Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

11

УДК 534-16

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ДВУХЧАСТОТНЫХ НАГРУЗОК

А.С. Янкин, П.С. Бажуков, А.В. Биккулова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

yas.cem@yandex.ru, 9641979675cem@gmail.com, cem.bikkulova@gmail.com

Разработаны и апробированы методики проведения динамического опыта и определения вязкоупругих параметров высоконаполненных полимеров при двухчастотных воздействиях с помощью преобразований Фурье. Проведена серия экспериментов. Выявлены зависимости вязкоупругих параметров от различных условий нагружения. Разработана многофакторная математическая модель для описания поведения в условиях одно- и двухчастотных нагрузок. Для идентификации коэффициентов разработанной модели предложен экспериментальный план.

Ключевые слова: двухчастотные нагрузки, высоконаполненные низкомодульные полимерные композиты (эластомеры), вязкоупругие параметры.

Работа направлена на совершенствование методик расчета динамического напряженно-деформированного состояния вязкоупругих конструкций в условиях действия сложных гармонических нагрузок. Для описания вязкоупругого поведения материалов использовался интегральный ряд Вольтерры [1].

В рамках исследования разработаны методики проведения экспериментальных исследований и определения вязкоупругих параметров (в комплексном виде) высоконаполненных полимеров при двухчастотных нагрузках [2, 3], проведены экспериментальные исследования, цель которых – выявить зависимости вязкоупругих параметров от различных условий нагружения, проверена возможность использования температурно-временной аналогии, разработана многофакторная математическая модель описания поведения материала при таких нагрузках, а также предложен экспериментальный план для определения коэффициентов модели.

12

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант

16-31-00230 мол_а).

Список литературы

1.Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. – М.: Наука, 1977. – 384 с.

2.Методические вопросы экспериментальных исследований вязкоупругих наполненных полимерных композитов при сложных динамических циклических воздействиях / А.С. Янкин, С.В. Словиков, Р.В. Бульбович, В.Э. Вильдеман // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического уни-

верситета. Механика. – 2013. – № 4. – С. 180–192.

3.Вязкоупругие характеристики высоконаполненных по-

лимерных композитов при двухчастотных воздействиях / А.С. Янкин, С.В. Словиков, Р.В. Бульбович, В.Э. Вильдеман, В.В. Павлоградский // Механика композитных материалов. – 2016. – Т. 52, № 1. – С. 115–128.

УДК 534-16

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОПИСАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГОГО МАТЕРИАЛА ЛИНЕЙНОЙ И НЕЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛЯМИ ПРИ СЛОЖНЫХ

ГАРМОНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ А.С. Янкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

yas.cem@yandex.ru

Представлены линейная и нелинейная математические модели для описания механического поведения вязкоупругих материалов. Проведены одночастотные и двухчастотные экспериментальные исследования высоконаполненного полимерного композита. Результаты испытаний обработаны с помощью разработанной методики. Определены вязкоупругие параметры материала. Проведено сопоставление линейной и нелинейной моделей по результатам гармонического анализа выходных

13

сигналов и последующее определение коэффициентов гармонических искажений.

Ключевые слова: динамический (комплексный) модуль, угол потерь, динамический механический анализ (свойства), двухчастотные нагрузки, высоконаполненные низкомодульные полимерные композиты (эластомеры), интегральный ряд Вольтерры.

Самой общей формой записи физически нелинейных операто- роввязкоупругойсредыявляетсяинтегральныйрядВольтерры[1–3]

где Е(t) – функция релаксации (ядро релаксации). При действии двухчастотных нагрузок вида

(t) a1 sin 2 1t a 2 sin(2 2t g )

для первых трех членов ряда (1) поведение материала может быть описано выражением в форме

t a1E1/1* ( 1 ;T)sin(2 1t E1/1)

2a1E2/1* ( 1 ;T)sin(2 2 1t E2/1 0,5 )

3a1E3/1* ( 1 ;T)sin(2 3 1t E3/1 )

a1 a2 E2/3* ( 1 ; 2 ;T)sin(2 1t)sin(2 2t E2/3 )

В случае линейного поведения (ограничиваемся только первым членом интегрального ряда Вольтеррры) поведение материала описывается функцией в виде

14

Проведены разнообразные одночастотные и двухчастотные экспериментальные исследования. По результатам испытаний выполнено сравнение выражений (2) и (3) с помощью коэффициентов гармонических искажений.

Финансирование проекта осуществлено в рамках выполнения базовой части госзадания № 3964 2014/152.

Список литературы

1.Lakes R. Viscoelastic materials. – Cambridge University Press, 2009. – 461 p.

2.Brinson H.F., Brinson L.C. Polymer engineering science and viscoelasticity. – Springer Science + Business Media, 2008. – 446 p.

3.Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твер-

дых тел. – М.: Наука, 1977. – 384 с.

УДК 621.453

ОТРАБОТКА РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СИНТЕЗА НАНООКСИДА АЛЮМИНИЯ

Е.С. Земерев, В.И. Малинин, А.А. Обросов, А.В. Шатров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

zemerev.ewgen@yandex.ru

Ключевым параметром работы установки синтеза нанооксида алюминия является значение расхода исходного порошка металла. Данная работа посвящена описанию отработки расходных характеристик порошка алюминия. Показана схема и описано проведение автономных и огневых стендовых испытаний, а также представлены их результаты. По итогам сделан вывод об

15

удовлетворительных результатах в части повторяемости, стабильности и сходимости с требуемым значением расхода.

