Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
Важнейшим элементом конструкции лопаточных машин (турбины, компрессоры, насосы и т.д.) являются лопатки, закреплённые на вращающемся диске. Лопатка вращается вместе с валом и взаимодействует с движущимся газом. При этом возможно возникновение развитых колебаний лопатки, вызванных резонансами с возбуждающими гармониками от аэродинамических следов впереди стоящих преград или окружной неоднородности потока.
Колебания лопаток в реальных условиях протекают, когда на них действуют силы сопротивления колебаниям, что приводит к уменьшению амплитуды резонансных колебаний лопаток, т.е. демпфированию их колебаний.
Рассмотрено колебание лопатки по первой изгибной форме при наличии двух механизмов демпфирования колебаний: потери энергии в материале гистерезисного типа и рассеяние энергии за счёт взаимодействия с потоком газа.
Цель данной работы – установить относительное влияние на величину декремента колебаний двух источников потерь энергии, выявить наиболее существенный механизм.
Для анализа колебаний применяется стержневая модель лопатки. Рассеяние энергии внутри материала оценивается моделью Фойгта. Для описания аэродинамической составляющей рассеяния энергии колебаний используется решение Теодорсена для колебаний тонкого профиля в потоке газа.
За счёт выбора диапазона чисел Струхаля, аппроксимации функции Теодорсена и упрощения выражений на основании оценки порядков величин удалось получить аналитическое решение аэроупругой задачи и определить вклад в полный декремент колебаний от аэродемпфирования и от внутреннего трения в материале.
Андрей Владимирович Формалин
Тульский государтсвенный университет
Рассматривается конечно-элементный континуум с физическим разрезом в линейно упругой среде. Линейный параметр задачи определяется толщиной физического разреза и размером грани квадратного конечного элемента в тупиковой области физического разреза. Энергетическое произведение линейного параметра и среднего значения удельной свободной энергии на тупиковой грани конечного элемента определяет значение J-интеграла [1-2]. В программном комплексе ANSYS найдены значения коэффициентов интенсивностей напряжений, по которым найдены эталонные значения J-интегралов, при нулевом значении линейного параметра. На рис. показаны рассматриваемые схемы нагружения ДКБ-образца по модам I и II. При малом, но конечном значении линейного параметра, установлена сходимость энергетического произведения к эталонным значениям J-интегралов при эквивалентном нагружении образцов с физическим разрезом и стремлении значения линейного параметра к нулю.
Также в работе исследовалась работа узловых сил при разрушении тупикового конечного элемента. Согласно теории Гриффитса, поток упругой энергии определяет поверхностную энергию образования новых материальных поверхностей. Найдено значение соответствующей энергии посредством моделирования разрушения тупикового конечного элемента, при этом моделирование разрушения рассмотрено в виде простой разгрузки его узловых сил, взаимодействующих с сопряженными элементами. Установлена сходимость удельной работы разрушения элемента к значению эталонного J-интеграла.
Благодарности: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда
№ 22-71-00003, https://rscf.ru/project/22-71-00003/ в Тульском государственном университете.
1.Бурцев А.Ю., Глаголев В.В., Лутхов А.И. К моделированию потоков упругой энергии в вершину трещиноподобного дефекта конечно-элементного континуума при нагружении типа моды I // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной научной конференции. Механика деформируемого твердого тела. 2022. C. 985–990.
2. Лутхов А.И. К моделированию потоков упругой энергии в вершину трещиноподобного дефекта конечно-элементного континуума при нагружении типа моды II // Вестник Тульского государственного университета. Серия: дифференциальные уравнения и прикладные задачи. 2022.
№ 1. С. 61–71.
