МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева проведены экспериментальные исследования металлизации монокристаллического кремния при ударном нагружении и последующей разгрузке. При увеличении нормальной компоненты механического напряжения P электропроводность кремния s монотонно увеличивается на пять порядков, достигая электропроводности "плохих" металлов (рис. 2.20). Параметры металлического состояния не зависят от типа проводимости и уровня примесности исходного полупроводника. Найден порог металлизации и изучена природа металлического состояния кремния, которое оказалось сильно неравновесным, высокодефектным и метастабильным. Полученные результаты позволяют устранить существовавшее до сих пор противоречие между данными по статическому и динамическому сжатию, а также являются первыми сведениями относительно дефектности хрупких твердых тел в ударной волне.

В том же Институте построена стохастическая модель инициирования пробоя жидких диэлектриков. Показано, что вероятность зарождения пробоя на поверхности электродов определяется безразмерным аналогом статистического времени запаздывания пробоя, который может быть назван интегралом действия электрического поля. Предложено объяснение эффекта увеличения электрической прочности жидких диэлектриков в малых зазорах для полусферических электродов. Впервые при моделировании процесса стохастического развития ветвистых стримерных структур получены картины газодинамических течений с ударными волнами (рис. 2.21).

Экспериментально обнаружен эффект резкого увеличения диаметра незакрученной струи, похожий на гидравлический прыжок или "распад" вихря, при ее истечении в закрученный поток вдоль оси вихревой камеры (рис. 2.22). В рамках длинноволнового приближения построены аналитические модели, описывающие движение идеальной жидкости в незакрученной осевой струе, а также гидравлический прыжок на такой струе при условии, что она находится внутри закрученного потока идеальной жидкости, распространяющегося по трубе переменного радиуса. Для обеих моделей доказано существование решений и исследованы их свойства. Полученные результаты существенно продвигают понимание процесса истечения струй во вращающихся потоках, гидродинамики вихревых камер и могут быть использованы для вихревой теплоизоляции.

Построено ответвление теории пограничного слоя для описания движения несжимаемой жидкости вблизи точек трехфазного контакта, а также вблизи угловых точек твердой границы. При движении жидкости в угловом секторе в случае больших чисел Рейнольдса выделена асимптотическая форма уравнений Навье–Стокса, являющаяся аналогом системы Прандтля. Показано, что полученные уравнения заменой переменных сводятся к классическому уравнению Мизеса. Поставлены граничные задачи для перехода пограничного слоя Марангони в слой Прандтля, для обратного перехода и для задачи прохождения слоя Прандтля через угловую точку (рис. 2.23, а–в соответственно).

Одним из способов управления потоком, обтекающим затупленное тело, является выдув встречной плазменной струи, которая трансформирует поток и тем самым позволяет существенно влиять на суммарные аэродинамические характеристики тела. В Институте теоретической и прикладной механики экспериментально показано, что с помощью задания определяющих параметров выдуваемой навстречу сверхзуковому потоку плазменной струи можно управлять режимами проникания струи в поток. На рис. 2.24 показаны два режима обтекания тел: с коротким и длинным прониканием струи в набегающий поток. Численное моделирование процесса (рис. 2.24, б) позволило детально исследовать режимы, которые наблюдались экспериментально (рис. 2.24, а), и выяснить, что наиболее выгодной с точки зрения снижения волнового сопротивления тел является область перехода от режима с коротким прониканием струи в поток на режим с длинным прониканием струи.

В том же Институте предложен метод построения поверхностей для приближенного параметрического описания трехмерных областей по заданному набору точек (рис. 2.25), расположенных на их границах. Метод основан на двухмерной полиномиальной аппроксимации со специальным выбором границ сопряжения порций составной поверхности и позволяет избавиться от осцилляций без понижения порядка аппроксимирующих полиномов. Показано, что аппроксимирующий полином по любой из переменных обладает гарантированными свойствами гладкости и монотонности. Алгоритм, реализующий описанный метод, может быть использован для аппроксимации и сглаживания экспериментальных данных, при решении уравнений в частных производных конечно-разностными методами, при решении вариационных задач с управлением свободными границами. Методология развита также для оптимизации крыльевых профилей в трансзвуковом потоке идеального газа.

