Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 63, № 4 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-4

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

391-398 188
Аннотация

Рост первичных кристаллов из переохлажденного бинарного расплава моделируется на основе метода фазового поля с приближенным учетом перемешивания расплава. Изменения концентрации второго компонента (примеси) в расплаве вблизи области затвердевания за счет перемешивания рассматриваются как главная причина модификации дендритной морфологии кристаллов. Эффект перемешивания приводит к частичному удалению расплава с повышенной концентрацией примеси из области вблизи границы кристаллизации, называемому в работе смывом. Данный эффект приближенно моделируется как вынужденная периодическая замена текущей высокой концентрации примеси в этой области либо на начальную концентрацию, либо на усредненную в расплаве. Предложен новый алгоритм выбора такой области коррекции, который может быть использован и для малой интенсивности перемешивания. Введен параметр для описания интенсивности смыва – параметр смыва. Показано, что при смыве дендритная морфология переходит в розеточную в зависимости от интенсивности перемешивания. Проведен численный анализ роста возмущений на поверхности исходного зародыша кристалла круглой формы. Показаны основные отличия развития таких возмущений, которые приводят к недендритной морфологии кристалла. Продемонстрирован рост дополнительных ветвей за счет понижения концентрации примеси вблизи центра кристалла. Проведены расчеты для случая роста кристалла с уменьшением интенсивности смыва со временем роста. Для данного случая отмечено явление роста вторичных ветвей на дополнительных ветвях, растущих из центра кристалла. Показано, что при постоянной величине интенсивности смыва вблизи поверхности растущего кристалла при росте из малого круглого зародыша возможны только два типа морфологии – дендритная и розеточная. При этом если кристалл уже имеет розеточную морфологию, она сохраняется и при дальнейшем его росте при уменьшении интенсивности смыва.

399-406 124
Аннотация

Исследовано влияние режима нагрева образцов конструкционных цементируемых сталей 20ХН3А, 20ХГНР и 15ХГН2ТА на величину аустенитного зерна после высокотемпературной изотермической выдержки при 1000 °С. Показано, что нагрев сталей со скоростью 1,2–3,0 °С/мин в интервале фазового α→γ превращения стабилизирует зеренную структуру сталей и приводит к замедлению кинетики роста аустенитного зерна при длительной высокотемпературной выдержке, что позволяет повысить температуру химико-термической обработки сталей. Сделано заключение, что стабилизация зеренной структуры сталей связана с образованием при медленном нагреве сегрегаций примесных атомов и частиц на границах зерен с высокоугловой разориентацией, что препятствует миграции границ зерен в процессе длительной высокотемпературной выдержки. Проведена высокотемпературная химико-термическая обработка партии заготовок из стали 20ХН3А по экспериментальному режиму со ступенчатым нагревом в интервале фазового α→γ превращения, обеспечившему получение качественной мелкозернистой структуры цементированного слоя.

407-415 136
Аннотация

Проведены экспериментальные исследования структуры, фазового состава и физико-механических свойств реакционно-спеченной керамики на основе карбида кремния и бора, полученной реакционным спеканием. Показано, что свойства реакционно-спеченной керамики на основе карбидов во многом определяются качеством пропитки пористого карбидного каркаса кремнием, которая, в свою очередь, зависит от общей и открытой пористости, формы и размера пор прессовки, состава шихты из порошка карбида. Высокотемпературное спекание, сопровождающееся пропиткой карбидного каркаса кремнием и взаимодействием его с углеродной составляющей каркаса, во многом определяет свойства материала. Главной задачей в реализации этого процесса является создание условий, обеспечивающих полное заполнение пор в исходной прессовке в процессе пропитки расплавом кремния и максимальной активации процесса химического взаимодействия между расплавом кремния, углеродом и другими компонентами, входящими в состав шихты. Проведен комплекс исследований по изучению влияния давления прессования и температуры отжига шихты на основе порошков карбида кремния и бора с добавкой графита на поровую структуру прессовки и качество ее пропитки расплавом кремния. Показано, что плотность, прочность при изгибе, твердость керамики на основе карбида кремния и карбида бора, получаемой реакционным спеканием, повышаются с ростом давления прессования карбидных каркасов. Оптимальной пористостью карбидного каркаса является 25–30 %, размер пор – 1,0–1,5 мкм. Показано, что керамика на основе карбида бора и карбида бора с 50 % карбида кремния, пропитанная кремнием при высокотемпературном спекании, обладает более высокими значениями прочности и твердости, чем на основе карбида кремния, благодаря более высокой адгезионной прочности на границе раздела частиц карбида бора и связки, которая вызвана растворением карбида бора в расплаве кремния и образованием на поверхности частиц сложного карбида.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

