Главная – Журналы – Прикладная механика и техническая физика 2022 номер 2

Проведено экспериментальное исследование зависимости формы, структуры и величины угла раскрытия струи воды от степени перегрева. Выявлена связь между различными режимами вскипания и характерными формами вскипающей струи. Установлено, что при одинаковых термодинамических условиях форма и угол раскрытия струи перегретой жидкости изменяются различным образом в зависимости от длины струи. Представлены результаты изменения угла раскрытия вскипающей струи в трех диапазонах: метровом, дециметровом и сантиметровом.

С использованием метода мультипольных разложений в рамках линейной потенциальной теории волн построено решение задачи о движении сферы в идеальной несжимаемой жидкости бесконечной глубины под ледяным покровом при неравномерном сжатии. Исследованы гидродинамические нагрузки, действующие на тело: волновое сопротивление, боковая и подъемная силы, а также прогиб ледяного покрова в зависимости от его толщины, скорости тела, глубины погружения и направления движения.

Предложена линеаризованная модель задачи о рассеянии изгибных гравитационных волн над ступенчатым океанским дном. Для решения краевой задачи используется метод разложения решения по собственным функциям. Решение задачи сведено к решению интегральных уравнений. Построены кривые зависимости коэффициентов отражения и прохождения от волнового числа при различных значениях параметров задачи. Точность вычислений подтверждается выполнением энергетического тождества. Проведено сравнение полученных результатов с известными данными.

С использованием методов прямого численного моделирования уравнений Навье - Стокса верифицированы теоретические результаты, полученные в рамках слабонелинейной модели развитого пограничного слоя при обтекании узкой пластины. В рамках модели полного нелинейного взаимодействия исследован механизм выброса газа (берстинг) с поверхности теплоизолированной пластины, обтекаемой сверхзвуковым потоком газа с числом Маха $\M=2$. Показано, что в случае внешних возмущений слабой интенсивности переход от ламинарного обтекания пластины к турбулентному происходит вследствие резонансного трехволнового взаимодействия волн. Подтверждены теоретические результаты, связывающие перераспределение энергии между пульсациями и процесс образования пространственной структуры.

Рассмотрена задача о растекании тока по ширине тонких фольг (в системах типа "змеек") или плоских токовых слоев. Для расчета эволюции распределения токов по ширине неоднородных тонких проводящих слоев или фольг используется интегродифференциальное уравнение, с помощью которого двумерная задача для магнитного поля сводится к одномерной. Рассмотрена бесконечная периодическая система плоских фольг типа "змеек". Показано, что в этой системе сначала в фольге устанавливается распределение тока, соответствующее ее идеальной проводимости, а затем происходит релаксация распределения тока к равномерному. Если фольги используются в качестве размыкателей, то в процессе переброса тока в нагрузку он должен успевать распределиться равномерно по ширине фольг, поэтому поправки на неоднородность распределения тока в размыкателях должны быть невелики.

С использованием метода 3D-печати разработана оптимальная модель заднего поясничного межтелового кейджа (имплантата), обеспечивающего необходимую механическую поддержку позвоночника пациента. С помощью программного обеспечения CATIA исследованы упругие свойства трех моделей кейджа симметричного строения с различной пористостью материала. В дисковом пространстве позвонков L1-L2 были собраны по две копии каждой модели кейджа. Методом конечных элементов исследовано поведение предложенных моделей под действием сжимающих нагрузок, изгибающих и крутящих моментов. Определены жесткость каждой модели и распределение напряжений Мизеса в них.

Представлена новая конструкция микрофлюидного устройства для непрерывного отделения клеток крови от разжиженной цельной крови. Работа устройства основана на явлении диэлектрофореза. В отличие от существующих предложенный сепаратор предназначен для одновременного разделения большего количества типов клеток крови с требуемой точностью. С использованием метода конечных элементов исследуется эффективность работы устройства при разделении клеток крови пяти типов. В предложенном сепараторе для разделения клеток крови используются как диэлектрофоретические, так и гидродинамические силы сопротивления. Выполнена оценка эффективности работы сепаратора при различных режимах эксплуатации.

