2024 Том 30

№1
ДЕФОРМИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНО НАГРЕТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Приближенно решена задача об осесимметричном деформировании тонкой цилиндрической оболочки под действием локального температурного поля, действующего по кольцевой части ее боковой поверхности. Решение базируется на использовании классической теории оболочек и применении аппарата обобщенных функций. В связи с последним точное решение задачи невозможно и используется решение методом Бубнова в высоких приближениях. Рассмотрен также и вариант исследования обратной задачи, когда по известным перемещениям оболочки можно установить допускаемые температурные режимы ее термообработки. Приведены примеры. Результаты работы могут быть использованы при прогнозировании напряженно-деформированного состояния тонкостенных конструкций в условиях нестационарного аэродинамического нагрева их отдельных участков, вызванного как конвективным теплопереносом, так и теплотой химических реакций (окисление, катализ).


Антуфьев Б.А., Егорова О.В., Рабинский Л.Н., Царева У.С.
Страницы: 3-9
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.01
УТОЧНЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЖНЯ-ПОЛОСЫ, ЗАКРЕПЛЕННОГО НА УПРУГОМ ОПОРНОМ ЭЛЕМЕНТЕ

С использованием инструментально-аппаратных средств фиксации амплитуд виброускорений разработана методика экспериментального исследования вынужденных изгибных колебаний консольно закрепленного стержня-полосы, соединенного на одной из лицевых поверхностей с опорным элементом на участке закрепления конечных размеров, при действии осевой гармонической силы, приложенной на торце закрепленного участка. Построена уточненная модель деформирования закрепленного участка на основе уточненной сдвиговой модели С.П. Тимошенко с учетом деформаций поперечного обжатия и заданных перемещений опорного элемента. Процесс деформирования незакрепленной (консольной) части стержня описывается классической моделью Кирхгофа-Лява. Сформулированы кинематические условия сопряжения закрепленной и незакрепленной частей стержня. С учетом данных условий на основе вариационного уравнения Гамильтона-Остроградского получены уравнения движения незакрепленной и закрепленной частей стержня-полосы, соответствующие им граничные условия, а также силовые условия сопряжения закрепленного и незакрепленного участков стержня. Найдено точное аналитическое решение задачи о вынужденных колебаниях стержня при нагружении его гармонической осевой силой, приложенной к торцевому сечению закрепленного участка, а также гармонической поперечной силой на конце незакрепленного участка. Проведены вычислительные эксперименты для стержня-полосы, выполненного из алюминиевого сплава Д16АТ с учетом заданных перемещений опорного элемента в виде стального швеллера. Установлено, что при действии осевой силы, приложенной на торце закрепленного участка, колебания незакрепленной части стержня практически полностью определяются заданными перемещениями опорного элемента, а при действии внешней поперечной силы на конце незакрепленной части — практически не зависят от них.


Паймушин В.Н., Шишкин В.М.
Страницы: 10-37
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.02
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЯЗКОПЛАСТИЧНОСТИ НА УДАРНУЮ ФРАГМЕНТАЦИЮ КОМПАКТНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В трехмерной (3D) постановке, мы рассматриваем задачу об ударной фрагментации двух одинаковых алюминиевых сфер, чувствительных к скорости деформации, движущихся навстречу друг другу по прямой, соединяющей их центры, с одинаковой по величине скоростью V в лабораторной системе координат. Мы используем анализ размерностей и численное моделирование полной системы уравнений механики деформируемого твердого тела (МДТТ) методом гладких частиц (SPH) с использованием вязкопластической модели Джонсона-Кука, чтобы изучить поставленную задачу. Делается предположение о полной автомодельности задачи по безразмерному параметру эффективной скорости деформации eff ε, которое проверяется численным моделированием. В результате мы рассматриваем и сравниваем два случая, соответствующие высокоскоростному 1eff>> ε и низкоскоростному нагружению 1eff<< ε. Размер каждой сферы характеризуется общим числом totN SPH-частиц, аппроксимирующих сферу кубической решеткой. Предположение о полной автомодельности по параметру eff ε подтверждается численным моделированием, по крайней мере, на физическом уровне строгости. Показано, что для конечного totN пороговая скорость фрагментации при высокоскоростном нагружении cV∞ превышает таковую при низкоскоростном нагружении 0cV, т.е. 0ccVV∞>. Расчеты показывают слабое различие между 0cV и cV∞, которое составляет всего 1-3%. Кроме того, мы находим, что кумулятивные распределения по массам при низкоскоростном и высокоскоростном нагружении практически совпадают в области малых и средних масс, а различаются только в области больших масс. Таким образом, можно утверждать, что вязкопластичность оказывает слабое влияние на фрагментацию сферы.