Андрей Игоревич Лутхов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Международное научное сообщество отмечает актуальность исследований, направленных на рационализацию и оптимизацию технологии электроэрозионной обработки материалов [1, 2]. Большой процент работ связан с анализом влияния обрабатываемых материалов, электродов и диэлектрической среды на готовое изделие или морфологию обрабатываемой поверхности. Отмечается, что современные попытки математического описания технологии в рамках аналитических и численных методов не рассматривают износ инструмента, что вносит в модели значительную погрешность, и не позволяют качественно описать процесс для дальнейшей оптимизации рабочих режимов [1, 2]. При этом согласно Постановления Правительства РФ № 603 от 15 апреля 2023 г. «Об утверждении приоритетных направлений проектов технологического суверенитета и проектов структурной адаптации экономики Российской Федерации» развитие технологий обработки материалов и создание специализированных программных продуктов для описания процессов являются актуальными направлениями развития страны. В представленной работе рассмотрено исследование процесса импульсного электрофизического воздействия высококонцентрируемого источника электрической энергии на обрабатываемую поверхность в рамках прикладной механики и компьютерного инжиниринга с учетом износа электрода (рис.).
На базе центра коллективного пользования «Центр аддитивных технологий» ПНИПУ г. Пермь выполнен большой объем эмпирических исследований по электроэрозионной обработке поверхностей металлических и композиционных материалов [3, 4 и др.]. В рамках работы выполнена математическая оценка влияния учета износа электрода-инструмента с использованием методов многопараметрической оптимизации для рационализации режимов работы оборудования. Выполнена серия натурных экспериментов для фиксации характера изменения (износа) как электрода, так и обрабатываемой поверхности, которая легла в основу математического описания процесса электроэрозионной обработки в рамках первого приближения для канонической формы электрода.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
1. Nafi M.A., Jahan M.P. Functional Surface Generation by EDM – A Review // Micromachines. 2023. Vol. 14. Art. 115.
2. Mullya S.A., Karthikeyan G., Ganachari V.S. Electric discharge milling: a state-of-the-art review // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2021. Vol. 43. Art. 424.
3. Ablyaz T.R., Shlykov E.S., Muratov K.R, Zhurin A.V.Study of the EDM process of bimetallic materials using a composite electrode tool // Materials. 2022. Vol. 15. № 3. Art. 750.
4. Singh T., Dvivedi A., Sidhu S.S., Shlykov E.S., Muratov K.R., Ablyaz T.R. Energy Channelization Analysis of Rough Tools Developed by RM-MT-EDM Process during ECSM of Glass Substrates // Materials. 2022. Vol. 15. № 16. Art. 5598.
Анна Александровна Каменских
Московский физико-технический институт
Основоположником космонавтики К.Э.Циолковским была высказана идея «космического лифта» - платформы, выведенной на орбиту, выше геостационарной, и удерживаемой на ней тросом, натянутым центробежными силами вращения Земли. Эта идея, трудно реализуемая технически, является физически непротиворечивой и заслуживает научного анализа, который предпринимается исследователями разных стран [2].
В данном сообщении излагаются результаты построения механической модели космического лифта и исследования базовых параметров его конструкции с точки зрения статической прочности троса [1], а также волновых и колебательных процессов в тросе. Основной элемент лифта - трос моделируется гибкой упругой нитью равного сопротивления, находящейся в переменном поле гравитационно-центробежных сил. Нижнее сечение троса закреплено на экваторе Земли, а верхнее соединено с технологической платформой, играющей роль противовеса.
На основе этой модели исследованы особенности напряженного состояния троса в состоянии статического равновесия. Показано, что существенным параметром является соотношение между скоростью поперечных волн в тросе и частотой вращения Земли, которое обеспечивается высокой удельной прочностью материала. Найдена зависимость между массой технологической платформы и высотой ее орбиты, при которых в тросе реализуется натяжение, необходимое для функционирования подъемного устройства, «развозящего» космические аппараты. Установлено, что эта зависимость существенно различна при размещении платформы ниже или выше орбиты, эквипотенциальной поверхности Земли.
Исследованы возможные типы бегущих и стационарных волн в тросе равного сопротивления, обладающих дисперсией. Получены дисперсионные зависимости, которые оказались различными для рабочей (ниже геостационара) части троса и пассивной (между геостационарной орбитой и орбитой платформы). Исследованы собственные частоты и формы колебаний троса.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке практических конструктивных схем космического лифта и требований к перспективному материалу троса.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-19-00678.
