МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ

В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева проведены исследования областей существования низкоскоростных режимов газовой детонации в гладких каналах. В экспериментах установлено, что пределы взрывного превращения для ряда практически важных топливно-кислородных смесей значительно ниже, чем считалось ранее (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Области существования различных типов детонационных волн и пламени в ацетилено-кислородных смесях в капилляре (диаметр 1 мм).
1 - многофронтовая детонация (4 - нижняя граница многофронтовой детонации - спиновая детонация, 2 - галопирующая детонация, 3 - низкоскоростная детонация, 5 - нижнее предельное давление для распространения пламен, 6 - результаты расчета предельного давления для распространения фронта химического превращения по приближенной модели низкоскоростной детонации. Р₀ - начальное давление.

Давление на пределе распространения за счет недавно обнаруженных низкоскоростных режимов детонации (скорость ~ 1 км/с) снижается в ацетиленокислородных и пропанокислородных смесях примерно в 10 раз. При этом критические числа Пекле достигают ~ 10, что на порядок ниже известных ранее величин для распространения фронта химического превращения в гладких каналах. Нижнюю границу взрывного превращения правильно предсказывает предложенная модель структуры низкоскоростной детонации. Тем самым совокупность экспериментальных и теоретических исследований приводит к необходимости пересмотра существовавших ранее представлений о пределах распространения фронта взрывного превращения в гладких каналах. В прикладном плане исследование напрямую связано с вопросами взрывобезопасности.

В том же институте при исследовании полос пропускания и запирания, аномальных, резонансных и шепчущих свойств однородных и неоднородных периодических структур обнаружено, что любые нетривиальные одномерно-периодические поверхности и цепочки препятствий обладают волноводным свойством для акустических волн, т.е. являются открытыми волноводами. Доказано, что всегда существует полоса пропускания в области низких частот — шепчущее свойство, обнаружены и исследованы аномальные (синфазные в каждой фундаментальной области группы трансляций) колебания около одномерно-периодических структур, имеющих точки симметрии типа группы диэдра. Проведена классификация полос пропускания, волноводных и аномальных мод при помощи дискретных групп симметрий. Исследованы параметры одномерно-периодических структур, для которых получены дисперсионные соотношения для волноводных мод, определены полосы пропускания и полосы запирания. Обнаружены и исследованы пучки частот собственных колебаний около циклических препятствий. Исследована зависимость полос пропускания от геометрических параметров (рис. 2.20, а). Изучен вид синфазных колебаний (рис. 2.20, б), исследованы волноводные свойства двойных цепочек препятствий.

Рис. 2.20. Типичная зависимость полос пропускания (заштрихованы) и аномальных частот от параметра L для первых α, β волноводных и γ, δ аномальных мод (а) и поле скоростей, линии уровня и поле давления между пластинами, параллельными оси абсцисс (б): для γ₁ (1) и δ₁ (2) мод аномальных колебаний.

Показано, что если расстояние между цепочками больше минимального пространственного периода структуры, то их взаимным влиянием на частоты волноводных и аномальных колебаний можно пренебречь. Если одинаковые цепочки сближаются из бесконечности, то частоты волноводных и аномальных колебаний расщепляются.

Рис. 2.21.Вершины трещины и двустороннего разреза в физических и механических моделях (ОXY — декартовы системы координат, σ_∞ — заданные напряжения на бесконечности):
а — усиливаемое, b — стандартное, с — замедленное разрушения; O — атомы твердого тела; --- — перенапряженные межатомные связи; • • • — атомарный водород, • • • — фосфорные комплексы, —— — связи с атомами; Δ — нагруженные участки разрезов.

Совместно со специалистами Объединенного института геологии, геофизики и минералогии проведено сравнительное изучение разрушения тел с трещинами (рис. 2.21), когда в трещине отсутствует или присутствует поверхностно-активное вещество (сухой и влажный кварц, чистые металлы в присутствии водорода, сухой хромит с твердофазными добавками и влажный хромит). Рассмотрены химически усиливаемое и замедленное разрушения из-за образования новых силовых связей в вершине трещины. Существенно, что поверхностно-активное вещество адсорбируется поверхностью трещины и вступает с ней в химическую реакцию. При этом оно либо обрывает связи межатомного взаимодействия в кончике трещины, либо образует новые силовые связи. Химически усиливаемое и замедленное разрушения трещиноватых тел оформлены количественно в виде сопоставимых критериев хрупкой прочности.

