Ст3сп5) и низколегированной (09Г2С) показали, что существуют определенные зависимости, которые позволяют оценить действующие напряжения по изменению температурного поля деформированной области[2].Теплограмма образца из стали Ст3сп5 в момент разрушения показана на рисунке.
Рисунок –Теплограмма образца из стали Ст3сп5 в момент разрушения
При ступенчатом нагружении были зафиксированы изменения температуры в зонах максимального деформирования. Была проведена аппроксимация известными функциями, проверка которых по критерию Фишера подтвердила их адекватность.
Таким образом, оценка действующих напряжений тепловизионным методом позволяет существенно уменьшить время, затрачиваемое на контроль и увеличить объективность оценки за счет снижения человеческого фактора.
1. Г.В. Селиверстов, А.А. Серегина Оценка напряженно-деформированного состояния металлоконструкции грузоподъемной машины//Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2021. – Вып. 9. – С. 602-605.
2. Г. В. Селиверстов, А.А. Серегина Исследование температурных полей при деформации образцов с концентратором напряжений// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2021. – Вып. 10. – С. 459-462.
Анна Андреевна Серегина
НИИ механики МГУ
Была рассмотрена задача моделирования грудной клетки пространственной упругой фермой. В частности, был смоделирован эффект «выпирания рёбер», который иногда проявляется при лечении килевидной деформации с помощью ортеза.
В пакете конечно-элементного анализа Ansys были разработаны две 3D-модели грудной клетки. Первая модель (Рис. 1a) состоит из 23 абсолютно твёрдых стержней, соединённых спиральными пружинами, препятствующими повороту стержней друг относительно друга. Также мы считаем, что места прикрепления к позвоночнику для рёбер с правой и левой сторон совпадают, неподвижны, и в этих шарнирах также присутствуют пружины. В этой модели учитываются три пары рёбер. Две верхних пары соединены грудиной, две нижних – хрящом. При приложении силы к нижней точке грудины (килю), так, чтобы грудина встала параллельно позвоночнику, произошло латеральное расширение грудной клетки, особенно нижней части. То есть, был продемонстрирован эффект «выпирания рёбер».
Вторая 3D-модель (Рис. 2b) была построена по КТ скану пациента с килевидной деформацией. Эта модель состоит из 78 абсолютно твёрдых стержней и таких же спиральных пружин, как и в предыдущей модели. В данной модели учитываются 9 пар рёбер и хрящевые соединения между ними. Грудина моделируется 4 твердыми стержнями. Эффект «выпирания рёбер» при давлении на киль показан на Рис. 1c.
Также была произведена оценка применимости конечно-элементного моделирования подобных стержневых конструкций в пакете Ansys. Для этого была решена задача равновесия 2-стержневой упругосоединённой системы под действием сжимающей силы в двух частных случаях. Затем было найдено решение с помощью Ansys и получена оценка сходимости и точности этого решения относительно теоретического.
1. Haje, S., Haje, D.: Overcorrection during treatment of pectus deformities with DCC orthoses: experience in 17 cases. International Orthopaedics. 30, 262-267 (2006). doi: 10.1007/s00264-005-0060-0
2. Nagasao, T. et al.: Stress distribution on the thorax after the Nuss procedure for pectus excavatum results in different patterns between adult and child patients. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 134, 1502-1507 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2007.08.013
Иван Викторович Алпатов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»
Материалы с эффектом памяти формы широко используются в разных отраслях промышленности, благодаря своим уникальным свойствам восстанавливать форму при нагревании или разгрузке. Однако, из-за сложности обработки резанием, создание деталей сложной формы является крайне затруднительным. В связи с этим, все большее внимание привлекают аддитивные технологии. Среди многочисленных методов можно выделить технологию WAAM (wire-arc additive manufacturing) – метод послойного наплавления сплава. Ранее было показано, что структура образцов сплава TiNi, полученных методом WAAM, неоднородна по химическому составу, что оказывает влияние на мартенситные превращения, которые в каждом слое реализуются при различных температурах. Вместе с тем, параметры мартенситных превращений определяют функциональные и механические свойства таких образцов. Целью настоящей работы явилось исследование механических и функциональных свойств пятислойного образца сплава TiNi, полученного методом послойной наплавки, и моделирование его функционального поведения с использованием программного пакета ANSYS.