Егор Андреевич Денисов
Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова
В работе представлено сравнение двух постановок задач динамического деформирования тонких оболочек вращения из высокоэластичных материалов при больших деформациях. Первая основана на традиционно используемой в расчетах мягких оболочек системе разрешающих соотношений безмоментной теории оболочек. Вторая постановка связана с использованием уравнений моментной теории тонких оболочек, основанной на модифицированной модели Кирхгофа-Лява [1]. Особенностью последней является введение в кинематические соотношения поправок, позволяющих учитывать поперечную деформацию оболочки.
Обе системы уравнений сводятся к единой векторно-матричной форме нелинейной начально-краевой задачи с дополнительными нелинейными алгебраическими соотношениями. Универсальность формулировки разрешающих соотношений позволяет проводить расчеты для обеих систем уравнений по единому алгоритму [2]. Исходная нелинейная начально-краевая задача с использованием метода прямых сводится к нелинейной краевой задаче, которая решается методом дифференцирования по параметру последовательно на каждом шаге по времени. В процессе вычислений для оценки качества получаемого решения происходит постоянный контроль обусловленности систем разрешающих уравнений.
В качестве примера рассмотрена задача динамического деформирования цилиндрической оболочки из неогуковского материала. Показано, что преимуществом использования соотношений, основанной на моментной теории оболочек, является отсутствие необходимости регуляризации соответствующей системы уравнений, а также возможность проведения расчетов с меньшим шагом по времени. Вместе с тем краевые задачи, формируемые в процессе вычислений по соотношениям безмоментной теории оболочек, лучше обусловлены, и проведение расчетов в области больших деформаций сопровождается меньшими вычислительными трудностями.
1. Паймушин В.Н. Теория тонких оболочек при конечных перемещениях и деформациях, основанная на модифицированной модели Кирхгофа-Лява // Прикладная математика и механика. 2011. Т. 75. Вып.5. С. 813–829.
2. Коровайцева Е.А. Применение метода дифференцирования по параметру в решении нелинейных задач стационарной динамики осесимметричных мягких оболочек // Вестник СамГТУ. Сер. Физ.-мат. науки. 2021. Т. 25. №3. С. 556– 570.
Екатерина Анатольевна Коровайцева
Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, ИБХФ РАН
Образцы, полученные горячим прессованием с последующей закалкой и методом 3D-принтинга с охлаждением воздухом, характеризовались большим относительным удлинением при разрыве (4-4,5%), чем образцы, полученные методом литья (2,7%). При этом модуль упругости для отлитых образцов был наибольшим по сравнению с другими образцами (2925 МПа), что говорит о зависимости параметра скорее от скорости кристаллизации ПЛА при охлаждении из расплава, чем от метода получения. Прочность при разрыве была максимальной для образца, полученного методом горячего прессования под давлением (82 МПа), что говорит о наименьшей дефектности материала. Прочность при растяжении образца, напечатанного с помощью 3D-принтера, в большей степени зависела от межслоевой адгезии слоёв печати. Прочность отлитых образцов составляла 64 МПа. Снижение параметра по сравнению с прессованными образцами, по-видимому, это связано с трудностями литья материалов на основе ПЛА в виду его узкого температурного диапазона переработки.
Материалы на основе полилактида (ПЛА) востребованы во многих сферах применения. Интерес к этому полимеру обусловлен его способностью к биоутилизации в условиях промышленного компоста, биосовместимостью и биорезорбируемостью, а также относительно высокими технологическими и механическими свойствами по сравнению с другими биоразлагаемыми пластиками [1]. ПЛА возможно перерабатывать с применением ряда типовых для термопластичных полимеров технологий: горячего прессования, литья под давлением, 3D-печати и др. Метод получения конечного изделия оказывает значительное влияние на структуру материалов и их деформационно-прочностные свойства [2].