416-423 121
Аннотация

Одним из ограничений, налагаемых на процесс гибки листа, является возможность образования трещин на поверхности. Для прогнозирования данного вида разрушения металла необходима информация о пластических свойствах материала и напряженном состоянии в очаге деформации в процессе гибки. Приведено решение задачи гибки листа в условиях плоско-деформированного состояния на жесткой цилиндрической оправке методом графического построения поля линий скольжения. В качестве модели материала рассмотрено идеально-пластическое тело. Определены напряжения в очаге деформации и накопленные деформации. Процесс гибки квалифицирован как однонаправленный и монотонный. Установлено, что среднее напряжение на наружной поверхности листа при гибке равно 1 и не зависит от толщины листа и радиуса жесткой цилиндрической оправки. Осуществлена проверка точности графического решения. Полученное решение может быть положено в основу экспериментального метода испытания пластических свойств металлов.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

424-434 155
Аннотация

Представлен расчет технологического процесса сушки пиломатериалов в конвективных сушильных установках периодического действия. Для этого разработана трехмерная геометрическая модель сушильной камеры со штабелем из пиломатериалов. Записана физико-математическая модель процессов тепло- и массопереноса как в сушильном агенте, так и в штабеле. Учет трехмерной геометрии задачи осуществлялся путем использования пакета Ansys Fluent. Описание процессов массопереноса в древесине производилось на основе технологий пользовательской функции (User-Defined Function) и пользовательского скаляра (User-Defined Scalar). Приведен результат расчета конкретного технологического режима сушки штабеля из пиломатериалов сосны, который позволил найти детальные пространственные распределения и временные изменения полей температуры и влажности для сушильного агента и древесины. На основе полученных данных построены графики изменения во времени средних величин. Нелинейность и взаимосвязанность процессов тепло- и массопереноса в конвективной сушильной установке приводят к неустойчивости процесса сушки. Так, на этапе прогрева не удается избежать удаления влаги из пиломатериалов. На этапах сушки неустойчивость приводит к колебательному характеру изменения температуры, массовой доли пара и относительной влажности воздуха в зазорах между пиломатериалами при интенсивном подводе тепла. Поэтому необходимо принимать дополнительные меры по сохранению параметров сушильного агента постоянными на этапах сушки. Полученные результаты могут использоваться для проектирования сушильных установок и разработки режимов сушки пиломатериалов на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента.

435-443 209
Аннотация

Показана возможность управления температурными полями в процессе сканирующей лазерной обработки оптоволоконным лазером. Разработана математическая модель процесса закалки сканирующим лазерным излучением при возвратно-поступательном движении лазерного луча и поступательном движении детали. Выполнен расчет температурного поля, возникающего при лазерной закалке с постоянной мощностью и с изменением мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча при его относительном перемещении. В результате математического моделирования процесса лазерной закалки при изменении мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча установлено, что применение сканирующей системы с программноизменяемой мощностью излучения позволяет снизить на 25 % энергетические затраты с сохранением заданной геометрии зоны упрочнения. Представлены результаты лазерной закалки поверхности стали 45 на газовом лазере 1,2 кВт и технологической установке на базе оптоволоконного лазера мощностью до 2 кВт, оснащенной сканирующей системой. За показатель производительности был принят объем закаленного материала в единицу времени. Анализ полученных результатов показывает, что использование излучения оптоволоконного лазера обеспечивает повышение производительности закалки в 3–5 раз по сравнению с применением излучения СО2 -лазера той же мощности. Полученный эффект объясняется изменением условий взаимодействия излучения с поверхностью металла при изменении длины волны излучения, а также изменением баланса распределения тепла в зоне воздействия лазерного луча. С учетом более высокого КПД энергоэффективность использования оптоволоконных лазеров для поверхностного упрочнения в 9–15 раз выше, чем при использовании СО2 -лазеров.

