Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
№ 4 (2017)
Скачать выпуск PDF

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

7-16 151
Аннотация

Традиционные марки алюминиевых сплавов не всегда могут обеспечить выполнение требований современной ракетно-космической и авиационной техники. Литейные сплавы системы Al–Si из-за структурных особенностей – грубых хрупких включений кремния и интерметаллических фаз, имеют невысокий уровень прочностных свойств и низкую пластичность, не позволяющую проводить их обработку давлением. Предложена технология создания высокопрочных алюминиевых сплавов, заключающаяся в получении кольцевых заготовок методом направленной кристаллизации расплава при наложении нестационарных силовых полей центробежных сил и одновременном введении модификаторов. Полученные заготовки имеют микроструктуру и пластичность, позволяющую подвергать их раскатке, и форму трубных заготовок, механическая прочность которых соизмерима с конструкционной сталью. Технология включает в себя гидротермальный синтез наноструктурированных частиц оксида алюминия, которые перед введением в расплав алюминиевого сплава перегреваются выше температуры расплава, что повышает полноту протекания процессов интеркристаллического упрочнения при минимальных колебаниях по объему упрочненного материала внутренних напряжений. Материалы имеют предел прочности до 380 МПа (до модификации нанодисперсным оксидом алюминия – 210 МПа). В микроструктуре наблюдается изменение игольчатой дендритной составляющей, которая становится более дисперсной и равноосной, что и приводит к повышению механической прочности в 1,25–1,32 раза. 

17-23 130
Аннотация

Установлена взаимосвязь между структурно-фазовыми превращениями, происходящими в поверхностных слоях твердого сплава ВК6 в процессе ионно-лучевого азотирования при различных температурах (670– 870 К), и их физико-химическими свойствами. Исследовано распределение работы выхода электрона по поверхности твердосплавных пластин, обработанных концентрированными потоками ионов азота при различных температурах. Показано, что массовый износ поверхностных слоев, обработанных ионами азота при различных температурах, первые 450 м равномерен и проходит с одинаковой интенсивностью. На более поздних стадиях испытаний интенсивность износа заметно отличается, что связано прежде всего с истиранием модифицированного слоя и выходом в поверхностные слои неимплантированного материала. Также показано, что обработка твердого сплава ВК6 в диапазоне температур 750–790 К приводит к возрастанию его микротвердости и снижению массового износа при трении без смазочного материала до 3 раз, что зависит от образования карбонитридов и увеличения их прочности вследствие твердорастворного упрочнения. Кроме того, для поверхностного слоя сплава ВК6, обработанного ионами азота при 750–790 К, характерны высокие значения работы выхода электрона, что связано с повышением электронной концентрации поверхности насыщенного азотом сплава ввиду образования карбонитридов и твердых растворов азота с кобальтовой матрицей. Полученные при сканировании данные по распределению работы выхода электрона по поверхности образцов позволили предположить, что ионно-лучевое азотирование в данном температурном диапазоне также будет способствовать повышению коррозионной стойкости. 

24-31 102
Аннотация

Использован метод математического планирования эксперимента для установления факторов, оказывающих определяющее влияние на термоизолирующие и атмосферостойкие свойства огнезащитных вспениваемых покрытий. Исследования проведены на модельном составе, состоящем из связующего, источника углерода, замедлителя горения и порообразующего агента. Оценку влияния содержания и соотношения основных компонентов покрытия проводили по изменению его термоизолирующей способности и атмосферостойкости. В ходе разведочных экспериментов выбрана рецептура модельного состава со следующим содержанием основных компонентов в расчете на 100 г краски: 30 г меламин-формальдегидной смолы, 10 г пентаэритрита, 30 г полифосфата аммония, 10 г двуокиси титана. Эксперименты по термоизолирующей способности состояли в замере времени в минутах, в течение которого на обратной стороне металлической пластины регистрируется температура 500 °С (СТБ 11.03.02-2010). Атмосферостойкость огнезащитного покрытия определяли согласно НПБ 98-2004. С использованием большого количества экспериментальных данных по изменению термозащитных и атмосферных свойств покрытия в зависимости от его рецептуры построена математическая модель для максимизации математического ожидания. Эта модель с использованием метода Бокса – Уилсона позволила определить оптимальное соотношение базовых компонентов в модельной рецептуре огнезащитного состава для обеспечения нормативных термоизоляционных и эксплуатационных свойств. Показано, что основной вклад в получение требуемого термоизолирующего эффекта вносят такие базовые компоненты состава, как карбонизирующий (пентаэритрит) и порообразующий (двуокись титана) агенты. Однако состав с улучшенными свойствами имеет худшие физико-механические характеристики и не соответствует нормативным требованиям. Найдено, что существует баланс между огне-термозащитными и атмосферостойкими свойствами покрытия. Установление этих фактов позволит направленно подходить к регулированию атмосферостойких и огнезащитных свойств известных и созданию новых эффективных, экономичных огнезащитных покрытий с требуемыми нормативными свойствами. 