Объектом исследования являлся полилактид (полимолочная кислота) марки 4043D Nature Works (США). Были проанализированы закономерности поведения образцов на основе ПЛА при деформации растяжения, полученных тремя разными способами. Прессование осуществлялось на гидравлическом прессе РПА-12 «Биолент» при (180±5)°С и давлении 4,9 МПа с последующей закалкой в воде и вырубкой с помощью пневматического вырубного пресса GT-7016-AR Gotech. Литьё под давлением осуществлялось на литьевой машине Babyplast 6/10VP при (180±5)°С (усилие смыкания полуформ – 5 МПа; давление впрыска – 60 МПа; давление подпрессовки – 43 МПа; скорость впрыска – 11,6 мл/с). 3D-печать методом послойного направления нити осуществлялась на 3D-принтере Creality Ender 3 при (220±5)°C (высота слоя – 0,2 мм, температура стола – 60°C). Испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине GT-AI-7000 М Gotech при скорости движения зажимов – 2,5 мм/мин в соответствии с ГОСТ 11262 (тип образца 1А, лопатка) в 5-ти кратной повторности.
Образцы, полученные горячим прессованием с последующей закалкой и методом 3D-принтинга с охлаждением воздухом, характеризовались большим относительным удлинением при разрыве (4-4,5%), чем образцы, полученные методом литья (2,7%). При этом модуль упругости для отлитых образцов был наибольшим по сравнению с другими образцами (2925 МПа), что говорит о зависимости параметра скорее от скорости кристаллизации ПЛА при охлаждении из расплава, чем от метода получения. Прочность при разрыве была максимальной для образца, полученного методом горячего прессования под давлением (82 МПа), что говорит о наименьшей дефектности материала. Прочность при растяжении образца, напечатанного с помощью 3D-принтера, в большей степени зависела от межслоевой адгезии слоёв печати. Прочность отлитых образцов составляла 64 МПа. Снижение параметра по сравнению с прессованными образцами, по-видимому, это связано с трудностями литья материалов на основе ПЛА в виду его узкого температурного диапазона переработки.
Масталыгина Е.Е. выражает благодарность финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-3573.2022.1.3).
l. Vayshbeyn L.I., Mastalygina E.E., Olkhov A.A., Podzorova, M.V. Poly(lactic acid)-Based Blends: A Comprehensive Review // Appl. Sci. 2023. 13. 5148.
2. Mejia E., Cherupurakal N., Mourad A.-H.I., Al Hassanieh S., Rabia M. Effect of Processing Techniques on the Microstructure and Mechanical Performance of High-Density Polyethylene // Polymers. 2021. 13. 3346.
Елена Евгеньевна Масталыгина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Исследования, связанные с анализом свойств материалов, из которых изготавливаются оптические волокна, и учет в численных аналогах объектов исследования их неупругого поведения актуально и позволяет получить новые данные и закономерности о работе узла, приближенные к реальным показателям конструкции [1, 2]. Интересен вопрос не только влияния остаточных напряжений, полученных в волокне после вытяжки и остывания (рис.), на распределение и уровень которых влияет модели поведения стекла с различными легирующими добавками, но и изменение параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) и оптики при действии на волокно различных нагрузок: сжатие, изгиб, натяг и т.д. В работе рассмотрен одни из вариантов нагрузок, который представляет интерес для анализа работы волокна типа Panda [3]: взаимодействие волокна с металлической поверхностью при индентировании. Модель волокна при индентировании включала двухслойное полимерное защитное покрытие.
В рамках работы исследовано влияние термомеханических моделей поведения стекол при моделировании поля остаточных технологических напряжений. Выполнена оценка учета вязкости полимерных материалов защитного покрытия, полученных экспериментально [3], на деформировании системы в целом и изменение оптических параметров при индентировании в широком диапазоне нагрузок. Рассмотрено влияние трения между волокном и металлической поверхностью на изменение параметров НДС, контакта и оптики.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-48-596009.
1. Lesnikova Y.I., Trufanov A.N., Kamenskikh A.A. Analysis of the Polymer Two-Layer Protective Coating Impact on Panda-Type Optical Fiber under Bending // Polymers. 2022. Vol. 14. № 18. Art. 3840.
2. Shardakov I.N., Trufanov A.N. Identification of the Temperature Dependence of the Thermal Expansion Coefficient of Polymers // Polymers. 2021. Vol. 13. № 18. Art. 3035.