444-454 139
Аннотация

Исследована работа CDI-опреснителя соленой воды, основанного на принципе объемной деионизации за счет создания двойного электрического слоя на пористой структуре электрода. Изучена возможность увеличения эффективности опреснения за счет сокращения времени разрядных диффузионных процессов в высокопористых электродах. В экспериментах использовался опреснитель типа «flow-through electrodes», прокачка раствора в котором осуществляется сквозь пористые электроды, отделенные друг от друга водопроницаемым сепаратором, без использования ионообменных мембран. Проведен анализ возможных размеров пор для различных сорбирующих материалов и выполнены оценки длительности соответствующих импульсов управляющего напряжения. Предварительные эксперименты, проведенные на модельной CDI-ячейке, позволили оптимизировать выбор электрофизических параметров для электродов из углеродного войлока типа «Карбопон-Актив» и ткани «АУТ-М-2» производства ОАО «СветлогорскХимволокно». Предложен метод сокращения времени разрядного цикла за счет подачи серии импульсов напряжения обратной полярности на электроды опреснителя. При согласовании характеристик пористости электродного материала и продолжительности импульсов можно добиться ускоренного удаления ионов соли за счет повышения напряженности электрического поля в направлении из глубины пор наружу, в межэлектродный зазор. Оцениваемая величина пор составляла ~ 100 мкм, поэтому в относительно протяженном межэлектродном зазоре ~ 1 мм основная масса ионов за время импульса не успевала достичь поверхности электродов. Это позволило поддерживать высокую эффективность процесса CDI-опреснения. Эксперименты на модельной ячейке и полномасштабном CDI-опреснителе продемонстрировали в режиме наложения управляющих импульсов снижение времени разрядного цикла в ~ 2,5 раза по сравнению с режимом короткого замыкания электродов.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

455-468 113
Аннотация

Система автономного электроснабжения (САЭС) постоянного тока из синхронного магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя напряжения (АВН) максимально отвечает требованиям минимума удельной массы и электромагнитной совместимости первичного источника электрической энергии с нагрузкой. При многофазном (m > 3) исполнении электрической машины существует возможность получения трапецеидальной электродвижущей силы (ЭДС) и увеличения удельной преобразуемой мощности при условии согласования ЭДС и тока на выходе m-фазного генератора. Целью работы является синтез алгоритма пространственно-векторной модуляции (ПВМ) активного выпрямителя напряжения для полного согласования первичного источника электрической энергии с нагрузкой при условии трапецеидальной формы ЭДС генератора. Синтез алгоритма ПВМ для m-фазного АВН основан на использовании векторно-матричного математического аппарата. На примере девятифазной системы разработан алгоритм ПВМ, особенностью которого является преобразование обобщенного пространственного вектора напряжения m-фазной системы координат в (m – 1)/2 векторов, вращающихся с разными угловыми скоростями в двухфазных ортогональных неподвижных системах αβ координат. При этом на основе разработанного алгоритма ПВМ возможно независимо управлять (m – 1)/2 векторами напряжения в соответствующих αβ плоскостях, обеспечивая схожую с ЭДС генератора форму сигналов на входных зажимах АВН. В целях подтверждения теоретических положений разработана имитационная модель блока пространственно-векторной модуляции для реализации трапецеидальных сигналов на зажимах девятифазного АВН. Работоспособность разработанного алгоритма подтверждена результатами имитационного моделирования. В результате оценки энергетических показателей (действующей мощности) фазы САЭС постоянного тока установлено, что применение разработанного алгоритма пространственно-векторной модуляции для активного выпрямителя напряжения в целях полного согласования трапецеидальной формы ЭДС и тока на выходе m-фазного генератора позволит увеличить мощность САЭС на 14 % по сравнению с САЭС постоянного тока при синусоидальной форме ЭДС и тока фазы генератора.

469-477 119
Аннотация

Рассматриваются вопросы измерения физико-механических характеристик углеродных материалов методом микроударного индентирования. Приводится описание конструкции датчика, создающего различную предударную энергию для деформирования материала при проведении измерений. Показано, что датчик дает возможность провести контроль как интегральных (в большом объеме деформирования) значений твердости и модуля упругости углеродных материалов, так и значений данных характеристик для отдельных структурных составляющих композиционного углерод-углеродного материала: углеродных стержней и пека. Приводятся результаты испытаний, подтверждающие возможность использования принятой упругопластической модели деформирования материала для оценки модуля упругости и твердости. Осуществлен переход от динамических характеристик к статическим. Проведена метрологическая аттестация образцов из таких углеродных материалов, как пирографит, силицированный графит, графит ППГ, угленаполненный фторопласт и полиамид. Показано, что метод динамического индентирования дает возможность измерять модуль упругости в диапазоне 0,5–100 ГПа и твердость индентирования в диапазоне 20–550 МПа с погрешностью, не превышающей 10 %. Разработанная измерительная техника может применяться для установления наличия макродефектов типа «расслоение» в материалах. Показано влияние глубины залегания дефекта на измеряемые параметры.