В Институте теоретической и прикладной механики выявлено частичное или полное разрушение головного скачка уплотнения перед обтекаемым телом под воздействием продольного объемного разряда в сверх- и гиперзвуковых потоках воздуха при числах Маха М = 3—8 (рис. 2.22). Продольный электрический разряд зажигается между обтекаемым осесимметричным телом, головная часть которого (полусфера или тупой цилиндр) является катодом, и расположенным выше по потоку тонкой пластиной-анодом. В гиперзвуковом потоке воздуха такой разряд получен впервые совместно с LEA (Франция). Проведенные исследования пространственно-энергетических характеристик разряда дают неожиданный с классической точки зрения результат: практически все падение напряжения происходит в приэлектродных областях (64% в катодной и 27% в анодной). Разряд существенно перестраивает волновую картину обтекания тела. Интенсивный головной скачок уплотнения либо исчезает, либо существенно перестраивается, вызывая уменьшение давления на поверхность головной части обтекаемого тела в несколько раз, что может позволить эффективно управлять аэродинамическими характеристиками тел при сверх- и гиперзвуковых скоростях.

Закончен цикл работ по созданию и тестированию метода измерения стационарных тепловых потоков с использованием жидкокристаллических термоиндикаторов (рис. 2.23). Разработан пакет программ для цифровой обработки видеоизображений. На этой основе отработана методика визуализации течений газа, которая заключается в регистрации полей температуры на поверхности обтекаемого тела. В итоге, получен новый инструмент аэродинамических исследований, имеющий ряд преимуществ перед традиционными способами экспериментальной диагностики пристенных течений. Являясь бесконтактным методом регистрации, он не вносит искажений в изучаемое явление, обладает высоким разрешением и дает возможность выявить детали течения, недоступные другим экспериментальным средствам. Метод применен для изучения топологии вихревого движения у поверхности крыла конечного удлинения, в результате чего установлены неизвестные ранее особенности его обтекания дозвуковым потоком газа.

В том же институте впервые с помощью метода прямого статистического моделирования (ПСМ) проведены численные исследования стационарного отражения ударных волн с учетом эффектов реального газа. Показано, что эффекты реального газа приводят к существенному увеличению угла перехода от регулярного отражения к маховскому. Кроме того, колебательное возбуждение молекул и химические реакции в газе заметно уменьшают высоту ножки Маха. Как известно, при отражении ударных волн в стационарном потоке газа существуют два типа отражения: регулярное и маховское. Для сильных ударных волн есть область, в которой теоретически возможны оба типа отражения. Нижнюю границу этой области определяет критерий Неймана α_N, а верхнюю — критерий максимального угла поворота потока α_D. Углы перехода, соответствующие этим критериям, могут быть легко вычислены для совершенного газа. Однако в случае реагирующего газа с размером зоны релаксации, сравнимой с характерным размером течения, теоретический анализ затруднен и был создан только для критерия Неймана. Выполненные расчеты для параметров набегающего потока, соответствующих режимам работы импульсной аэродинамической трубы Т-5, показали, что при учете колебательной релаксации газа значение угла перехода α от регулярного к маховскому типу отражения увеличивается на 2^o в диапазоне чисел Маха М=7,5—12,5 (рис. 2.24). Влияние химических реакций становится заметным для Мі 10 и значительно увеличивает значение угла перехода (на 3^o ) при Мі 12,5. Построена приближенная аналитическая модель, основанная на соотношениях для косого скачка уплотнения при различных значениях γ до и после скачка. Такая модель предсказывает с достаточной степенью точности значение угла перехода для газа с колебательной релаксацией.

Рис. 2.24. Влияние колебательной релаксации газа на значение угла перехода от регулярной к маховской конфигурации (штриховая линия — теоретические значения для совершенного газа, сплошная — при учете изменения показателя адиабаты γ через скачок).

В Тюменском филиале Института теоретической и прикладной механики обнаружен эффект увеличения фазовой проницаемости при ударно-волновой обработке насыщенных горных пород. В результате воздействия импульса нагружения в ударной трубе на образец керна с остаточным газосодержанием, через который непрерывно фильтруется жидкость, происходит увеличение, до полутора раз и более, расхода жидкости (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Экспериментальная зависимость от времени расхода воды, фильтрующейся через керн при постоянном перепаде давления в 10 кПа. Штриховыми линиями указаны моменты воздействия импульсов нагружения.