32-37 111
Аннотация

Твердые полимерные электролиты (ТПЭ) могут выступать в качестве ионопроводящего материала в различных электрохимических устройствах. Значительные усилия исследователей в области полимеров направлены на достижение высокой ионной проводимости одновременно с улучшенной механической стабильностью ТПЭ. Целью данной работы является исследование взаимосвязи между структурой, электрическими и диэлектрическими свойствами сшитого ионопроводящего полимера на основе смеси олигомеров, которые имеют сходные функциональные эпоксидные группы. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии, широкоугловой дифракции рентгеновских лучей и широкополосной диэлектрической спектроскопии изучено влияние содержания соли перхлората лития на структуру и свойства полимерных систем, синтезированных на основе эпоксидного алифатического олигомера – диглицидилового эфира полиэтиленгликоля ДЭГ-1 и эпоксидиановой смолы ЭД-20, отверждение которых проводилось полиэтиленполиамином. Установлено, что температура стеклования синтезированных систем возрастает с увеличением количества соли LiClO4, что связано с образованием координационных комплексов между катионами лития и атомами макромолекулярных цепей ДЭГ-1 и ЭД-20. Присутствие на широкоугловой рентгеновской дифрактограмме одного дифракционного максимума диффузного типа, угловое значение которого составляет приблизительно 19,6, свидетельствует, что системы являются аморфными и характеризуются ближним порядком при трансляции в пространстве фрагментов их межузловых молекулярных звеньев. Действительные составляющие диэлектрической проницаемости и комплексной электрической проводимости зависят от содержания соли перхлората лития и температуры, при которой проводились измерения. Максимальный уровень ионной проводимости и диэлектрической проницаемости выявлен при повышенных температурах у систем, синтезированных с концентрацией соли перхлората лития 30 м. ч. 

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

38-45 110
Аннотация

Рассматриваются вопросы измерения твердости конструкций недостаточной жесткости методом ударного вдавливания индентора. Описываются недостатки существующих динамических твердомеров, принцип действия которых заключается в нанесении удара по испытуемому образцу и регистрации коэффициента восстановления скорости, зависящего от твердости. Построены конечно-элементные модели ударного взаимодействия индентора с образцами труб с различной толщиной стенки и диаметром, а также консольно закрепленных пластин разной толщины. Получены диаграммы вдавливания индентора в исследуемые образцы труб и пластин в координатах контактное усилие – перемещение. Показана достаточно хорошая сходимость между результатами моделирования и экспериментальными данными, полученными на твердомере, позволяющем регистрировать кривую нагружения в процессе ударного взаимодействия. С помощью построенных конечно-элементных моделей выделен вклад локальной деформации и прогиба в общий отклик конструкции при индентировании. Установлено влияние прогиба конструкций на процесс внедрения индентора в материал, а также на такие параметры индентирования, как коэффициент восстановления скорости, контактное усилие, перемещение и время активного этапа удара. Определены границы допустимого использования твердомеров ударного действия. Показаны пути повышения точности измерения твердости на основе данных, получаемых на этапе внедрения индентора. Установлено, что использование градуировочных зависимостей между твердостью и временем активного этапа удара, а также отношением контактного усилия к глубине внедрения на этапе нагружения позволяет провести оценку твердости для труб с толщиной стенки свыше 5 мм и консольно закрепленных пластин на расстоянии от места закрепления вплоть до 100 мм. 

