ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Учреждения Российской академии наук Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН за 2009 год


а) по комплексной программе "Механика жидкостей и газов"


1. Разработан новый интерференционный метод регистрации/визуализации полей давления. Дано теоретическое обоснование и разработана схема реализации метода. Датчиком служит слой прозрачного упругого вещества, нанесенного на поверхность модели и меняющего свои свойства под действием исследуемого параметра. В свете, отраженном от двух поверхностей слоя, регистрируются интерферограммы, сдвиг полос на которых зависит от величины давления.

Аннотация

Показано, что чувствительность метода (достигнутая) может составлять до 1 см вод. ст. на одну интерференционную полосу, что при использовании современных методов обработки интерферометрических данных позволяет регистрировать (визуализировать) поля давлений, характеризующиеся величинами 0.1 мм вод. ст. Быстродействие таких покрытий (время отклика), в зависимости от используемого материала, может составлять несколько микросекунд. Это дает возможность регистрировать быстропротекающие процессы, что с успехом было использовано для визуализации поля давления за ударной волной на стенке ударной трубы.

Перечисленные характеристики метода позволяют в динамике изучать до- и сверхзвуковые процессы обтекания тел. На рисунке приведены примеры регистрации полей давления, создаваемых дозвуковыми цилиндрическими струями, набегающими на плоскую поверхность под разными углами.

Визуализация в муаровых полосах полей давления от струи набегающей на поверхность:
  1. = 45o, поле давления (сверху) распределение величин (снизу);
  2. = 25o, обработанный срез трубки (сверху) и необработанный – "слом" (снизу);
  3. = 90o, эволюция полей давления от ортогональной струи при увеличении ее скорости.

Ответственный исполнитель: с.н.с., к.ф.-м.н. ПавловА.А., (тел. (8-383) 330-78-55, e-mail: pavalex@itam.nsc.ru).


2. Для обеспечения высоких параметров моделирования потоков в наземных аэродинамических установках, необходимых при создании перспективных высокоскоростных летательных аппаратов, в ИТПМ О РАН ведутся работы по созданию новой гиперзвуковой аэродинамической трубы АТ-304, которая по уровню реализуемых параметров (чисел Рейнольдса) будет превышать существующий мировой уровень в гиперзвуковом диапазоне скоростей.

Аннотация

Подготовлены техническое задание, эскизный и рабочий проекты для источника рабочего газа новой установки (см. схему). По рабочим чертежам выполняется изготовление деталей и сборка узлов новой установки. Подготовлен проект системы управления источником рабочего газа. Составлен перечень составляющих систему элементов.

Новый источник обеспечит продолжительность испытаний в АТ-304 не менее 0,1сек. за счет увеличения объема форкамеры при одновременном уменьшении конструкторских и технологических проблем, связанных с изготовлением и эксплуатацией установки.

Новая аэродинамическая установка будет обеспечена современным измерительным оборудованием и методиками моделирования исследуемых процессов. Стоимость испытаний в АТ-304 будет на два-три порядка ниже по сравнению с летным экспериментом, а точность измерений на порядок выше.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, чл.-корр. Шиплюк А.Н., (тел. (8-383) 354-30-42, e-mail: shiplyuk@itam.nsc.ru ).


3. При исследовании обтекания крылатой модели космического аппарата "Клипер" при спуске с орбиты на высотах от 150 до 40 км получены зависимости аэродинамических характеристик от высоты полёта. Методом прямого статистического моделирования Монте-Карло были обнаружены зоны экстремального нагрева на крыльях, показано, что их положение обусловлено падением головной ударной волны на крыло и зависит от скорости и высоты полёта.

Аннотация

Расчёты интегральных аэродинамических характеристик выполнялись с помощью локально-мостового инженерного метода. Детальное распределение поверхностных характеристик (коэффициента трения, давления, теплопередачи и др.) и поля течения для некоторых точек траектории были получены методом прямого статистического моделирования Монте-Карло.

На первом рисунке в качестве примера приведено поле давления на высоте 95 км. Хорошо видно, что на крыло падает ударная волна, и давление в точке падения резко возрастает.

На втором рисунке приведено поле числа Маха и поверхностное распределение коэффициента теплопередачи. Четко видно, что в точке падения головной ударной волны на поверхности образуется локальный максимум значения коэффициента теплопередачи.

                                 
Поле давления Поле локального числа Маха и распределение
коэффициента теплопередачи

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Иванов М.С., (тел. (8-383) 330-81-63, e-mail: ivanov@itam.nsc.ru ).