Мягков Н.Н., Шумихин Т.А.
Страницы: 38-51
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.03
ТЕРМОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ АРМИРОВАННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Сформулирована связанная задача неизотермического упругопластического динамического деформирования гибких круговых цилиндрических оболочек, армированных волокнами по произвольным траекториям. Плохое сопротивление таких композитных конструкций поперечным сдвигам и волновые процессы в них моделируются в рамках теории изгиба Амбарцумяна. Учитывается обжатие оболочек. Геометрическая нелинейность задачи рассматривается в приближении Кармана. Пластическое деформирование материалов композиции описывается определяющими уравнениями теории течения с изотропным упрочнением. Функции нагружения компонентов композиции зависят как от параметра упрочнения, так и от температуры. Учитывается также термочувствительность упругих и теплофизических характеристик этих материалов. По толщине оболочек температура задается полиномом высокого порядка. Приведены двумерные уравнения теплового баланса тонкостенной композитной конструкции, соответствующие такому представлению температуры в ней. Для интегрирования поставленной нелинейной двумерной задачи разработана явная численная схема. Исследовано упругопластическое и термоупругопластическое осесимметричное деформирование длинных гибких цилиндрических оболочек, армированных в продольном и окружном направлениях. Конструкции нагружены внутренним давлением, аналогичным давлению в воздушной взрывной волне. Продемонстрировано, что для практически приемлемого расчета теплового отклика в динамически изгибаемых армированных оболочках температуру по их толщине нужно аппроксимировать полиномом 7-го порядка. Показано, что стеклопластиковые оболочки при указанном нагружении дополнительно нагреваются не более чем на 10-12оС, и их можно рассчитывать без учета теплового отклика. Металлокомпозитные оболочки могут дополнительно нагреваться на 40оС, и расчет их неупругого динамического поведения необходимо проводить с учетом возникающих в них температурных полей. В противном случае расчетное деформированное состояние компонентов металлокомпозиций может быть сильно (на несколько десятков процентов) искажено.


Янковский А.П.
Страницы: 52-71
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.04
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭНЕРГИИ НИЗКОСКОРОСТНОГО УДАРА НА ОСТАТОЧНУЮ ПРОЧНОСТЬ СИЛОВЫХ ПАНЕЛЕЙ ИЗ ПКМ

Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований по влиянию энергии удара на остаточную прочность силовых панелей крыла. Объектом исследований являлись двухстрингерные панели силового кессона крыла из ПКМ с повреждениями обшивки, полученными при различных энергиях удара. В процессе испытаний оценивалась остаточная прочность панелей при осевом сжатии и напряженно-деформированное состояние зоны ударного повреждения с помощью тензометрии. Полученные результаты позволили определить зависимость остаточной прочности панели от энергии нанесенного удара. Показано, что существует пороговое значение энергии удара, после которого имеет место резкое снижение остаточной прочности панели в относительно узком диапазоне изменения энергии удара. Дальнейшее увеличение энергии не оказывает значительного влияния на остаточную прочность панели. Результаты экспериментальных исследований дали возможность сопоставить критические напряжения локальной потери устойчивости зоны повреждения со степенью повреждения матрицы композиционного пакета при разных уровнях энергии удара. Полученные данные дают потенциальную возможность моделировать ударные повреждения композита в крупных силовых агрегатах конструкции планера летательного аппарата, не прибегая к сложным и трудоемким математическим моделям. В целом, результаты выполненных экспериментальных работ подтвердили предположение, что механизм разрушения композита при наличии ударного повреждения связан с его локальной потерей устойчивости вследствие снижения характеристик жесткости поперечного сдвига пакета.