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

46-54 127
Аннотация

Приведены результаты исследования сушки тонких плоских материалов методом регулярного теплового режима. Дана обработка экспериментальных данных обобщенными комплексными переменными. На основании обработки и анализа эксперимента получены приближенные эмпирические уравнения для расчета плотности тепловых потоков, длительности процесса сушки и температуры материала в периоде убывающей скорости сушки. Приведен расчет кинетики сушки без использования критериальных уравнений теплообмена по данным влагообмена. Для группы тонких плоских материалов получены уравнения для определения темпа нагревания влажного материала и темпа убыли влагосодержания. Показано, что регуляризация в процессе сушки происходит не только по температурам и влагосодержаниям, но и по тепловым потокам. Дан анализ сушки тонких плоских материалов по величине теплообменного критерия Био в периоде убывающей скорости сушки. Показано, что во втором периоде сушки критерий Био меньше 1 и принимает значения 0,2–0,5. Установлено, что темп нагрева влажного тела не зависит от режима сушки и толщины материала. Анализ кривых сушки показал, что темп убыли влагосодержания является сложной функцией режима сушки, начального влагосодержания, скорости сушки в первом периоде и ряда факторов, влияющих на процесс. Обработка опытных данных на основе обобщенных устойчивых комплексных переменных, представляющих собой наиболее общие закономерности кинетики сушки, позволяет получить достаточно простые и надежные приближенные уравнения для расчета тепловлагообмена в процессе сушки. Погрешность при таком методе обработки эксперимента находится в пределах 3–5 %. Проведена проверка достоверности расчетных уравнений и сопоставление численных значений тепловых потоков, температур и длительности процесса с экспериментом. 

55-62 162
Аннотация

Двухфазный пародинамический термосифон (ПДТ) является эффективным теплопередающим устройством, в котором реализуется замкнутый испарительно-конденсационный цикл переноса тепла, причем движущей силой, обеспечивающей возврат жидкой фазы рабочего вещества в конденсатор, являются гравитационное поле и давление пара. Оригинальная конструкция конденсатора и испарителя ПДТ позволяет передавать тепло- вой поток в горизонтальном направлении на большие (10–20 м) расстояния. ПДТ можно использовать в теплообменниках тепловых насосов, предназначенных для утилизации альтернативных источников энергии и вторичных энергоресурсов. Представлены результаты экспериментального исследования теплопередающей способности ПДТ с протяженным испарителем. Определены основные параметры ПДТ при различных величинах тепловой нагрузки, изменениях перепада высот между испарителем и конденсатором. Установлены рабочий диапазон тепловых нагрузок и максимально допустимый угол наклона термосифона, при которых не нарушается его работоспособность. Определены термические сопротивления устройства для рабочего диапазона тепловых нагрузок. Описана схема экспериментальной установки и изложена методика проведенного исследования. Полученные данные позволяют сделать вывод об устойчивой работоспособности теплопередающего устройства в диапазоне тепловых нагрузок 300–1500 Вт при отклонении термосифона от вертикальной плоскости на угол до 85 град. 

63-67 132
Аннотация

Разработан метод восстановления графика продолжительности электрической нагрузки как главной прогнозной информации о спросе электрической энергии, используемой в долгосрочных оптимизационных исследованиях энергосистем. Основная особенность предложенного метода заключается в непосредственном использовании в алгоритме основных коэффициентов, характеризующих данную форму выражения спроса энергии, а также ряд фиксированных точек на искомом графике, которые характерны для конкретной изучаемой энергосистемы. Решение о выборе фиксированных точек делается при помощи ретроспективной исторической статистики о работе энергосистемы. Полученные с использованием данного метода аналитические полиномиальные выражения позволяют оперативно получать форму графика продолжительности нагрузки и как упростить процедуру ввода исходных данных о формах графиков в программах оптимизации, так и облегчить процесс их прогнозирования на длительные временные периоды. Точность метода была проверена путем сравнения с формами графиков прошлых лет, полученных из детальной почасовой электрической нагрузки энергосистемы Республики Беларусь. Было установлено, что величина погрешности на основной части графика не превосходит ±1 % и несколько увеличивается на ее краях (±4–6 %), что является достаточной точностью для проведения долгосрочного энергетического планирования. 