В эксперименте использовали пятислойные образцы из сплава TiNi синтезированные на титановую подложку методом электродуговой послойной наплавки, в котором в качестве расходуемого электрода выступала проволока сплава Ti49.1Ni50.9 диаметром 1,2 мм. Из полученного образца вырезали пластины толщиной 0,5 мм из которых изготавливали образцы, ширина и длина рабочей части которых составляла 1 и 10 мм, как показано на рис. 1. Образцы подвергали термообработке при температуре 450˚С в течении 10 часов. В образцах исследовали псевдоупругое поведение и восстановление деформации при нагревании после предварительной деформации в мартенситной фазе.
Полученные результаты показали, что образцы из сплава TiNi синтезированные методом послойной электродуговой наплавки демонстрируют такие функциональные свойства как память формы, обратимая память формы, псевдоупругость.. В образцах, в рабочую часть которых входили слои с избытком Ti и Ni восстановление деформации происходит в несколько хорошо различимых стадий. Если в рабочую часть входил слой с избытком Ti эффект псевдоупругости был подавлен, а если были слои только с избытком Ni, то наблюдалась совершенная псевдоупругость. Максимальная восстанавливаемая деформация была в 2-2,5 раза меньше, чем в образцах сплава TiNi полученных традиционным способом, что связано с сильной кристаллографической текстурой. Данные экспериментов использовали для моделирования одноосного растяжения слоистых образцов методом конечных элементов в программной системе ANSYS Mechanical. Расчетные данные качественно совпадают с экспериментальными.
Рашид Менналиевич Бикбаев
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
В работе представлены результаты численного моделирования взаимодействие ударной волны, подобной взрывной, с деформируемой преградой в виде насыпного гранулированного слоя - песка, который находится на торце удлинённой ударной трубы [1,2]. Численные результаты получены с помощью пакета программ «Динамика-1». Для описания поведения грунта и газа используется схема Годунова, модифицированная в [3]. Грунт предполагается необратимо-деформируемой средой. Одномерная расчётная область состоит из двух подобластей: воздуха и песка. Область воздуха также разделена на две области: справа - области низкого давления (LPC), длиной 6 метров и слева - высокого давления, длиной 0.25 м (HPC). В начальный момент времени давление в HPC равно 15 атм., в LCP - 1 атм. Гранулированный слой толщиной 10 мм находится на правом торце LPC. HPC и LPC разделены диафрагмой, которая разрушается в начальный момент времени. В результате распада разрыва, образованная результирующая волна взаимодействует с грунтом, сжимает его, в песке начинают происходить волновые процессы из-за чего между жёсткой стенкой и нагруженной поверхностью песка происходят множественные отражения, показанные на рисунке. Происходит падение амплитуд волн с течением времени.
Сравнение численных и экспериментальных результатов показало, что амплитуда давления численных результатов в начальной фазе взаимодействия сильно завышена в сравнение с экспериментом: 18 атм. и 3 атм. соответственно. Связано это с тем, что численная модель не учитывает вязкостные процессы. В дальнейших исследованиях необходима доработка численной модели и учёт коэффициента вязкости.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 22-29-00672).
- Мирова О. А., Котельников А. Л., Голуб В. В., Баженова Т. В., Паршиков А. Н., Влияние скорости разлета материала защитного песчаного экрана на ослабление импульса отраженной от него взрывной волны, ТВТ, 2016, том 54, выпуск 5, 761–766
- Котельников А. Л., Мирова О. А., Голуб В. В., Баженова Т. В., Ленкевич Д. А., Исследование взаимодействия взрывной волны с разрушаемым экраном из гранулированного материала, ТВТ, 2014, том 52, выпуск 5, 739–745
- Глазова Е.Г., Кочетков А.В. Численное моделирование взаимодействия деформируемых газопроницаемых пакетов сеток с ударными волнами. Прикладная механика и техническая физика. 2012. Т. 53. №3 (313). С. 11-19.
Артем Александрович Лисицын
Институт механики им. Р.Р. Мавлютова УФИЦ РАН, г. Уфа, Россия, Башкирский государственный университет, г. Уфа, Россия
Рассматривается вертикальная нефтяная скважина. Параллельно оси скважины расположена трещина, полученная путем гидроразрыва пласта. Считаем трещину симметричной, заполненной пропантом, препятствующим смыканию. Проницаемость трещины предполагается существенно более высокой, чем проницаемость пласта.
В работе получены приближенные формулы, описывающие распределение давления в трещине ГРП при переменных режимах работы скважины. С помощью метода последовательной смены стационарных состояний (ПССС) получены простые формулы, связывающие изменяющийся расход жидкости на скважине с давлением в трещине ГРП и на забое.