Дударьков Ю.И., Лимонин М.В.
Страницы: 72-84
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.05
СРАВНЕНИЕ ЧЕТЫРЁХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ ТКАНЕВЫХ КОМПОЗИТОВ ПРИ ВНУТРИ- И МЕЖСЛОЙНОМ СДВИГЕ

Для определения упругих и прочностных характеристик полимерных композитных материалов при сдвиге как в плоскости армирования, так и в трансверсальном направлении используются различные экспериментальные методики, основанные, в частности, на растяжении образца-полоски под углом 45o к направлению армирования, трехточечном изгибе балочного образца с разным отношением пролета к толщине, изгибе короткой балки или сдвиге образца с V-образными надрезами. В этих методиках достаточно сложно оценить влияние на результаты испытаний таких факторов, как разворот волокон, сложное напряженное состояние в рабочей части образцов, степень анизотропии и локальные контактные деформации. В связи с этим в данной работе было проведено комплексное исследование по оценке упругих и прочностных сдвиговых характеристик тканевого углепластика по отмеченным выше методикам. Анализ результатов показал, что испытания образцов Иосипеску на сдвиг в плоскости армирования и испытания образцов-полосок на растяжение под углом 45o к направлению армирования дают практически одинаковые значения сдвиговых характеристик, но лишь в диапазоне деформаций, ограниченном величиной 5-6%. Деформации разрушения при сдвиге в этих экспериментах существенно различаются: растяжение образцов-полосок даёт на 30% меньшие значения. Также было установлено, что, несмотря на различия в способах деформирования при испытаниях образцов Иосипеску на сдвиг в трансверсальном направлении и испытаниях на изгиб балочных образцов, значения упругих и прочностных сдвиговых характеристик тканевых углепластиков отличаются незначительно.


Гусейнов К.А., Силов В.А., Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б.
Страницы: 85-100
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.06
ВАРИАЦИОННАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ОБРАТИМОЙ ТЕРМОМЕХАНИКИ ДЛЯ СЛОИСТЫХ СТРУКТУР

В работе модель пространственно-временного трансверсально-изотропного континуума используется для того, чтобы развить наиболее полный вариант вариационной модели для связных обратимых динамических процессов теплопереноса и термомеханики деформируемых сред и с наибольшей полнотой учесть связные эффекты в отношении пространственных и временных эффектов. Временная ось является осью трансверсальной изотропии. При описании полей температуры и термомеханических процессов применяемая модель 4D пространственно-временного континуума позволяет естественным образом ввести термический потенциал, в качестве которого рассматривается четвертая компонента 4D вектора перемещений. Для определения силовой модели используется принцип возможных перемещений считая, что список аргументов определяется тензором обобщенных дисторсий и вектором 4D перемещений. Решается проблема идентификации физических постоянных модели для обратимых процессов. Для этого формулируются физически обоснованные гипотезы: гипотеза парности пространственных касательных напряжений, гипотеза классической зависимости импульса от скорости, гипотеза потенциальности теплового потока (ослабленная гипотеза Фурье). Предполагается также, что закон Дюамеля-Неймана по форме имеет вид классического закона Дюамеля-Неймана, обобщенного за счет учета релаксационных эффектов в температуре, давлении и шаровом тензоре деформаций. Отметим, что использование модели пространственно-временного континуума позволило для обратимых процессов получить обобщение закона теплопроводности Максвелла-Каттанео для теплового потока. Отличительной стороной предлагаемого метода моделирования является то, что в рамках рассматриваемых моделей обобщенные законы Максвелла-Каттанео и Дюамеля-Неймана не вводятся феноменологически, а получены как уравнения совместности при исключении термического потенциала из уравнений закона Гука для температуры, теплового потока и давления.