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

68-79 144
Аннотация

Активные помехи приемникам систем глобальной навигации – СГН (GPS, Галилео, ГЛОНАСС, Бейдоу) приобретают все большее значение в задачах обеспечения безопасности, управления и контроля. С использованием СГН несложно организуются разнообразные задачи: транспортные, организации охраны мобильных объектов или лиц, контроля трафика и др. Организация постановки эффективных помех, блокирующих нормальную навигацию, является важной научной и прикладной задачей. Постановка помех СГН, хотя и подпадает под формальные международные ограничения, тем не менее является обязательной военно-технической составляющей обеспечения обороноспособности любого развитого государства.

Опыты последних лет свидетельствуют о быстром развитии техники постановки активных помех СГН и борьбы с ними. Эффективное применение активных помех пользователям СГН заставило производителей вооружений всерьез заняться усилением помехоустойчивости СГН современными методами. Несмотря на определенные ограничительные условия по этому свойству систем (большие дальности до спутников, ограничения на мощность излучаемых ими информационных сигналов, слабая направленность их передающих антенн) в странах-владельцах СГН опубликовано много информации о достижении резкого усиления их помехоустойчивости, что вызывает определенные сомнения в объективности данных.

В статье представлены результаты научного анализа и моделирования эффективности постановки помех потребителям информации СГН с приемниками, оснащенными корреляционными автокомпенсаторами активных помех (АК). Приведены доказательства снижения эффективности подавления помех, основанные на использовании принципиально параметрических свойств АК. 

80-92 112
Аннотация

Учитывая важность статистических моделей, используемых при описании канала связи с замираниями, подчиняющимися таким законам распределения, как Накагами-n (распределение Райса) и Накагами-q (рас- пределение Хойта), при рассмотрении наземных, мобильных и спутниковых телекоммуникационных систем, мы представляем альтернативный подход, основанный на моментных функциях, для анализа характеристик приемных устройств с линейным суммированием сигналов равной мощности, передаваемых посредством каналов связи с замираниями, которые являются независимыми, но необязательно идентично распределенными в соответствии с законами Райса и Хойта. Получены точные математические выражения для моментных функций отношения сигнал/помеха на выходе сумматора приемного устройства. Исследуются важные критерии характеристик приемнго устройства, такие как среднее отношение сигнал/помеха на выходе приемного устройства, степень замираний, спектральная эффективность в режиме сигналов малой мощности. Кроме того, используя рациональную аппроксимацию Паде, то есть наилучшую рациональную аппроксимацию степенного ряда, применительно к производящей функции моментов отношения сигнал/помеха на выходе приемного устройства, оцениваются средняя вероятность ошибок на символ и вероятность нарушения связи. Мы также исследуем соответствие моделирования замираний в канале связи, описываемых распределением Хойта, с помощью выбранной должным образом модели распределения Накагами-m при условии, что рассматривается помехозащищенность, или коэффициент ошибок приемного устройства при линейном суммировании сигналов равной мощности. 

93-104 132
Аннотация

Основным инструментом проектирования и разработки современных систем телекоммуникаций и радиоэлектроники является математическое моделирование, выполняемое на структурно- и схемотехническом уровнях. Структурно-техническое моделирование используют на начальных этапах проектирования и разработки (научно-исследовательская работа, техническое задание, эскизный и технический проекты). Его результаты определяют структуру и основные параметры качества создаваемой техники. Установлено, что известные программные средства структурно-технического моделирования обладают существенными недостатками из-за отсутствия удобного математического описания сигналов и звеньев. Целью работы являлась разработка математического описания сигналов, линейных звеньев и реакций, обеспечивающего: создание развитых библиотек математических моделей сигналов и линейных звеньев; построение автоматизированных процедур формирования, преобразования и расчета частотно-временных характеристик моделей сигналов, звеньев и реакций.