Ключевые слова: система подачи порошковых материалов, установка синтеза нанооксида алюминия.

Для получения нанопорошка оксида алюминия в установке синтеза [1] требуется устойчивая подача исходного порошка алюминия в камеру сгорания (КС) с заданным расходом. Для осуществления отработки требуемого расхода порошка алюминия необходимо провести автономные испытания системы подачи установки синтеза нанооксида алюминия. Для данной цели была разработана схема системы подачи, представленная на рис. 1, на которой осуществлялась отработка заданных расходов порошка алюминия.

Рис. 1. Схема системы подачи для отработки расходных характеристик: 1 – отсечной электромагнитный клапан; 2 – датчик давления; 3 – бак системы подачи; 4 – газопроницаемый поршень; 5 – уплотненный порошок; 6 – выпускное отверстие; 7 – отсечное устройство;

8 – привод отсечного устройства; 9 – приемная емкость

16

Процесс отработки расхода осуществлялся следующим образом. В начальный момент времени открывался клапан 1 и начинался процесс наддува порошка 5 через газопроницаемый поршень и его распределительную решетку. Таким образом осуществлялся процесс газонасыщения предварительно уплотненного в баке 3 порошка (порошкового элемента) [2]. Давление наддува контролируется датчиком давления 2. Далее через 60 с подавался сигнал логического контроллера на привод отсечного устройства 8 и открывалось отсечное устройство 7. После этого за счет объемных сил предварительно закачанного сжатого газа (в данном случае аргона) происходит истечение порошковогазовой смеси из выпускного отверстия 6 [3]. В течение известного промежутка времени происходило истечение порошка из системы подачи, после сигнал контроллера подавал соответствующий сигнал на отсечное устройство 7 и тем самым закрывал отсечной клапан 1.

В результате данных действий в герметичную приемную емкость 9 собирался порошок из бака системы подачи. Определив массу выпущенного порошка и зная общее время истечения, находили секундный массовый расход порошка. Результаты отработки представлены в таблице.

Результаты отработки расходов порошка системы подачи

При данных испытаниях расходов порошка можно сделать вывод об удовлетворительных результатах в связи с хорошей сходимостью с заданным значением (0,1 кг/с), стабильностью и повторяемостью экспериментальных значений.

17

Список литературы

1.Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Воспламенение и горение аэровзвеси алюминия в реакторе высокотемпературного синтеза порошкообразного оксида алюминия // Физика горения и взрыва. – 2002. – Т. 38, № 5. – С. 41–51.

2.Обросов А.А., Земерев Е.С., Малинин В.И. Динамика газонасыщения порошка алюминия в системе подачи установки синтеза // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2013. – № 3 (59). – С. 25–28.

3.Обросов А.А., Земерев Е.С., Малинин В.И. Фильтрация и истечение порошково-газовой смеси из струйной форсунки установки синтеза нанооксида алюминия // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университетта. Аэрокосмическая техника. – 2013. – № 35. – С. 115–124.

УДК 620.17:539.3:539.55

ПРОЧНОСТНЫЕ И ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЛИМЕРОВ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

С.В. Словиков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

sslovikov@ya.ru

Изучено влияние отрицательных температур и гармонических воздействий на прочностные и диссипативные свойства пяти типов полимерных материалов, выполненных на основе диизоцианатов с различными наполнителями. Определены механические параметры полимеров для условий функционирования конструкции, выполненной на их основе. Осуществлен сравнительный анализ и выборматериаладляпроектированияконструкции.

Ключевые слова: полимер, диизоцианат, гармоническое воздействие, отрицательная температура, вязкостной модуль.

При проведении научно-исследовательской работы по изучению влияния отрицательных температур и гармонических колебаний были исследованы несколько типов полимеров, обла-

19

дающих ярко выраженными диссипативными свойствами. Использование данных материалов предполагается в конструкциях, где возникают гармонические нагрузки, при этом конструкция должна обладать необходимым запасом прочности для выполнения своего функционального назначения.

Механические характеристики полимеров обычно существенно зависят от частоты и амплитуды нагружения [1–7]. Свойства исследуемых типов полимерных материалов таковы, что с ростом температуры возрастают их прочностные свойства, но значительно снижаются деформационные.

При расчете конструкции необходимо знать характеристики материала, соответствующие условиям эксплуатации. Так, для рассматриваемой области применения материала основная частота воздействия предполагается в районе 1 Гц, при этом температура эксплуатации отрицательная.

Рис. Зависимость предела прочности σв (а) и коэффициента вязкости k (б) от температуры

Механических характеристик, определяемых по стандартным методикам испытаний, недостаточно, и необходимо использовать различные нестандартные типы испытаний [8–10]. Исходя из условий применения скорость деформирования при определении прочностных свойств материала должна составлять 1/с, а для определения диссипативных свойств материала необходимо создавать гармоническое воздействие частотой 1 Гц.

В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований были получены температурные зависимости, пред-

20