3. Хлыбов А.В. Волоконно-оптические поляриметрические датчики физических величин: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. Санкт-Петербург, 2004. 215 с.
Анна Александровна Каменских
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Специализированные оптические волокна (Panda, Bow-Tie, Elliptical Jacket) представляют собой сложную композиционную конструкцию из стекол с разным легированием, которая позволяет получить поля технологических остаточных напряжений, которые влияют на оптические характеристики волновода [1, 2]. Волокна в зависимости от условий работы и сферы их применения покрываются защитными покрытиями из разных материалов (полимеры, металлы, углероды) [3]. Это позволяет оградить поверхность от химических и механических воздействий, микроизгибов, воздействия влаги и пыли и т.д. Используются, как многослойные, так и однослойные защитные полимерные покрытия [3]. В рамках работы для анализа влияния геометрии защитного покрытия (ЗП) из полимерных материалов созданы модели волокна типа Panda с учетом двухслойного покрытия и однослойного покрытия (рис. 1).
В рамках работы исследовано влияние толщины однослойного полимерного покрытия из материала DeSolite DS-2015 на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) и оптические характеристики волокна. Выполнено сравнение параметров НДС и оптических характеристик с моделью, включающей двухслойное полимерное покрытие (внутренний слой – DeSolite 3471-1-152A , внешний слой – DeSolite DS-2015). Рассмотрено влияние учета вязкости материалов полимерных покрытий, полученной в рамках натурных экспериментов [4], на работу конструкции при контакте волокна с металлической поверхностью.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-48-596009.
1. Guan R., Zhu F., Gan Z., Huang D., Liu S. Stress birefringence analysis of polarization maintaining optical fibers // Optical Fiber Technology. – 2005. – №.11. – P.240-254.
2. Liu J., Liu Y., Xu T. Analytical Estimation of Stress-Induced Birefringence in Panda-Type Polarization-Maintaining Fibers // IEEE Photonics Technology Letters. – 2020. – Vol. 32, № 24. – P.1507-1510.
3. Мендез А., Морзе Т. Ф. Справочник по специализированным оптическим волокнам: пер. с англ. – М.: Техносфера, 2012. – 728 с.
4. Shardakov I.N., Trufanov A.N. Identification of the Temperature Dependence of the Thermal Expansion Coefficient of Polymers // Polymers. – 2021. – Vol. 13. – Art. 3035.
5. Lesnikova Y.I., Trufanov A.N., Kamenskikh A.A. Analysis of the Polymer Two-Layer Protective Coating Impact on Panda-Type Optical Fiber under Bending // Polymers. – 2022. – Vol. 14. – Art. 3840.
Анастасия Петровна Панькова
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Работа посвящена развитию экспериментально-теоретического подхода исследования характеристик композиционных бетонов с механоактивацией исходных компонентов. Проведена модификация мелкозернистых бетонных систем путем механической активации отдельных компонентов исходной сухой смеси с целью получения наномодифицирующей добавки. Механическая активация – модификация твердых веществ при механической обработке с созданием в некоторой области твердого тела напряжений с последующей их релаксацией. При этом происходит образование химически более активного вещества [1] за счет разрушения частиц цемента, флокуляционных структур, образования свежих развитых и химически активных поверхностей цемента с высокой реакционной способностью.
Проведена оценка режима активации исходных компонентов бетонной смеси, выбрано оптимальное соотношение скорости и времени активации. По результатам экспериментальных исследований установлено, что механическая активация бинарной композиции исходных компонентов составов бетонов эффективнее, чем механическая активация отдельных компонентов строительной смеси. Наилучшие результаты наблюдаются при предварительной активации бинарной комбинации цемент+песок строительной смеси [2]. При этом наблюдается сокращение сроков схватывания [2], на ранних сроках твердения наблюдается двукратное увеличение предела прочности образцов бетонов [3].
Определены параметры макрокинетики процессов схватывания бетонных систем, модифицированных механической активацией, путем термомеханических и калориметрических исследований. Экспериментально подтверждена активационная природа процессов гидратации модифицированной бетонной смеси [4]. Полученные значения параметров макрокинетики необходимы для компьютерного моделирования схватывания бетонной смеси с учетом механической активации исходных компонентов.