Белов П.А., Лурье С.А.
Страницы: 101-117
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.07
ЗНАКОПЕРЕМЕННЫЙ ТЕРМОСИЛОВОЙ ИЗГИБ ПОГОННОЙ НАГРУЗКОЙ ТРЕХСЛОЙНОЙ КРУГЛОЙ ПЛАСТИНЫ

Исследован изгиб трехслойной пластины при прямом и повторном знакопеременном нагружении круговой погонной нагрузкой. Физические уравнения состояния для материалов тонких внешних несущих слоев, учитывают возникающие малые упругопластические деформации. Материал более толстого жесткого заполнителя нелинейно упругий. Предполагается, что деформирование несимметричной по толщине пластины подчиняется гипотезам Кирхгофа в несущих слоях и гипотезе Тимошенко в заполнителе. Это приводит к линейному распределению радиальных перемещений по толщине слоев. Пластина подвержена воздействию теплового потока, падающего перпендикулярно ее верхнему слою. Торец пластины и наружная поверхность нижнего несущего слоя теплоизолированы. Для расчета температурного поля используется формула, полученная методом усреднения теплофизических характеристик по толщине пакета. Учтено влияние температуры на модули упругости и функции пластичности и физической нелинейности материалов. Постановка краевой задачи проведена вариационными методами. Получена соответствующая система уравнений равновесия и силовые граничные условия для рассматриваемой трехслойной пластины. В заполнителе принята во внимание работа тангенциальных напряжений. Сформулированы кинематические граничные условия и использована ограниченность решения в центре пластины. При построении решения задачи об изгибе соответствующей упругой пластины погонной нагрузкой использовано известное решение в случае равномерно распределенной кольцевой нагрузки. Применен предельный переход при толщине кольца нагрузки, стремящегося к нулю. Решение краевой задачи о нагружении упругопластической пластины из естественного состояния проведено методом упругих решений Ильюшина. Аналитическое итерационное решение выписано в функциях Бесселя. При повторном знакопеременном нагружении использована теория переменного нагружения Москвитина. В несущих слоях учтено циклическое упрочнение материала. Проведен численный анализ полученных аналитических решений, исследована зависимость перемещений от физически нелинейных свойств материалов слоев, температуры, граничных условий.


Старовойтов Э.И., Леоненко Д.В.
Страницы: 118-134
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.08
№2
СТРУКТУРА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, АРМИРОВАННЫХ СТЕКЛЯННЫМИ ВОЛОКНАМИ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ, ИССЛЕДОВАННАЯ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ

Структура композиционных материалов считается одним из основных факторов, определяющих их свойства, поэтому ее исследование, а в конечном итоге знание являются обязательными условиями для прогнозирования их поведения. Различные технологические методы изготовления изделий из волокнистых полимерных композиционных материалов приводят к различию в распределении волокон. Известно, что при прессовании плоскими пуансонами волокна располагаются преимущественно параллельно плоскости. Однако представляется, что на этот процесс могут оказывать влияние реологические свойства матрицы, длина волокон и высота прессовки, возможно и интенсивность взаимодействия между наполнителем и матрицей. Метод компьютерной томографии является одним из надежных методов анализа и неразрушающего контроля структуры композиционных материалов. Исследуются возможности метода компьютерной томографии для анализа структуры полифениленсульфида, наполненного стеклянными волокнами различной длины. Композиционные материалы получали смешением в экструдере с последующим компрессионным прессованием заготовок. Образцы композиционных материалов, армированных волокнами различной длины, были просканированы с разрешением 2,2 микрона. Анализ распределения волокон после томографии был выполнен с помощью структурного анализа с применением программы обработки VoxTex. Показано, что расположение и распределение волокон зависят от метода изготовления и длины волокон. Проведенные исследования показывают, что метод микрокомпьютерной томографии позволяет получать данные о структуре композиционных материалов, что является основной предпосылкой для расчета физико-механических свойств. Поскольку технологические факторы могут оказывать существенное влияние на конечную структуру композиционного материала, этот метод позволяет установить взаимно-однозначное соответствие между технологией изготовления и структурой получаемого композита.