Исследование выполнено за счет гранта РНФ № 21-11-00207, https://rscf.ru/project/21-11-00207/.
1. Нагаева, З. М. Об упругом режиме фильтрации в трещине, расположенной в нефтяном или газовом пласте / З. М. Нагаева, В. Ш. Шагапов // Прикладная математика и механика. – 2017. – Т. 81, № 3. – С. 319 – 329.
Анастасия Анатольевна Шамматова
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Рисунок 1. а) Конфигурации оптического кристалла б) Оптический датчик вибраций с зеркалом
В работе исследуются перспективы создания оптического датчика вибрации с использованием оптоволоконных технологий. Разрабатываемое устройство рассчитано на диапазон измеряемых частот от 10 до 103 Гц и амплитуд от 1g до 10g. В качестве основы для датчика предлагается использовать интерферометр Маха-Цендера [1, 2]. Задержка по фазе в таком датчике может быть обеспечена оптическим кристаллом, размещенным в одном из оптических каналов системы. Первоочередной задачей ставился подбор оптимальной конфигурации и свойств оптического кристалла, которые смогли бы обеспечить стабильную и эффективную работу датчика [3]. Для этого проводилось численное моделирование прохождения оптического сигнала через кристаллы с разными формами неоднородности (Рисунок 1 а).
В результате математического моделирования оптических процессов продемонстрирована возможность использования оптоволоконного интерферометра с оптическим кристаллом для измерения частоты и интенсивности вибраций. Показано, что перемещение кристалла способно изменить интегральную интенсивность проходящего света, которую можно интерпретировать в терминах перемещений и ускорений. Проведены оценки чувствительности датчика и проведены численные расчеты полей интенсивности и фазы. В результате перебора пяти конфигураций выбрана оптимальная.
В ходе выполнения работы был выявлен ряд недостатков, связанных с трудностью изготовления оптических кристаллов. В ходе изготовления опытных образцов возникли технологические трудности, приводящие к широкому разбросу характеристик изделия и низкой повторяемостью результатов. Поэтому для дальнейших разработок решено упростить оптическую систему, используя зеркало, закрепленное в корпусе датчика на пути оптического сигнала и меняющее получаемое на выходе значение интенсивности света (Рисунок 1 б).
По результатам численного исследования собран рабочий прототип такого датчика вибраций, который прошел валидацию на экспериментальном вибрационном стенде. Получено хорошее совпадение экспериментальных и предсказанных значений амплитуды и частоты вибраций.
1. Rajan G. et al. Analysis of vibration measurements in a composite material using an embedded PM-PCF polarimetric sensor and an FBG sensor //IEEE sensors journal. – 2011. – Т. 12. – №. 5. – С. 1365-1371.
2. Sun Q. et al. Distributed fiber-optic vibration sensor using a ring Mach-Zehnder interferometer // Optics Communications .– 2008. – Т. 281. – №. 6. – С. 1538-1544.
3. Wu S. et al. Flexible optical fiber Fabry–Perot interferometer based acoustic and mechanical vibration sensor //Journal of Lightwave Technology. – 2018. – Т. 36. – №. 11. – С. 2216-2221.
Карен Араратович Сафарян
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
В работе изучались два типа образцов из углерод-углеродного фрикционного материала (УУКМ). Образцы первого типа были изготовлены на основе серийного отечественного УУКМ марки «Термар-АДФ» на основе дискретного графитированного волокна длиной 40 мм в готовом материале. Образцы второго типа были изготовлены из углеродного материала производства КНР. Этот материал был изготовлен из квазитрехмерной игольчатой заготовки из карбонизованного углеродного волокна на основе полиакрилонитрила, которая была изготовлена из чередования направления укладки углеродной ленты (под 90°) и рубленого войлока, с последующим иглопробиванием слоев [1]. Преимуществом второго материала заключается в том, что тепло от фрикционного разогрева не аккумулируется на поверхности трения, а равномерно распределяется по всему объему композита. Образцы были изготовлены в виде колец с диаметром 28 мм внешним, 20 мм внутренним и высотой 15 мм из авиационного тормозного диска.