Проведено исследование условий и сроков хранения наномодификатора на его эффективность в качестве модифицирующей добавки путем калориметрического анализа и измерения прочности составов на основе свежеактивированной цементно-песчаной смеси, а также после некоторого срока хранения. Результаты экспериментальных исследований демонстрируют высокую сохранность активированной цементно-песчаной добавки при хранении в герметичном контейнере.
Проведено исследование частичной замены исходных компонентов активированной цементно-песчаной композицией. Предложено использование активированной композиции в качестве активной минеральной добавки. Механическая активация способствует раскрытию неиспользованного потенциала исходных компонентов мелкозернистой бетонной смеси. Активная минеральная добавка, полученная путем механической активации цементно-песчаной композиции, может стать альтернативой дорогостоящим добавкам при использовании регионального сырья для ее изготовления.
Анастасия Вячеславовна Пузатова
Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН; Удмуртский государственный университет
В работе представлена механоструктурная характеристика композиционных FeNiCr-B4C (in-situ легированных 5 и 7 мас. % B4C) покрытий, нанесенных методом импульсной лазерной наплавки на подложку из AISI 1040 стали. Согласно СЭМ анализу микроструктуры, поперечные сечения всех синтезированных образцов характеризуются средней толщиной покрытия 350 ± 20 мкм и достаточно узкой (100 ± 20 мкм) переходной зоной «покрытие-подложка». Обнаружено, что покрытия имеют незначительное количество пор и трещин. Механическая характеристика FeNiCr-B4C покрытий показала, что in-situ легирование 5 и 7 мас. % B4C приводит к заметному увеличению микротвердости на 86 и 157 %, соответственно, по сравнению с ранее полученным FeNiCr покрытием без добавки B4C. Таким образом, процесс in-situ легирования в сочетании с увеличением содержания B4C можно рассматривать как перспективный метод для получения прочных композиционных FeNiCr-B4C покрытий.
Артем Владимирович Окулов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Системы бесконтактного измерения механических деформаций (видеоэкстензометры) широко применяются при механических испытаниях различных конструкционных материалов для точного определения деформаций испытуемого образца. В совокупности с регистрацией сил, создаваемых испытательной машиной [1], это позволяет построить диаграмму деформирования, а затем рассчитать различные механические свойства материала (например, модуля Юнга, коэффициента Пуассона, предела текучести и т.д.). Функционирование всех современных видеоэкстензометров основано на методе корреляции цифровых изображений, который был предложен еще в 70-х годах прошлого века [2], а для определения деформаций стал активно применяться последние 15 лет в связи с ростом производительности вычислительной техники.
Для получения субпиксельной точности метода изображения многократно увеличиваются с использованием интерполяции, а также проводится фильтрация от помех. Например, для 8-битных монохромных изображений теоретически максимальную точность можно получить при увеличении изображений в 256 раз в каждом направлении. Однако масштабирование входного сигнала квадратично повышает требования к производительности системы и объему оперативной памяти. Поэтому, как правило, ограничиваются увеличением в 10-20 раз.
Методы обработки изображений хорошо поддаются распараллеливанию. Между тем, все известные видеоэкстензометры осуществляют обработку данных на центральном процессоре (CPU). Цель работы заключается в реализации алгоритмов определения деформаций с использованием графического ускорителя (GPU).
Увеличение скорости обработки изображений позволяет повысить точность определения деформации при измерениях в режиме реального времени. На рисунке продемонстрирован эксперимент на одноосное статическое растяжение с постоянной скоростью (график должен быть близок к линейному). Использование GPU повысило скорость обработки в 14,5 раз, что на частоте 15 кадров в секунду позволило снизить среднеквадратическое отклонение (sd) на 6%.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИМАШ УрО РАН.
1.Мушников А.Н., Задворкин С.М., Перунов Е.Н., Выскребенцев С.В., Измайлов Р.Ф., Вичужанин Д.И., Соболева Н.Н., Игумнов А.С. Экспериментальная установка для исследований физических свойств материалов в условиях плоского напряженного состояния // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2022. № 4. С. 50-60.