В дальнейшем расход жидкости уменьшается и в течение 10—15 минут возвращается к исходному значению. При многократном воздействии, с указанным выше интервалом, расход нарастает. Для объяснения полученного эффекта был проведен аналогичный эксперимент на прозрачной микромодели. Наблюдения под микроскопом в масштабе пор показали, что действие импульсов нагружения приводит к перераспределению остаточных пузырьков газа, застрявших в пористой структуре, и проталкиванию этих пузырьков через сужение в порах. Это позволяет объяснить увеличение фазовой проницаемости при воздействии импульса нагружения и ее последующее уменьшение по мере скопления следующих пузырьков у сужений пор.

Получен ряд новых результатов в области получения гетерогенных материалов и покрытий. В Институте физики прочности и материаловедения на основе моделей мезомеханики деформируемого тела теоретически и экспериментально исследованы механизмы деформации разрушения поверхностно-упрочненных материалов. Впервые показано, что на внутренней границе раздела упрочненный слой — подложка возникают осциллирующие концентраторы сдвиговых напряжений, приводящие к накоплению локальной пластической деформации в подложке, формированию в объеме материала аккомодационных деформационных доменов и зарождению внутренних микротрещин (рис. 2.26) в упрочненном слое.

Рис. 2.26. Трещина, зародившаяся на границе упрочненный слой-подложка.

Эволюция этого процесса приводит к развитию мезополос локализованной деформации и формированию в пластическом материале подложки фрагментированной мезоструктуры, по границам которой распространяется магистральная трещина при разрушении. Размеры фрагментов, их повороты и смещения как целых определяются совокупностью геометрических и физических параметров упрочненного слоя и матрицы. Накопленная несовместная деформация в пластичной матрице приводит к явлению гофра в приграничной области и растрескиванию упрочненного слоя, причем трещины движутся от внутренней границы к поверхности образца. Изучена кинетика зарождения и развития внутренних мезо- (микро-) трещин для различных материалов подложки и видов их поверхностного упрочнения, а также при разных способах деформирования: растяжение, изгиб, циклическое усталостное разрушение. Выявлена общность физических процессов, развивающихся в приграничных областях, показана ключевая роль поворотов фрагментов мезоструктуры в деформации и разрушении поверхностно-упрочненных материалов. Развиты методы теоретического описания, позволяющие численно смоделировать эти процессы. Выработаны рекомендации по формированию границ раздела, позволяющие увеличить ресурс работы поверхностно-упрочненных материалов.

В том же институте с применением оригинальной методики электронно-микроскопического анализа разориентировок изучены закономерности формирования высокодефектных структурных состояний в зонах мезоконцентраторов напряжений, формирующихся в условиях интенсивной пластической деформации, и фронтодинамических напряжений, генерируемых мощными ионными пучками. В указанных зонах обнаружены новые структурные состояния с высокой плотностью границ с переменными векторами разориентировки (рис. 2.27) и высокими градиентами кривизны кристаллической решетки в объеме зерен.

Рис. 2.27. Схема разориентировок в окрестности границы с высокой плотностью непрерывно распределенных частичных дисклинаций.

Обоснована необходимость моделирования этих состояний как субструктур с высокой плотностью дисклинаций в объеме зерен и плоских скоплений непрерывно распределенных частичных дисклинаций (дислокаций Сомилианы), локализованных в их границах. Сделан вывод, что механизмы зарождения и эволюции частичных дисклинаций в области концентраторов напряжений играют важную роль в процессе переориентации кристаллической решетки в различных условиях активации мезоуровня деформации. Разработаны методы экспериментального электронно-микроскопического определения плотности дефектов дисклинационного типа в объеме и на границах зерен обнаруженных высокодефектных субструктур и анализа на этой основе полей локальных внутренних напряжений в зонах мезоконцентраторов.

В Институте физико-технических проблем Севера впервые получены экспериментальные данные по теплофизическим свойствам политетра-фторэтилена с алмазными включениями (рис. 2.28) различной концентрации в диапазоне температур от 50 до 250 ^o С.

Рис. 2.28. Зависимость удельной теплоемкости (а) и теплопроводности (б) политетрафторэтилена от концентрации алмаза m.

Показано, что при увеличении концентрации алмазов от 0 до 7% происходят структурные изменения матрицы, т.е. доля кристаллической фазы политетрафторэтилена увеличивается, а аморфной — уменьшается.

По проблеме создания низководородистых сварочных материалов, обеспечивающих надежность сварных конструкций для севера, в том же институте найдены методы ускорения диффузии водорода в околошовной зоне сварных соединений. На основе полученных результатов разработана база данных месторождений минерального сырья Якутии для промышленного производства электродов с заданными свойствами.