б) по комплексной программе "Машиностроение"


1. На основе комплексных исследований плазменно-дуговых процессов получены новые данные по эрозии электродов плазмотронов для широкого спектра материалов в окислительной, восстановительной и нейтральной газовых средах. Исследованы электроды из материалов: бронза, латунь, дисперсионно упрочненная медь, сплавы меди и серебра и созданы новые конструкции плазмотронов с высоким ресурсом работы. Разработаны серии технологических плавильных плазмотронов с цилиндрическим внутренним электродом, работающих как с выносной дугой, так и в струйном режиме с ресурсом работы более 1000 часов в среде воздуха.

Аннотация

На рис. 1 представлен технологический плазмотрон мощностью до 1 МВт при токе дуги до 3000 А, работающий на гелии с ресурсом верхнего цилиндрического электрода не мене 150 часов. Плазмотрон предназначен для промышленной рафинировочной плавки титана и внедрен на предприятии ВСМПО АВИСМА, г. Верхняя Салда, Россия.

На рис. 2 представлено фото нового плазмотрона из серии плавильных воздушных плазмотронов в диапазоне мощностей 150 -1000 кВт, с рабочим током дуги до 1000 А, и ресурсом верхнего цилиндрического электрода не мене 1000 часов. Разработанная промышленная серия плазмотронов в настоящее время используется в технологиях переработки отходов, содержащих металлы и пластик, при извлечении платины из блоков катализаторов очистки автомобильных газов; а также в переработке асбестосодержащих, бытовых и медицинских отходов в Южной Корее, г.г. Инчхон, Кьёренг, Йосу, Тэджон.



Рис.1. Плазмотрон для промышленной плавки титана, мощность до 1 МВт, габариты: диаметр 230 мм, длина 2.2 м.



Рис. 2. Плазмотрон из серии плавильных мощностью от 150 до 1000 кВт для ряда промышленных технологий, плазмообразующий газ – воздух, ресурс работы электродов не менее 1000 часов, габариты: диаметр 160 -220 мм, длина 0.7 – 1.5 м.


Ответственный исполнитель: с.н.с., к.т.н. Лукашов В.П., (тел. (8-383) 330-23-44, e-mail: lukashov@itam.nsc.ru ).


2. При исследовании процессов в жидкой ванне при лазерной сварке в ультразвуковом поле выявлено влияние ультразвука на повышение пластических свойств соединений. В результате воздействия ультразвука предел текучести, временное сопротивление разрушению практически не изменились, но пластичность возросла более, чем на 20%. Показано, что высокочастотными колебаниями можно эффективно воздействовать на размер и динамику колебаний пузырьков в жидкой ванне, вызывая их ускоренное всплывание (рафинирование расплава), либо кавитацию, что может способствовать уменьшению пористости, увеличению скорости зарождения кристаллов и повышению дисперсности металла шва.


Аннотация

На фото показана микроструктура сварного шва в алюминиевом сплаве 01420, подвергнутом ультразвуковой обработке (УЗО) и без применения УЗО. В первом случае пористость составляла 1,41, во втором - 2,41, при этом УЗО снизила и размер самих пор.

                                 
a) б)
Влияние ультразвука на пористость сварного шва алюминиевого сплава;
а) - с применением ультразвука, б) - без применения.

Ответственный исполнитель: зав. лабораторией, д.ф.-м.н. Черепанов А.Н., (тел. (8-383) 330-38-04, e-mail: ancher@itam.nsc.ru ).



в) по комплексной программе "Механика деформируемого твердого тела"


1. Выполнен цикл исследований по разработке структурной теории гибридных слоистых и однонаправлено армированных композитных сред в рамках несимметричной теории термоупругости (среды Коссера), находящей все более широкое теоретическое применение при изучении нанообъектов.

Аннотация

В рамках несимметричной теории упругости построена модель слоистого и волокнистого гибридного композитов, все фазы которого являются изотропными материалами (рис. 1). Определены эффективные термоупругие характеристики композиции. Показано, что на основе полученных уравнений можно определить напряженно-деформированные состояния во всех фазах композиции, используя известные осредненные компоненты тензоров напряжений, моментных напряжений, деформаций и изгиба-кручения в волокнистом материале, что имеет принципиальное значение при расчетах композитных конструкций с использованием структурных теорий прочности. Кроме того, построены еще две модели гибридного однонаправленно армированного композита на основе статического и кинематического методов с применением энергетических критериев эквивалентности, дающие оценку величин упругих характеристик композиции снизу и сверху.