Аорта - крупнейший сосуд системы кровообращения человека, играющий критическую роль в снабжении кислородом и питательными веществами всех органов брюшной полости, а также нижних конечностей. Критической патологией этого сосуда является аневризма. В медицинской практике важной проблемой является предсказание разрыва аневризмы аорты и планирование операции, поскольку разрыв аневризмы вне клиники, как правило, приводит к летальному исходу. Для построения адекватных математических моделей, предсказывающих подобный исход, необходимо определение прочностных характеристик тканей самой аорты, ее аневризмы и подвздошных артерий на различных стадиях роста такой аневризмы, а также с учетом данных пациентов. Проведено исследование прочностных характеристик тканей аорты человека и ее аневризмы, а также подвздошных артерий. Экспериментально доказано, что в образцах ткани здоровой аорты различия значений предельной относительной деформации в аксиальном и тангенциальном направлениях являются статистически значимыми ($p=0{,}033$), чего не наблюдается в случае аневризмы аорты. Полученные результаты также можно трактовать как факт ремоделирования стенки аневризмы аорты по сравнению со здоровой аортой. Эти данные могут использоваться в задачах персонализированного гидроупругого моделирования при построении прогностических моделей разрыва подобных аневризм.

Исследуется распространение сдвиговых волн в первоначально напряженном триклинном слое, расположенном между двумя полупространствами. Верхнее полупространство полагается трансверсально-изотропным упругим, нижнее - неоднородным изотропным пористо-упругим. Для нижнего полупространства задача сводится к дифференциальному уравнению Уиттекера. Для слоя и полупространств построены частотные уравнения. Исследованы зависимости фазовой скорости от начального напряжения, пористости и неоднородности материала.

Приведены результаты серии экспериментов по исследованию лазерной наплавки единичных треков с использованием металлокерамической порошковой смеси B₄C - Ti-6Al-4V. Изучено влияние параметров лазерной наплавки (мощности излучения, скорости движения луча и положения фокуса) на характеристики формируемых треков (геометрические размеры, микротвердость и элементный состав). Показано, что при увеличении концентрации армирующих частиц в исходной порошковой смеси изменяется характер процесса массопереноса внутри ванны расплава, вследствие чего изменяется форма наплавляемого единичного трека. Установлено, что в ванне расплава формируется сложная гетерогенная структура, включающая вторичные фазовые соединения, образующиеся в результате химических реакций при синтезе in-situ. Установлено, что значения микротвердости в различных точках единичного трека различаются более чем в два раза (в диапазоне HV0,3 = 548 ÷ 1415).

Исследуется возможность получения методом холодного газодинамического напыления композитных покрытий из смеси порошков алюминия и карбида бора для нейтронной защиты. Найдены зависимости коэффициента напыления и остаточного содержания карбида бора в покрытии от его содержания в напыляемой смеси порошков. Проведен анализ выявленных закономерностей и предложен подход для поиска оптимальной для создания эффективных нейтронопоглощающих покрытий концентрации карбида бора в порошковой смеси. Показано, что наибольшая скорость увеличения толщины нейтронозащитных покрытий достигается при оптимальном составе порошка (объемная доля карбида бора составляет приблизительно 0,5).

Дается обоснование модифицированного критерия разрушения Ритчи-Нотта-Райса (критерия разрушения (4δ_t, σ_22c) для стали марки А515-70. В эксперименте используются образцы различной геометрии, имеющие различную температуру и содержащие трещины с различной начальной длиной. Установлено, что критерий разрушения (4δ_t, σ_22c) может быть использован для определения трещиностойкости. Приводятся результаты исследования возможности использования безразмерной функции для определения ударной вязкости.

Построена численно-аналитическая модель вязкоупругопластического поведения гибких пологих оболочек с учетом зависимости пластических свойств их материалов от скорости деформирования. Неупругое поведение материалов описывается теорией течения с изотропным упрочнением. Функции нагружения зависят от параметра упрочнения и интенсивности скоростей деформаций. Вязкоупругое поведение описывается линейными определяющими уравнениями модели многоконстантного тела. Поперечные сдвиги конструкций при изгибном деформировании учитываются в рамках теории Амбарцумяна, а геометрическая нелинейность - в приближении Кармана. Для численного интегрирования поставленной начально-краевой задачи используется явная схема типа "крест". Исследовано динамическое деформирование цилиндрической удлиненной панели из полимерного материала. Конструкция нагружается в поперечном направлении давлением, создаваемым воздушной взрывной волной. Показано, что неучет зависимости пластических свойств материала от скорости деформирования приводит к существенному (в несколько раз) занижению максимального по модулю значения прогиба и наибольшего значения интенсивности деформаций в процессе осцилляций, а также к завышению максимума интенсивности остаточных деформаций. Кроме того, полученные в результате такого расчета эпюры остаточных прогибов конструкции не согласуются с эпюрами, полученными в расчете с учетом указанной зависимости.

