ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук за 2015 год

По комплексной программе «Механика деформируемого твердого тела»

Впервые создан метод получения неразъемного соединения современного авиационного материала – алюминиевого сплава 1424 (Al-Mg-Li). Метод основан на комплексном подходе, включающем лазерную сварку в режиме кинжального проплавления, с последующим пластическим деформированием сварного шва. При прочности основного материала 460 МПа и прочности  сварного шва, полученного традиционным методом, около 360 МПа, применение нового комплексного подхода позволило увеличить прочность неразъемного соединения до 440 МПа, то есть увеличить ее на 22% и приблизиться к уровню 0.95 от прочности основного металла. Разработанный метод открывает перспективу создания технологии автоматической лазерной сварки корпусов пассажирских самолетов, что невозможно при использовании традиционных методов сварки.

           На рисунке показан характер разрушения сварного соединения. При традиционной сварке образец разрушается по шву (а), при использовании разработанной технологии образец разрушился вдали от шва по основному металлу (б).

 

1.png   




Макроструктура сварных соединений образцов (x5):

а – Традиционная сварки без предварительной обработки,

б – Новая технология лазерной сварки с  деформированием шва (б–ε= 13 %);

стрелки – границы сварного шва (вид сбоку) после травления в реактиве Келлера

Ответственные исполнители: д.ф.-м.н. Оришич А.М., тел.8(383) 330-55-91,  e-mail: laser@itam.nsc.ru, к.т.н. Маликов А.Г., e-mail: smalik@itam.nsc.ruд.ф.-м.н. Черепанов А.Н. тел.(8-383) 354-30-49, e-mail: ancher@itam.nsc


По комплексной программе «Машиностроение»

Экспериментально установлена возможность повышения механических и эксплуатационных свойств поверхности инструментальной углеродистой стали У8 с помощью лазерной обработки ее поверхности с использованием дисперсной наномодифицирующей  композиции, содержащей в качестве матрицы интерметаллид NiAl с добавкой тугоплавких нанопорошков (TiN, TixСyN, Y2O3, или их смеси). Применение нанодисперсных тугоплавких соединений  в количестве менее 0,1 % по массе, находящихся в интерметаллидной матрице, позволяет увеличить твердость покрытия в 2 – 2,5 раза (рис. а), а износостойкость в 1,4 по сравнению с исходным металлом. Глубина проплавленного слоя составляет ~ 2 мм (рис.б). Новизна решения заключается в применении наноструктурированных композиций, содержащих нанодисперсные тугоплавкие соединения в интерметаллической матрице.

Снимок.JPG

а

2.png

б

Микротвердость по глубине слоя (а) и морфология (б) проплавленного слоя

 

Ответственные исполнители: г.н.с.,  д.ф.-м.н. Черепанов А.Н., тел.(8-383)354-30-49, e-mail: ancher@itam.nscм.н.с., к.ф.-м.-н. Дроздов В.О., e-mail: drozdov@itam.nsc.ruн.с., к.т.н. Маликов А.Г., e-mail: smalik@itam.nsc.ru


По комплексной программе «Механика жидкостей и газов»

1. Численно и экспериментально получены демпфирующие аэродинамические характеристики модели исполнительного варианта перспективного возвращаемого космического аппарата в диапазоне чисел Маха от 1,5 до 7, позволяющие адекватно определять траекторию его полёта.

Показано, что при некоторых числах Маха меньше 4 возбуждаются регулярные автоколебания с амплитудой ΔΘ ≈ 30°, а демпфирующие характеристики зависят от угла атаки и безразмерного момента инерции модели. Следовательно, традиционная форма представления аэродинамических нагрузок (гипотеза гармоничности) для модели возвращаемого аппарата становится некорректной.

 

image2.jpeg

Рисунок. Теневая картина обтекания возвращаемого аппарата при числе Маха М= 4,
угле атаки 27°.

 

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.т.н. Харитонов А.М., тел. 8(383) 330-42-70, е-mail: khar@itam.nsc.ru


2. Разработан способ снижения турбулентного трения обтекаемой аэродинамической поверхности за счет пассивного подвода внешнего напорного потока через высокотехнологичную мелкоперфорированную стенку. При обтекании многих элементов летательных аппаратов, таких как фюзеляж самолета, корпус ракеты, пограничный слой в широком диапазоне чисел Рейнольдса находится в турбулентном состоянии (рис. 1a). Уменьшение составляющей турбулентного трения, которая достигает 50 % в общем балансе сопротивления дозвукового транспортного самолета (рис. 1b), по-прежнему остается главной проблемой. Предложенный способ управления пристенным турбулентным течением путем вдува через мелкоперфорированную стенку (рис. 1 c,d), позволяет добиться 80% снижения сопротивления трения обтекаемой поверхности без использования принудительного подвода воздуха (рис.2).

image3.png
 Рис.1. Условная схема, иллюстрирующая постановку задачи.
  image4.png
Рис.2. Типичное распределение коэффициента поверхностного трения по длине модели при подводе напорного воздуха из внешнего потока (1) в сравнении с данными для исходного течения (2). Пунктирные линии – положения передней и задней кромок микроперфорированной поверхности.