В Институте неметаллических материалов исследовано влияние механической активации ингредиентов (синтетические алюминатные шпинели, природные алюмосиликаты-цеолиты) на процессы формирования композиционного материала и повышения их структурной активности по отношению к матрице (политетрафторэтилен — ПТФЭ). Установлено, в частности, что активация наполнителей способствует равномерному распределению частиц в матрице и коренной реорганизации надмолекулярной структуры ПТФЭ с образованием мелких сферолитов (рис. 2.29), износостойкость композитов увеличивается в 1,5—2 раза по сравнению с композитами, содержащими неактивированные наполнители.

Рис. 2.29. Надмолекулярная структура наполненного ПТФЭ:
а - 2 мас.%, неактивированный цеолит; б - 2 мас.%, активированный в течение 5 мин цеолит.

В том же институте закончен цикл исследований диффузионных процессов в системе резина—нефтяная среда при низких температурах. Известно, что коэффициент морозостойкости резины (например, резиновых уплотнительных колец на нефтепроводе) в такой среде существенно падает. Предложенная модификация резин предварительно активированными природными цеолитами якутских месторождений позволила повысить морозостойкость (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Коэффициент
морозостойкости по пластическому восстановлению при растяжении на 100 % резины марки В-14 и резины В-14, модифицированной природными цеолитами, после выдержки в течение двух месяцев в нефти при температурах окружающей среды.

По комплексной проблеме "Машиностроение" в Институте теоретической и прикладной механики впервые осуществлено комбинированное упрочнение стальных изделий путем их обработки в мощных импульсных высокочастотных полях с одновременным диффузионным борированием поверхностного слоя детали. Достигнута рекордная глубина борирования до 0,3 мм за времена обработки в несколько секунд. Получены уровень микротвердости в поверхностных слоях стали до 16 Гпа и рост износостойкости в 6—7 раз по сравнению с исходной сталью (ст. 45). Отработаны режимы газодинамического ускорения и нагрева смеси микрочастиц с целью возбуждения реакций химического синтеза алюминидов никеля при их соударении с напыляемой поверхностью. Рентгено-структурный анализ покрытий выявил наличие большого количества фазы алюминида никеля (более 20%), что доказывает возможность нанесения покрытий из многокомпонентных смесей материалов с одновременным синтезом интерметаллидов на поверхности конструкций.

В конструкторско-технологическом институте гидроимпульсной техники в результате комплекса проведенных НИР и ОКР создан модернизированный агрегат резки АРПМ для замены оборудования на заводе РТ-1 ПО "Маяк" в технологической линии регенерации ядерного топлива, отвечающий современным требованиям по конструкции, системе управления и контроля (рис. 2.31). В новой разработке: достигнуто снижение массы агрегата на 15% при сохранении требуемых усилий рабочих органов; осуществлен перевод на стандартное промышленное давление рабочей жидкости — 32 МПа; применена гидроаппаратура встраиваемого типа; разработана система управления с применением компьютерной техники. На АРПМ впервые были выполнены исследования по резке тепловыделяющих сборок самых мощных в России ядерных реакторов ВВЭР-1000 на имитаторах из штатных материалов (нержавеющая сталь, цирконий). Полученные результаты показали, что на основе новой конструкции агрегата резки возможно создание агрегатов по переработке ТВС всех существующих типов реакторов.

Рис. 2.31. Агрегат резки тепловыделяющих сборок ядерных реакторов.

Для задач оптимального управления с неограниченным множеством скоростей в Институте динамики систем и теории управления получены конструктивные методы поиска импульсно-оптимальных управлений высокого порядка. Эти задачи характеризуются, как правило, наличием разрыва траектории и присутствием в составе управления сингулярной составляющей. Классические схемы исследования таких задач становятся неэффективными. Предложенное В.И.Гурманом преобразование исходной задачи к некоторой другой — производной и невырожденной, во многом снимает проблему. Однако для построения производной задачи требуются аналитические выражения первых интегралов некоторой вспомогательной системы дифференциальных уравнений, что удается получить далеко не всегда. Еще сложнее проблема, когда и производная задача вырождена, т.е. имеет те же особенности, что и исходная. Исследования основаны на специальных преобразованиях задач управления с понижением порядка. Полученные результаты позволили сформулировать алгоритм последовательного улучшения для задач с любым порядком вырождения.