На основе гипотезы равнонапряженных структур армирования создана теория, позволяющая рассчитывать строго безмоментные оболочки, конструкции типа дисков газотурбинных двигателей и железобетонных стеновых панелей, что позволяет в некоторых случаях экономить до 40 % несущей арматуры (керамика, сталь и др.). Так, вместо традиционной (прямоугольной) укладки арматуры в стеновых панелях предлагается использовать оптимальную схему армирования (рис. 2.26).

В Институте физико-технических проблем Севера с целью определения предельных возможностей композиционных конструкций по достижению заданного комплекса свойств на основе выявления функциональных зависимостей, характеризующих взаимосвязь параметров в оптимальных структурах, создан метод выделения подмножеств допустимых вариантов этих структур. В частности, решена задача оптимального проектирования сферической оболочки из пяти вязкоупругих материалов, обладающей минимальной частотой собственных колебаний и массой, в 3,5 раза меньшей массы оболочки из самого тяжелого материала из данного набора (рис. 2.27).

В том же Институте результаты испытаний на износостойкость алмазометаллических композитов показали, что термическая обработка является эффективным средством повышения алмазоудержания и износостойкости алмазосодержащего материала. Обработка приводит к смене доминирующего механизма удаления алмазных частиц из матрицы от вырыва отдельных зёрен (светлый участок на рис. 2.28, слева) к механизму их удаления последовательными отколами (центральный участок на рис. 2.28, справа).

В Институте физики прочности и материаловедения развиты новые концептуальные представления об определяющей роли поверхности в зарождении всех видов деформационных дефектов и стадийности кривой напряжение – деформация. Показано, что захват испытательной машины (или место приложения любой внешней нагрузки к твердому телу) является базовым концентратором напряжений, который генерирует первичные потоки деформационных дефектов вдоль поверхностного слоя образца, имеющего ослабленные силы связи и специфическую дефектную структуру. Распространение потоков поверхностных дефектов сопровождается гофрированием поверхности с широким спектром волн гофрирования от субмикронного до миллиметрового диапазонов (рис. 2.29). Связанные с гофрированием поверхности концентраторы напряжений генерируют деформационные дефекты (точечные дефекты, дислокации, дисклинации, мезополосы сдвига), которые уходят в глубь образца, обусловливая развитие пластического течения в объеме материала. Процесс развивается стадийно и определяет стадии кривой напряжение – деформация.

В результате теоретических и экспериментальных исследований было обнаружено и изучено новое фундаментальное явление – квазипериодический характер развития несовместной пластической деформации на границе раздела двух деформируемых сред. Происходящий при этом вихревой массоперенос может как обеспечивать эффективное соединение двух сред на границе их раздела, так и вызывать появление несплошностей, пор и микротрещин на границе раздела в местах эстафетно возникающих мезоконцентраторов напряжений (рис. 2.30).

Развитие этих процессов определяет качество гетерогенных материалов и покрытий при их получении, а также ресурс работы при их нагружении.

В Институте неметаллических материалов экспериментальными исследованиями в отвержденных реактопластах выявлен эффект локализации деформаций при низких температурах. Эффект проявляется в результате изменения механизма деформирования при понижении температуры, которое происходит вследствие последовательного снижения подвижности элементов поперечных связей в структурных образованиях в матрице композита. Наиболее информативными являются результаты испытаний на изгиб образцов из слоистого стеклопластика в широком интервале температур. Эффект здесь проявляется в виде низкотемпературного перехода от нормального разрушения к механизму расслоения (рис. 2.31) материала композита.

В Конструкторско-технологическом институте гидроимпульсной техники на агрегате резки АРПМ проведены исследования по резке имитаторов тепловыделяющих сборок ВВЭР-1000, выполненных из штатных материалов. Показано, что гранулометрический состав продуктов резки удовлетворяет требованиям технического задания. Получены исходные данные для разработки агрегата резки нового поколения АР-1000 (рис. 2.32). Определены величины сил, развиваемые рабочими органами и габариты спрессованной сборки.

В Институте динамики систем и теории управления разработаны математические методы и программные средства для исследования робастной устойчивости и нелинейной динамики, автоматизированной имитации наземных испытаний и полетной поддержки цифровой отказоустойчивой системы управления движением (СУД), разгонного блока выведения ИКАР, ракеты-носителя СОЮЗ (рис. 2.33), созданного и практически использованного в 1999 г. в шести успешных запусках суммарно 24 спутников связи GLOBALSTAR на заданные орбиты.

Рис. 2.33. Информационный лист программного имитатора.