На базе операторной дробно-рациональной функции специального вида разработано совместное математическое описание, задающее все типы применяемых при моделировании сигналов, линейных звеньев и реакций систем телекоммуникаций и радиоэлектроники, обеспечивающее необходимые преобразования моделей сигналов, звеньев и создание развитых библиотек их математических моделей. Построены математические алгоритмы (де)нормирования, реактансного преобразования и перемножения моделей (не)минимально-фазовых линейных звеньев. Разработаны обобщенные модели сигналов, линейных звеньев и реакций в частотной и временной областях, обеспечивающие создание единых математических алгоритмов и на их основе автоматизированных процедур расчета частотных и временных характеристик сигналов, звеньев и реакций. 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

105-111 107
Аннотация

Задача фильтрации случайных динамических полей актуальна для ряда приложений. Для ее решения можно использовать статистический подход на основе теории фильтра Калмана. Из-за большой размерности изображений полей это приводит к сложным уравнениям и требует больших вычислительных затрат, что затрудняет решение задачи в реальном масштабе времени. В данной работе вместо статистического предложено использовать детерминистский подход на основе рекуррентного метода наименьших квадратов. Полагается, что априорно заданы модель поля, его ковариационные характеристики, а также модель и характеристики результатов измерений. Для получения рекуррентных уравнений фильтрации используется функция потерь, состоящая из двух частей: первая является квадратичным функционалом невязки решения с весом в виде обратной ковариационной матрицы измерений, вторая – квадратичным функционалом разности текущей оценки и ее экстраполяции на следующий момент времени. В результате в явном виде получен алгоритм оптимальной фильтрации, который может быть реализован в реальном масштабе времени со значительно меньшими вычислительными затратами по сравнению с фильтром Калмана. Выведено уравнение для дисперсии ошибок фильтрации, что дает возможность оценить точность фильтрации и сравнить ее с точностью фильтра Калмана. Приведен пример использования предложенной методики. 

112-121 99
Аннотация

Построена и исследована математическая модель двухмерной компьютерной томографии с использованием интерфлетации функций трех переменных по известным томограммам исследуемого тела. Дается понятие томограммы в математическом смысле как след от функции трех переменных на заданной плоскости, построен алгоритм перевода изображения томограмм в функциональную зависимость, аргументами которой являются номер рисунка и координаты точек. Это дает возможность работать с томограммами как с функциями, то есть позволяет по номеру рисунка получать его изображения и выделять компонент цвета в указанной точке рисунка.

Строится и исследуется оператор интерфлетации функции трех переменных по известным следам функции на системе произвольных плоскостей. Приводится теорема об общем виде погрешности приближения функции трех переменных, построенных оператором интерфлетации в интегральном виде. Также приведена оценка неустранимой погрешности экспериментальных данных. Продемонстрирован пример восстановления функции трех переменных с помощью оператора интерфлетации по ее известным следам на системе произвольно расположенных плоскостей. Проведен численный эксперимент для заранее заданного тела, для этого был разработан комплекс программ в системе компьютерной математики MathCad. Численный эксперимент дает результаты визуализации точного решения и решения, полученного экспериментально, для случая, когда известна точная функция.

Предложенный метод восстановления существенно отличается от существующих тем, что в нем может проводиться обработка томограмм, которые не лежат в параллельных плоскостях (например, в простейшем случае томограммы могут располагаться в системе трех групп плоскостей, параллельных координатным плоскостям).
122-128 79
Аннотация

Предлагается метод прогнозирования положения мягких тканей лица пациента после лечения зубочелюстных аномалий. В качестве исходных данных используются базовые формы сеточных моделей зубов для построения зубочелюстной системы пациента до лечения и трехмерная модель головы пациента, построенная по двум фотографиям. Между базовыми формами зубов и трехмерной моделью головы устанавливаются связи, позволяющие при изменении формы зубных дуг пациента плавно изменять соответствующий участок модели головы. Такие связи дают возможность по прогнозируемому скелетному профилю построить профиль лица пациента после предполагаемого лечения. Прогнозируемый скелетный профиль определяется в соответствии с построенной математической моделью параметрических зубочелюстных дуг пациента после лечения, которая использует методики, предложенные специалистами-ортодонтами. Были проведены экспериментальные исследования с визуальной и численной оценкой. Средние квадратичные отклонения положения кожного профиля лица пациента от прогнозируемого положения кожного профиля на трехмерной модели головы пациента не превысили 10 %. 



ISSN 1561-8358 (Print)
ISSN 2524-244X (Online)