Зерщиков К.Ю., Семёнов Ю.В.
Страницы: 141-152
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.01
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИН КОЭФФИЦИЕНТОВ ПУАССОНА НА ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН В ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛАХ

В работе рассмотрено влияние экстремальных значений коэффициента Пуассона материала на процесс распространения упругих продольных волн и переход кинетической энергии в потенциальную и обратно в процессе удара о жесткую стенку цилиндров — от пластинчатой до стержневой форм при непрерывном изменении формфакторов. Показана зависимость интегральных характеристик процесса деформирования от коэффициента Пуассона материала у цилиндров различных геометрий и шаров. Моделирование ударного нагружения цилиндров по жесткой стенке выполнено с помощью динамического метода конечных элементов тетраэдральной формы в трехмерной постановке. Показана связь коэффициентов Пуассона с коэффициентами восстановления скорости цилиндров после удара тела о жесткую стенку и механизм существенного уменьшения коэффициентов восстановления скорости. При этом уменьшение коэффициентов восстановления скорости цилиндров после упругого удара о стенку не связано с потерями от выделения тепла, сопротивлением воздуха и малой пластической деформацией, так как они не учитываются в математической модели. Показаны принципиальные отличия процессов ударного нагружения цилиндров компактных форм и шаров, имеющих такой же диаметр. Целью работы было выявление формфакторов, чувствительных к экстремальным значениям коэффициентов Пуассона, определяющих переход кинетической энергии в потенциальную и обратно в процессе удара, а также на изменения волновых картин деформирования при ударном нагружении. Показано, что для изотропных материалов значения коэффициентов Пуассона определяют необходимость учета формфакторов и величины диапазонов формфакторов, в которых наблюдаются уменьшения коэффициентов восстановления скорости, а также невозможно устойчивое определение скоростей распространения упругих продольных волн или волн Похгаммера.


Кривошеина М.Н., Туч Е.В.
Страницы: 153-166
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.02
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСКОРЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ

В работе представлены результаты экспериментов по изучению влияния длительного УФ-излучения и температуры на механические характеристики композиционного материала. Исследованный материал состоял из однонаправленных углеродных волокон IMS65 и высокотемпературной эпоксидной смолы Т26. Согласно представленной экспериментальной программе, была проведена ускоренная деградация образцов композиционного материала под воздействием повышенной температуры +100оC и УФ-излучения в течение 360, 720 и 1080 часов. Деградация проводилась на специально разработанном испытательном стенде, который включал в себя термокамеру и УФ-лампу. Данный стенд обеспечивал контролируемую стабильную среду, которая позволила имитировать комбинированное воздействие теплового и УФ-излучения на материал в течение длительного времени. Всего на стенде было подготовлено 60 плоских образцов со схемами армирования [0]8, [±45]8, [90]8 и с различным временем деградации. Данные образцы испытывались на растяжение до разрушения, в результате чего были определены модуль упругости и предел прочности исследованного материала. По данным испытаний были построены кривые зависимости модуля упругости и предела прочности в зависимости от времени деградации материала для разных схем армирования. Анализ полученных результатов показал, что от воздействия УФ-излучения и повышенной температуры модуль упругости и предел прочности материала снизились на 10-20%. При этом было отмечено, что для образцов со схемами армирования [±45]8, [90]8 эффект деградации влияет на механические характеристики значительнее. Это обуславливает необходимость учета рассмотренных факторов деградации при проведении расчетов конструкций из композиционных материалов, эксплуатируемых в неблагоприятных условиях окружающей среды.