478-485 157
Аннотация

Исследованы спектральные и энергетические характеристики открытого и экранированного со стороны криволинейной поверхности планарных диэлектрических резонаторов (ДР), возбуждаемых на модах высших порядков типа шепчущей галереи (ШГ) в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. Данные резонаторы образованы тонкой по сравнению с рабочей длиной волны дисковой диэлектрической структурой, расположенной своими плоскими основаниями между двумя проводящими зеркалами. Таким образом, электрическая компонента резонансного поля ограничивалось по высоте планарного диска двумя проводящими поверхностями. Резонансные свойства такой структуры определялись условием полного внутреннего отражения волн от внутренней криволинейной поверхности диэлектрического диска. Проведенными исследованиями установлено, что при переходе от открытых планарных ДР к экранированным с тонким воздушным зазором в области между металлическим экраном кольцевой формы и диэлектрическим диском при определенном соотношении радиусов удается повысить их собственную добротность. Добротность экранированной резонансной структуры на высокочастотном краю возрастает до 40 %. Причиной данного эффекта является частичное смещение резонансного поля мод ШГ из области диэлектрика в воздушный зазор, что приводит к уменьшению потерь в материале диэлектрика. Для подтверждения этого эффекта было проведено компьютерное моделирование полей мод ШГ в планарном ДР с помощью программного обеспечения CST Microwave Studio 2013. Кроме того, результаты компьютерного моделирования показывают, что эти моды ШГ характеризуются однородным распределением резонансного поля вдоль аксиальной координаты. Отмечена перспективность использования планарных ДР в твердотельных генераторах миллиметрового диапазона длин волн.

486-500 166
Аннотация

При формировании проектных параметров беспилотного летательного аппарата (БпЛА) на солнечной энергии важно учитывать особенности энергообеспечения не только при выполнении горизонтального полета, но и на остальных этапах (взлет, посадка, маневр и т. д.), которые в итоге формируют общую траекторию полета, реализация которой обеспечивает выполнение поставленной перед БпЛА конкретной задачи. Вместе с тем следует рассматривать полет с учетом реальных условий эксплуатации, включающих атмосферные факторы. Определение особенностей планирования траекторий и этапов полета БпЛА на солнечной энергии при реализации продолжительного полета с учетом энергетики, конструктивных ограничений и реальных условий эксплуатации является целью данной работы. Определены возможные траектории полета БпЛА на солнечных элементах в соответствии с типовыми задачами его практического применения. Предложена дискретная модель планирования траектории маршрута для БпЛА на солнечных элементах. Описаны принципы реализации этапов взлета и посадки БпЛА на солнечной энергии, определены зависимости между энергозатратами и основными параметрами каждого из этапов. Получены зависимости для определения основных составляющих энергетического баланса БпЛА на солнечной энергии от параметров криволинейного полета. Проведена верификация полученных зависимостей путем сравнения расчетных и экспериментальных (летных) данных для конкретного БпЛА на солнечной энергии, по массе относящемуся к классу мини. Сходимость результатов расчета и эксперимента находится в пределах 15–20 %. Установлены факторы, действующие на летательный аппарат в неспокойной атмосфере, их влияние на эксплуатационные и конструктивные ограничения. Получена обобщенная аналитическая модель для определения условий реализации продолжительного полета (4–6 ч) БпЛА на солнечной энергии, учитывающие: массовые, аэродинамические, энергетические характеристики; траекторные, атмосферные и эксплуатационные условия. Результаты исследования могут быть использованы при формировании облика БпЛА на солнечной энергии на этапе его эскизного проектирования.

 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

501-512 145
Аннотация

Проведен анализ схемы Чжуа с гладкой нелинейностью с применением метода матричной декомпозиции А. М. Крота. Получено разложение в матричный ряд системы уравнений Чжуа, в результате чего найдены линейное, квадратичное и кубическое матричные ядра. На основе данного разложения разработана имитационная модель электронной схемы, реализующей схему Чжуа с гладкой нелинейностью, и построены аттракторы для хаотического режима работы данной схемы. Предложенная схемотехническая реализация позволяет учитывать раздельное влияние нелинейностей высших порядков на процесс формирования хаотического режима функционирования схемы Чжуа. Это дает возможность провести серию экспериментов по исследованию модели, не реализуемых на обычной схеме Чжуа. В ходе экспериментов была обнаружена значительная корреляция между выходными сигналами кубического и квадратичного членов матричного ряда при хаотическом режиме работы схемы. Применение матричной декомпозиции в сочетании с вычислительным экспериментом позволило выявить, что модель Л. Д. Ландау начальной турбулентности (после срыва стационарного режима) достаточно хорошо описывает процесс возникновения хаотических режимов в схеме Чжуа. В частности показано, что режим жесткого самовозбуждения электрических колебаний в схеме Чжуа приводит к появлению хаотического аттрактора типа «двойной завиток» в пространстве состояний. Полученные результаты могут найти применение в задачах генерирования хаотических сигналов, в частности для решения проблем криптографии или управления мобильными роботами, а также для предотвращения возникновения хаотических режимов в работе электронных и механических устройств.



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