Экспериментальное исследование трибологических характеристик проводилось на лабораторном трибометре UMT-2 по схеме контакта «кольцо-кольцо» с вариацией контактных давлений P от 0,5 до 1 МПа и скоростей скольжения V от 1 до 4 м/с. Данные нагрузочно-скоростных режимов были взяты из имеющихся методик проведения модельных испытаний углеродных композитов тормозных дисков [2]. Во время проведения экспериментов происходил фрикционный разогрев пары трения, при максимальных P и V температура в контакте достигала отметки в 1200°С. При достижении температуры в зоне контакте равной 400°С углерод начинает активно взаимодействовать с кислородом, вызывая его горение, которое сильно искажает показатели износа. Во избежание горения образцов все эксперимента были проведены в среде инертного газа.
На рис. 1 изображены зависимости коэффициента трения (а) и интенсивности изнашивания (б) от PV для отечественного (1) и зарубежного (2) композитов.
Для исследуемых композитов наблюдается пик интенсивности изнашивания при PV = 1, обусловленный сухим трением вследствие испарения влаги из пор композита. Из рис. 1,б видно, что дополнительное пробивание УУКМ перпендикулярными нитями увеличивают износостойкость самого материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант №19-19-00548-П).
1. Wu S., Yi M., Ge Y., Ran L., Peng K. Effect of carbon fiber reinforcement on the tribological performance and behavior of aircraft carbon brake discs // Carbon. 2017. Vol. 117. P. 279-292.
2. Чичинадзе А.В., Албагачиев А.Ю., Кожемякина В.Д., Коконин С.С., Суворов А.В., Кулаков В.В. Оценка фрикционно-износных характеристик отечественных углеродных фрикционных композиционных материалов для нагруженных тормозов самолетов // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 4. С.359-371.
Иван Владимирович Шкалей
ИМСС УрО РАН
Во многих промышленных процессах металлургической, химической, обогатительной промышленности используются воздушные пузырьки. Их количество и размеры являются немаловажным параметром в технологических циклах [1]. Для управления размерами образуемых пузырьков инженеры-технологи используют различные методы [2], однако существует ряд проблем, связанных со стабилизацией поверхности пузырьков и предотвращения их коалесценции, зачастую это решается путем добавление ПАВ. Наличие внешнего ультразвукового воздействия в таких задачах, способно значительно повлиять на динамику взаимодействия пузырьков. Цель настоящей работы состоит в исследовании генерации воздушных включений модифицированным мембранным методом, при наличии внешнего ультразвукового воздействия различной частоты.
В ходе экспериментального исследования использовалась кювета (рис.1) в форме параллелепипеда с внутренними размерами 235×240×35 мм3. Генерация пузырьков осуществлялась с использованием мелкодисперсной кварцевой мембраны, воздушного компрессора и водяного погружного насоса. Источник ультразвука располагался вблизи области 6 (рис.1). Регистрация воздушных пузырьков осуществлялась при помощи камеры Basler acA1920-155um и коллимированного источника контрового света. Минимальный диаметр регистрируемого пузырька составлял - 32 μм.
Эксперименты показали, что при увеличении концентрации SDS происходит рост объёмной концентрации пузырьков в растворе, при этом средний диаметр образуемых пузырьков уменьшается. Внешнее ультразвуковое воздействие вызывает образование кластеров состоящих из пузырьков определенного диаметра.
1.Sirikulchaikij, S., Nooklay, B., и др. Rubber foam processing via bubbling technique // Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd. 2019. Т.962. С. 96-100.
2.Yang, H. C., Hou, J. и др. Janus membranes with asymmetric wettability for fine bubble aeration // Advanced Materials Interfaces. 2016. Т.3 . №. 9. С. 1500774.
Михаил Олегович Кучинский
ФАУ, ЦАГИ НИМК
Ранее произведено обобщение стандартного метода бимформинг, предназначенного для локализации источников звука и определения их интенсивности, позволяющее взаимно учитывать данные от несинхронных измерений микрофонной решеткой из различных пространственных положений при постобработке [1]. Обобщенная процедура позволяет производить трехмерную идентификацию источников с помощью двух последовательных измерений одной плоской микрофонной решеткой в конфигурации типа прямого двугранного угла.
Разработанный метод применен к данным шума обтекания модели крыла с закрылком. Получены трехмерные карты локализации источников для различных режимов и характерных частот.
1. Бычков О.П., Демьянов М.А. Обобщение стандартного алгоритма “бимформинг” для идентификации акустических источников с помощью несинхронных измерений микрофонной решеткой // Акустический Журнал, 2022, Т. 68, № 2, C. 162-172.
Матвей Александрович Демьянов