2.Keating T.J., Wolf P.R., Scarpace F.L. An Improved Method of Digital Image Correlation // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1975. №41(8). P. 993–1002.
Александр Николаевич Мушников
АО «ОКБМ Африкантов»
(а) (б)
Рисунок 1 – Оптимизированная конструкция рабочего колеса топологическим (а) и параметрическим (б) методами.
В настоящее время существуют несколько оптимизационных подходов, позволяющих обеспечить для проектируемых деталей характеристики и работоспособность в условиях имеющихся ограничений. Компоновка, общий вид деталей часто выбирается конструктором на основе ранее полученного опыта, либо по примеру уже существующих в отрасли аналогов, доказавших свою работоспособность. Для механического оборудования атомной промышленности существенной характеристикой является вес деталей.
Целью исследования является оптимизация колеса рабочего вентилятора системы охлаждения. Методом компьютерного моделирования разработаны цифровые 3D конструкторская геометрическая и расчетная модели рабочего колеса. Основными действующими нагрузками на элементы рабочего колеса, учитываемых при проведении оптимизации, являются центробежные силы, напор, крутящий момент, внешнее вибрационное воздействие, сейсмическое воздействие. Критерием оптимизации задано уменьшение массы рабочего колеса с выполнением условий прочности: статической, циклической, вибропрочности.
Одним из способов определения рациональной формы детали, обеспечивающей наилучшие весовые характеристики при заданных внешних воздействиях и известных свойствах материала является подход, основанный на алгоритмах топологической оптимизации. Особенность метода – получение величины, отвечающей за наличие или отсутствие материала в расчетной области («псевдоплотность»). «Псевдоплотность» принимает значение от нуля до единицы, где «0» - полное отсутствие материала, «1» - полное заполнение материалом расчетной области.
Вторым способом является многопараметрическая оптимизация по поверхности отклика, когда сначала определяются значения целевой функции в некоторых заданных точках, а последующая параметрическая оптимизация выполняется для аппроксимированной целевой функции.
В результате исследований с использованием двух технологий оптимизации получены два конечных варианта рабочего колеса оптимизированной конструкции, имеющих сниженную на 20% массу. Оптимизированные конструкции рабочего колеса: топологическая в коммерческом ПО и параметрическая в отечественном ПО приведены соответственно на рисунках 1а и 1б.
Исходя из анализа полученных результатов использование каждого из двух подходов следует проводить исходя из конструктивных особенностей сборочных единиц, деталей (сплошное тело, сплошная конструкция, трубопровод, гостированные профили). А использование совместно различных методов оптимизации и различных назначаемых критериев (масса, напряжение, деформация собственные частоты колебаний) позволяет получать более эффективный результат и наиболее оптимальную конструкцию.
Евгений Сергеевич Стеклов
Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН; Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова
Растущее количество синтетических полимерных материалов — большая экологическая проблема, которую нужно решить как можно скорее. Основным фактором, усугубляющим эту проблему, является обилие изделий из традиционных синтетических полимеров, таких как упаковочные материалы, ящики, контейнеры и другие изделия с коротким сроком использования, которые быстро превращается в полимерные отходы, загрязняющие окружающую среду [1].
В данной работе мы рассматриваем возможность решения этой проблемы путем разработки биоразлагаемых композиций на основе полиолефинов и эластомеров. Добавление натурального компонента (натурального каучука) в матрицу из синтетического полимера (полиэтилена низкой плотности) приводит к значительным изменениям структуры и свойств материала. Происходит смешение полукристаллических и аморфных полимеров. Было показано, что добавка 10–50 массовых % эластомера в синтетический полимер увеличивает смачиваемость материала (рисунок 1), незначительно снижает механические свойства, существенно влияет на надмолекулярную структуру,
кристаллическую фазу полиэтилена и инициирует микробиологическую деградацию.