Ответственный исполнитель: г.н.с., д.ф.-м.н. Корнилов В.И., тел. 8(383) 330-39-06, е-mail: kornilov@itam.nsc.ru.


3. Разработан подход к описанию поверхностной рекомбинации, процесса оказывающего определяющее влияние на аэротермодинамику спускаемых космических аппаратов, в рамках метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ).  Подход основан на использовании для построения моделей метода ПСМ детальных макроскопических моделей, в которых поверхностные химические процессы описываются на уровне коэффициентов скоростей различных поверхностных химических процессов (адсорбции, десорбции, различных механизмов рекомбинации). На основе решения обратной задачи находится информация о перечисленных процессах на уровне параметров отдельных молекул (в частности, их скорости).

Построенные таким образом молекулярно-кинетические модели реализованы в программном комплексе SMILE++ и могут быть использованы при исследовании аэротермодинамики перспективных космических аппаратов. В качестве примера на рисунке показаны результаты расчетов обтекания цилиндра для условий, типичных для задач высотной аэротермодинамики  (вход в атмосферу космического аппарата, высота около 85 км). Как демонстрируют профили концентрации молекулярного азота вдоль линии торможения, модель поверхностной рекомбинации существенным образом влияет на состав потока в ударном слое. Расчеты показывают, что даже для таких больших высот полета поверхностная рекомбинация может приводить к двукратному увеличению теплового потока на поверхность аппарата.

image5.png image6.png image7.png

Рис. Поле поступательной температуры и массовая доля N2 вдоль линии торможения для различных моделей поверхностных химических реакций. Число Кнудсена Kn=0,01, скорость набегающего потока V=7810 м/c.

Ответственные исполнители: Зав. лабораторией к.ф.-м.н. Е.А. Бондарь, тел: 8(383) 330-81-63, е-mail: bond@itam.nsc.ru, к.т.н. А.В. Кашковский, А.Н. Молчанова.


Результаты ИТПМ СО РАН, готовые к практическому применению

Разработка новых нанокомпозитов на основе полимерно-дисперсных жидких кристаллов с применением углеродных наноматериалов для использования в катализе и оптической электронике.

Назначение: Получены новые композиты для жидкокристаллических дисплеев с гибкими экранами и устройств фотоники cостава [полимер (ПВА) - жидкий кристалл (ЖК) - углеродные нановолокна, допированные азотом (N-УНВ)].

Характеристика: Использование в композитах N-УНВ в количестве 0.1 вес.%, улучшает электрооптические характеристики композита не влияя на область существования жидкокристаллической фазы. Величины напряжения критического поля переориентации и время релаксации ЖК уменьшаются в 2 раза вследствие увеличения диэлектрической проницаемости полимера и облегчения переориентации ЖК за счет азотных центров.

image8.jpg

Микрофотография углеродных нановолокон, допированных азотом



image10.png

image11.jpeg

Схематичное представление композита [полимер-ЖК-N-УНВ]

Пропускание света через исходные композиты и композиты, допированные N-УНВ, в зависимости от прикладываемого напряжения

Публикации:

  1. Жаркова Г.М., Стрельцов С.А., Подъячева О.Ю. Оптический журнал. – 2015. – Т. 82. – № 4. – С. 74-79.
  2. Жаркова Г.М., Подъячева О.Ю., Стрельцов С.А. Жидкие кристаллы и их практическое использование. – 2015. – Т.15. – №3. – С.91-102.

Технология получения новых нанокомпозитов на основе полимерно-дисперсных жидких кристаллов с применением углеродных наноматериалов для использования в катализе и оптической электронике разработана ИТПМ СО РАН совместно с ИК СО РАН.

Коммерческие предложения: проведение совместных научно-технических исследований, инвестиционный договор для коммерциализации разработки (организации производства); разработка технологии под условия заказчика.

д.т.н., проф. Г.М. Жаркова (ИТПМ СО РАН), тел: 8(383)330-23-31, e-mail: zharkova@itam.nsc.ru


Научно-организационная работа  ИТПМ СО РАН в 2015 году

В 2015 году Институт провел пять научных конференции:

1.   Семинар по неравновесным течениям, посвященный 70-летию со дня рождения М.С. Иванова, 15-18 июня 2015 г. Новосибирск

2.   13-й азиатский симпозиум по визуализации /The 13th Asian Symposium on Visualization/, 22-26 июня 2015 г., Новосибирск

3.   XIV Всероссийский семинар "Динамика Многофазных Сред", приуроченный к 75-летию академика РАН Фомина В.М., 2 – 5 ноября 2015 г., Новосибирск

4.   Международная школа студентов и молодых ученых “Неравновесные и высокотемпературные газовые течения / Non-equilibrium and High Temperature Gas Flows/”, 9-10 ноября 2015 г., Новосибирск

5.   XXIV Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям, 11-13 ноября 2015 года, Новосибирск