Приведены основные соотношения теории изгиба тонких электромагнитоупругих плит, в которой используются комплексные потенциалы. Получены точные аналитические решения задач об изгибе эллиптической плиты и бесконечной плиты с эллиптическим отверстием. Установлено, что в случае односвязной конечной плиты при механических воздействиях электрическая и магнитная индукции не возникают, при действии индукций механические напряжения не возникают, несмотря на то что пьезоэффект имеет место вследствие возникновения деформаций, перемещений и потенциалов поля; в случае бесконечной односвязной плиты пьезоэффект наблюдается всегда и оказывает существенное влияние на значения изгибающих моментов. В случае плиты с эллиптическим отверстием изучено влияние физико-механических свойств материала и геометрических характеристик отверстия на значения изгибающих моментов.

На установке для исследования трения, на которой осуществляется возвратно-поступательное движение со скоростью 0,1 м/с образца из высокоуглеродистой хромованадиевой стали относительно таблеток из твердых сплавов МС221, ВК3М и ВК6ОМ выполнены исследования износостойкости стали марок ДИ37-ВИ и ЭК80-ВИ при длине базового пути трения 50 км и средних температурах образцов 100, 140, 190 \gr. Изучено влияние средней температуры образцов на износостойкость стали марок ДИ37-ВИ и ЭК80-ВИ.

Приведены результаты экспериментального исследования физических свойств, микроструктуры и фазового состава металлокерамического компакта TiC-NiCr, полученного методом горячего прессования. Показано, что увеличение объемной доли металлического связующего в образцах приводит к уменьшению твердости НRА (с 55 до 25) и микротвердости HV₃₀₀ (с 1000 до 350) материала.

Исследуется влияние лазерной ударной проковки на усталостную долговечность титанового сплава ОТ4-0. Лазерная проковка проводилась с использованием лазера Nd:YAG с модулированной дробностью, работающего с частотой повторения импульсов 10 Гц. В результате анализа влияния различных параметров лазерной обработки на величину и распределение остаточных напряжений по толщине образца установлено, что оптимальный режим лазерной ударной обработки позволяет создавать зону сжимающих остаточных напряжений глубиной до 1 мм с их максимальным значением 600 МПа. Результаты исследования структуры поверхностей разрушения показывают, что механизм усталостного разрушения изменяется, при этом срок эксплуатации образцов как в малоцикловом, так и в многоцикловом режиме усталости после лазерной ударной проковки значительно увеличивается.

Исследуется пластическая неустойчивость сферического сосуда высокого давления из материала, обладающего пластической ортотропией. В рамках теории конечных деформаций и с использованием ортогонального анизотропного критерия Хилла получено уравнение для критической деформации, при которой возникает пластическая неустойчивость. Исследовано влияние скорости деформации и параметра ортотропии на значение критической деформации.

Создана и в лабораторных условиях апробирована методика определения эмпирической зависимости реологических свойств горных пород от напряжений. С использованием результатов испытаний цилиндрических образцов каменной соли и бишофита Нижневолжского месторождения получены кривые деформирования при ступенчатом нагружении, разработана и верифицирована вязкоупругая модель, описывающая изменение деформаций во времени. Показано, что с увеличением напряжения параметры, характеризующие упругость и вязкость исследуемых пород, уменьшаются. Это соответствует последовательному переходу от стадии упругого деформирования к стадиям затухающей, установившейся и прогрессирующей ползучести. Установлено, что ползучесть бишофита проявляется при значениях напряжений более 0,5 МПа, а ползучесть каменной соли - более 5 МПа. По отношению к пределу прочности на одноосное сжатие и максимальным деформациям ползучесть бишофита проявляется при значениях относительной деформации более 0,0013 и при значении относительного напряжения 0,19, для каменной соли эти значения превышают 0,11 и 0,43 соответственно.

С использованием метода конечных элементов получены решения задач о прочности и устойчивости подкрепленных цилиндрических оболочек, выполненных из композиционного материала, с учетом моментности и нелинейности их докритического напряженно-деформированного состояния. Исследована устойчивость подкрепленного отсека фюзеляжа самолета, выполненного из композиционного материала, при чистом изгибе и нагружении внутренним давлением. Изучено влияние нелинейности деформирования, жесткости стрингеров, толщины оболочки на критические нагрузки, при которых происходит потеря устойчивости оболочки.

Приведены результаты сравнения точного и приближенного аналитических решений с экспериментальными данными о геометрически нелинейном изгибе тонкой упругой консоли под действием поперечной сосредоточенной нагрузки на ее свободном конце.