В работе показано влияние добавки природного происхождения натурального каучука на структуру и свойства синтетического полиолефина. ПЭНП и НК представляют собой термодинамически сложную систему двух полимеров: кристаллического и аморфного, что существенно влияет на свойства и формирование надмолекулярной структуры композитов. Установлено, что натуральный каучук существенно не снижает физико-механические характеристики композитов, однако позволяет получать биоразлагаемые пленочные материалы. Биодеградация достигается за счет повышения гидрофильности материала, что позволяет микромицетам эффективно заселять поверхность, инициируя процесс биодеградации при компостировании в почву. НК также является субстратом для более активного развития микробиоты на поверхности композита.
Пленочные материалы занимают первое место среди полимерных изделий сельскохозяйственного назначения. Значительный интерес к использованию мульчирующих пленок с целью уничтожения сорняков, удержания влаги, удобрений, обеспечения лучшей микросреды для растений и защиты от неблагоприятных климатических условий привел к бурному росту рынка сельскохозяйственной полиэтиленовой пленки и, как результат стала проблема переработки тонн накопленных сельскохозяйственных пластиковых отходов. Сегодня эта работа открывает перспективы создания биоразлагаемых пленочных материалов для сельского хозяйства, упаковки, упаковки и других направлений легкой промышленности.
1.Крутько Э. Т., Прокопчук Н. Р., Глоба А. И. Технология биоразлагаемых полимерных материалов. Минск: БГТУ. 2014. 105 с.
Иветта Арамовна Варьян
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Рис. Зуб с реставрацией клиновидного дефекта с использованием протетической вкладки:
а) центральное сечение коронковой части; б) изометрия коронковой части;
1 – эмаль; 2 – дентин; 3 – пульпа; 4 – протетическая вкладка
Распространенность некариозных заболеваний, в частности клиновидных дефектов среди населения мировой популяции по данным Huysmans M.C. и Nascimento M.M. составляет до 17% в возрастных группах от 20 до 70 лет. Клиновидные дефекты достаточно распространенное заболевание, которое может доставлять значительный дискомфорт пациентам [1, 2]. Появление новых стоматологических материалов и технологий лечения делает актуальным анализ работы элементов зубного ряда до и после реставрации дефекта с использованием численного моделирования. В работе рассмотрено моделирование стандартной реставрации клиновидного дефекта с помощью пломбы и с использованием новой технологии предложенной научной группой ПГМУ г. Пермь во главе с д.м.н., профессором Асташиной Н.Б. [3]. На рис. представлен вид зуба с реставрацией клиновидного дефекта при помощи новой технологии. Геометрии профетической вкладки может варьироваться. Представлен один из возможных вариантов геометрии.
В рамках работы выполнено создание параметризированных моделей: здоровый зуб; зуб с учетом клиновидного дефекта V-образной формы; зуб со стандартной реставрацией и зуб с реставрацией в виде протетической вкладки. Исследовано влияние широкого диапазона нагрузки действующей от зуба антагониста: вертикальная нагрузка и под углам 45°. Исследовано влияние характера сопряжения зуба и реставрации. Рассмотрена возможность выскальзывания реставрации из полости при деформировании зуба. Все исследования для нового типа реставрации выполнены для представленной геометрии вкладки и созданного для нее выреза. Требуется оценка влияния геометрии протетической вкладки на работоспособность зуба.
1. Kamenskikh A.A., Sakhabutdinova L., Astashina N., Petrachev A., Nosov Yu. Numerical modeling of a new type of prosthetic restoration for non-carious cervical lesions // Materials. 2022. Vol. 15. № 15. Art. 5102.
2. Sakhabutdinova L., Kamenskikh A.A., Kuchumov A.G., Nosov Y., Baradina I. Numerical study of the mechanical behaviour of wedge-shaped defect filling materials // Materials. 2022. Vol. 15. № 20. Art. 7387.
3. Патент № 2719898 C1 Российская Федерация, МПК A61C 8/00. Способ лечения клиновидного дефекта зуба и устройство для его осуществления: № 2019108928: заявл. 27.03.2019: опубл. 23.04.2020 / Н.Б. Асташина, А.С. Петрачев, С.В. Казаков, Е.П. Рогожникова; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
Юрий Олегович Носов