Еремин Н.В., Москвичев Е.В., Антишин Д.В.
Страницы: 167-180
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.03
ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ ТРЕХСЛОЙНОЙ БАЛКИ ИНТЕРМЕТАЛЛИД-КЕРАМИКА-МЕТАЛЛ ПРИ ТРЁХТОЧЕЧНОМ ИЗГИБЕ ОТ ГЕОМЕТРИИ, МОДУЛЯ УПРУГОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

В данной работе исследуется разрушение трёхслойной балки в условиях трёхточечного изгиба. В качестве критерия разрушения выбрано условие превышения максимального допустимого растягивающего напряжения. Для анализа используется линейно-упругая постановка задачи в рамках модели балки Бернулли-Эйлера. В силу формирования диффузионного контакта слоев в процессе СВС-технологии эффекты расслоения не рассматриваются. Выводится зависимость, определяющая предельную допустимую нагрузку для трёхслойной балки, как функцию величины нагрузки, механических и геометрических параметров балки. Полученные результаты были применены к задаче определения оптимальных пропорций слоёв, которые бы обеспечили балке наилучшую прочность на трёхточечный изгиб, при условии, что материалами слоёв выбраны интерметаллид — TiAl, керамика — TiB и металл — Ti, исходя из технологической необходимости с учетом зависимости параметров от температуры. В решении учитывается возможность начала процесса разрушения со среднего или даже верхнего слоя. При соответствующем подборе параметров, когда нейтральная ось попадает на верхний слой, исследована точка равнопрочности. Для данных материалов показано, что причиной разрушения являются слои TiB (средний слой) и Ti (нижний слой) и для максимизации предельной допустимой нагрузки для композитной балки необходимо минимизировать толщину TiAl (верхнего слоя). В качестве примеров рассмотрена зависимость предельной нагрузки от введенных параметров в случае линейных зависимостей от температуры модуля Юнга и пределов прочности на изгиб каждого слоя для таких трехслойных балок как интерметаллид-керамика-металл и керамика-интерметаллид-керамика. Показано изменение влияния на пределньную нагрузку порядкового номера слоя с ростом температуры.


Хвостунков К.А., Великов М.В., Бажин П.М.
Страницы: 181-197
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.04
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗГИБА ПЛАСТИНЫ ИЗ СПЛАВА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Решена полностью связная краевая задача об изгибе пластины из сплава с памятью формы в условиях теплообмена с окружающей средой и диффузии тепла вдоль толщины пластины, а также с учетом влияния скрытой теплоты мартенситного превращения. Задача включает в себя решение уравнений механического равновесия, теплопроводности и определяющих соотношений для деформации сплава с памятью формы, реализованных микроструктурной моделью. Данная модель учитывает упругую, температурную и фазовую деформации материала, последняя — связанная с протекающими в нем фазовыми переходами. Выполнен расчет поля температур в пластине, испытывающей прямое мартенситное превращение при ее охлаждении с поверхности. Найдены распределения температуры по толщине пластины для ряда последовательных моментов времени, соответствующих различным значениям температуры окружающей среды. В частности, найдены зависимости от времени температуры на поверхности и в центре пластины. Показано, что без учета выделения скрытой теплоты превращения получаются значительные погрешности в расчете времени, необходимого для завершения прямого превращения. Выполнено моделирование быстрого изгиба пластины при температуре sM (начала прямого мартенситного превращения) и последующей выдержке при постоянном изгибающем моменте в условиях постоянной температуры окружающей среды. Показано, что нейтральный слой, в котором напряжения равны нулю, не находится в середине поперечного сечения, а смещен в сторону сжатых слоев из-за асимметрии свойств рассматриваемого сплава по отношению к растяжению-сжатию. В результате теплопередачи происходит снижение температуры во внутренних слоях пластины, сопровождаемое прямым фазовым превращением и накоплением деформации во времени. Это явление можно формально трактовать как ползучесть. При выдержке в условиях фиксированного прогиба происходит релаксация напряжений во времени. Данные эффекты следует учитывать при проектировании функциональных устройств с рабочим телом из сплава с памятью формы.