Рис. 1. Представительный элемент однонаправлено
армированного композита


На основе полученных структурных формул предложенных моделей волокнистой среды можно определить все термоупругие эффективные характеристики композиции в рамках моментной теории упругости, которые в предельном случае редуцируются в известные структурные формулы теории армированных сред, полученные в рамках симметричной теории упругости и хорошо согласующиеся с экспериментом (в пределах 9 %-й точности).

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Немировский Ю.В., (тел. (8-383) 330-42-73, e-mail: nemirov@itam.nsc.ru ).


2.Для процессов обогащения гелия из природного газа впервые на основе модифицированных ценосфер получены микроструктурированные сферические мембраны с планарно-ориентированными кристаллитами муллита, обеспечивающими развитие межфазных границ. Исследованы диффузионные свойства исходных и модифицированных ценосфер в отношении гелия на лабораторной установке, а также не модифицированных стеклянных микросфер. Развитие межфазных границ за счет образования планарно-ориентированных кристаллитов муллита приводит к увеличению проницаемости гелия у оболочки ценосфер при Т=23 oС в 14 раз (ИТПМ СО РАН, ИХХТ СО РАН).

Аннотация

Исследование процессов диффузии гелия в ценосферы (рис. 1) и стеклянные микросферы производили на вакуумной установке. Проведенные исследования динамики процессов сорбции и десорбции гелия полыми стеклянными микросферами продемонстрировали, что микросферы являются проницаемыми для гелия. Показано, что скорость протекания процесса сорбции гелия, в основном, определяется перепадом парциальных давлений гелия внутри микросфер и окружающей среды, при постоянстве других параметров (температуры, размера микросфер и т.д.).

Показана автомодельность экспериментальных кривых сорбции (рис. 2). Показано, что степенной закон закон фильтрации гелия сквозь стенки ценосфер, имеет наилучшее совпадение с результатом эксперимента в случае показателя степени больше 1.

                                 
Рис. 1. Оптический (1) и РЭМ-снимки внешней (2, 4) и внутренней (3) поверхностей модифицированных ценосфер серии М -0,063+0,05 Рис. 2. Зависимость падения давления вне микросфер от времени эксперимента в безразмерных переменных для различных начальных давлений гелия

Ответственные исполнители:

  • академик Фомин В.М. (ИТПМ СО РАН), (тел. (8-383) 330-85-34, e-mail: fomin@itam.nsc.ru );
  • д.х.н. Аншиц А.Г. (ИХХТ СО РАН), (тел. (8-391-2) 43-94-31, e-mail: anshits@icct.ru ).


3.Выполнен цикл исследований по разработке методов решения задачи диагностики применительно к известным программам испытаний образцов и изделий из твердофазных гетерогенных и композитных материалов.

Аннотация

Для решения нелинейных задач идентификации структур армирования композитных тонкостенных конструкций на базе общей теории диагностики, разработанной в рамках проекта, был применен итерационный процесс Ньютона, приводящий после дискретизации задачи к плохо обусловленным системам линейных алгебраических уравнений, для решения которых потребовалось применять регуляризующие процедуры. Используя метод регуляризации по Тихонову, удалось получить решения обратных некорректных задач диагностики структур армирования с приемлемой для практики точностью. На базе результатов псевдореальных экспериментов об установившихся гармонических колебаниях тонкостенных композитных конструкций были проведены исследования по выявлению случаев неединственности реконструкции структур армирования, порожденных нелинейностью и некорректностью рассматриваемой задачи диагностики.

                                 
Рис. 1. Цилиндрическая армированная оболочка в условиях установившихся крутильных колебаний Рис. 2. Цилиндрическая армированная оболочка в условиях установившихся продольных колебаний

Анализ особенностей уравнений рассматриваемой задачи диагностики показал, что, например, при идентификации структур армирования на базе экспериментов о крутильных колебаниях цилиндрической композитной оболочки (рис. 1) можно получить два принципиально разных решения реконструкции. Истинную же структуру армирования при этом можно восстановить лишь после проведения дополнительного эксперимента при принципиально другом виде нагружения конструкции, например, по результатам эксперимента о продольных установившихся колебаниях оболочки (рис. 2).

Таким образом, проведенный анализ результатов расчетов позволяет заключить, что чем больше проводится экспериментов при независимых системах нагрузок, тем точнее можно реконструировать структуры армирования композитных конструкций, преодолевая тем самым негативные ситуации, возникающие при проявлении возможной неединственности решения проблемы идентификации.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Немировский Ю.В., (тел. (8-383) 330-42-73, e-mail: nemirov@itam.nsc.ru ).