Вуколов Е.А., Волков А.Е., Евард М.Е., Беляев Ф.С.
Страницы: 198-221
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.05
ВЫСШИЕ АСИМПТОТИЧЕСКИЕ ПРИБЛИЖЕНИЯ В ЗАДАЧЕ О ПОПЕРЕЧНОМ ИЗГИБЕ ПЛАСТИНЫ

В статье проводится асимптотическое осреднение упругих однородных и неоднородных в поперечном направлении пластин вплоть до пятого приближения. Асимптотическое разложение применяется к трехмерным уравнениям равновесия теории упругости и сводит их к серии двумерных задач в плоскости пластины и одномерных задач в поперечном направлении. Следовательно, рассматриваемая методика является также методом понижения размерности исходных уравнений. Рассматривается геометрически линейная теория упругости. Асимптотическое решение удовлетворяет граничным условиям на лицевых поверхностях, но не на боковой поверхности. Соответственно краевой эффект не рассматривается. Асимптотическое понижение размерности рассматривалось многими авторами. Отличие этого исследования от известных работ в данном направлении заключается в рассмотрении четвертого и пятого асимптотических приближений. Показано, что для четвертого приближения состояния изгиба и деформирования в отсчетной плоскости не разделяются даже для однородной пластины. Для однородной пластины используемая асимптотическая теория в первом приближении приводит к дифференциальным уравнениям, аналогичным теории Кирхгофа, а в третьем приближении — к теории третьего порядка. Теория Рейснера находится между ними. Для слоистой пластины первое приближение приводит к классической ламинатной теории. Как частный случай проведенное асимптотическое исследование справедливо для сильно-ортотропных пластин, однородных и слоистых пластин. В качестве примера рассмотрен цилиндрический изгиб однородной и трехслойной пластин. Проведено сравнение четвертого асимптотического приближения с конечно-элементным решением. Показано, что четвертое приближение позволяет существенно уточнить поперечное касательное напряжение. Также асимптотическое представление может использоваться как база для сравнения различных феноменологических теорий пластин третьего и пятого порядков.


Шешенин С.В., Кузьмин М.А., Артамонова Н.Б.
Страницы: 222-236
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.06
ПЛАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАЗРУШЕНИИ НА ГРАНИЦЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО И КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В статье анализируется физика деформирования и разрушения на границе композиционного соединения на основе нанокристаллического/аморфного и кристаллического сплава при температуре жидкого азота. Для исследования подготовлены слоистые композиты на основе нанокристаллического сплава торговой марки 5БДСР и аморфного металлического сплава торговой марки 82К3ХСР с легкоплавкими сплавами. Проведены механические испытания подготовленных образцов на одноосное растяжение при комнатной температуре и температуре жидкого азота. При растяжении композиционных соединений было выявлено, что часть образцов имеют вязкий характер разрушения вне зависимости от температуры испытания. На основании полученных экспериментальных результатов выдвинута теория саморазогрева в вершине трещины композита, объясняющая вязкий характер разрушения при температурах жидкого азота. На основании предложенной теории проведено моделирование, которое показало, что энергии, выделяемой перед вершиной трещины достаточно для разогрева материала на 100-200 K и перехода к вязкому разрушению. Это процесс вероятностный и может определяться характером роста трещины в начале процесса разрушения. В случае, если росту трещины предшествуют атомные перестройки, то разрушение будет вязким даже при криогенной температуре композиционного образца в целом. Предложена физическая модель деформирования и разрушения на границе между нанокристаллической/аморфной и кристаллической фазой в композиционных соединениях «легкоплавкий кристаллический сплав — нанокристаллические/аморфные пленки», объясняющая сохранение вязкого характера разрушения в температурном диапазоне 77 К и 293 К в условиях одноосного растяжения.


Ошоров А.Д., Ушаков И.В., Хозром И.М., Сафронов И.С.
Страницы: 237-250
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.07
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЕТЧАТОГО КОМПОЗИТНОГО АДАПТЕРА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ПЕРВУЮ СОБСТВЕННУЮ ЧАСТОТУ КОЛЕБАНИЙ

В настоящее время сетчатые композитные конструкции широко применяются в ракетно-космической технике в качестве переходных отсеков, стержневых элементов космических аппаратов, корпусов спутников, адаптеров полезной нагрузки и пр. Для всех перечисленных конструкций критически важным параметром, наравне с жесткостными и прочностными характеристиками, является минимальная собственная частота колебаний. В процессе выведения полезного груза на орбиту на ракету-носитель и полезный груз действуют динамические нагрузки, вследствие чего система испытывает колебания, при совпадении частоты которых с собственной частотой конструкции (системы) наблюдается явление резонанса, резко повышающее вероятность разрушения конструкции. Применение унифицированных базовых конструкций (платформ космических аппаратов) позволяет значительно сократить сроки разработки нового изделия, увеличить надежность (применяется уже отработанная на предыдущих изделиях платформа) и уменьшить стоимость доставки груза на орбиту. В работе исследовано влияние основных конструктивных параметров адаптера (высоты адаптера, высоты сечений ребер и угол наклона спиральных ребер) на первую собственную частоту. Значения собственных частот были получены с использованием метода конечных элементов, реализованного в коммерческом ПО «FEMAP with NX Nastran». Построена математическая модель, прогнозирующая способность которой была подтверждена расчетом методом конечных элементов. Используя полученную модель, можно определить оптимальные конструктивные параметры адаптера для достижения максимальной собственной частоты, а также спрогнозировать первую собственную частоту при любых параметрах адаптера из расчетной области. Представлена методика поиска оптимальных параметров для платформ космических аппаратов (силовой корпус и адаптер), позволяющая удовлетворить заданные требования к собственной частоте платформы.


Еременко А.А., Азаров А.В.
Страницы: 251-267
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.08
ОБРАЩЕНИЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СООТНОШЕНИЙ МОДЕЛИ НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

В большинстве известных феноменологических моделей деформирования сплавов с памятью формы предлагаются определяющие соотношения, выражающие приращения фазово-структурных деформаций через приращения напряжений, температуры, параметра фазового состава и сами величины напряжений, деформаций, температуры и параметра фазового состава. Сами значения напряжений, деформаций и температуры входят в правые части этих соотношений достаточно сложным, существенно нелинейным образом. Зависимость параметра фазового состава от температуры и девиатора напряжений является также существенно нелинейной, причем эта нелинейность не подчиняется частному постулату изотропии А.А. Ильюшина, т.е. наблюдается зависимость не только от интенсивности напряжений, но и от третьего инварианта девиатора напряжений. Процедуры численного решения краевых задач о деформировании элементов конструкций из сплавов с памятью формы методом конечных элементов требуют построения скоростной матрицы жесткости. Для этого необходимо иметь явные выражения приращений компонент тензора напряжений через приращения компонент деформаций, приращения температуры и сами величины напряжений, деформаций, температуры и параметра фазового состава. Таким образом, требуется построить обращение известных определяющих соотношений, получаемых в рамках феноменологических моделей деформирования сплавов с памятью формы. Построение такого обращения осложняется наличием существенно нелинейной зависимости параметра фазового состава от второго и третьего инвариантов девиатора напряжений. В работе изложена методика аналитического получения такого обращения. Приведены результаты численного решения задачи о прямом превращении в толстостенной цилиндрической оболочки, находящейся под действием постоянного внутреннего давления в предположениях о линейной и билинейной зависимости материальных параметров от параметра вида напряженного состояния.


Мовчан А.А., Шарунов А.В.
Страницы: 268-284
DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.02.09