2019 № 6

Проблеми міцності. - 2019. - № 6.

ПРИДОРОЖНИЙ Р. П., ЗІНЬКОВСЬКИЙ А. П., МЕРКУЛОВ В. М., |ШЕРЕМЕТЬЕВ А. В.], ШАКАЛО Р. Ю.

Розрахунково-експериментальне дослідження власних частот і форм коливань попарно бандажованих охолоджуваних робочих лопаток турбін (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 5-17.

Представлено результати розрахунково-експериментальних досліджень власних частот і форм коливань попарно бандажованих охолоджуваних лопаток і їх вінців з урахуванням можливого розладу частот коливань при гарантованому стиканні контактних поверхонь половинок хвостовика і бандажних полиць. Об’єктом дослідження служило робоче колесо турбіни високого тиску авіаційного турбореактивного двоконтурного двигуна. Розроблено 3Б скінченноелементні моделі лопаток і періоду робочого колеса як системи з конструктивною поворотною симетрією. Моделювання взаємодії лопаток по контактних поверхнях бандажного і замкового з’єднань здійснювалося на основі розв’язку статичної задачі. Розрахунково-експериментальні дослідження проводилися для двох режимів експлуатації двигуна: непрацюючий двигун і усталений максимальний злітний режим. Наведено результати для окремих лопаток в ізольованому стані. Показано хороше узгодження розрахункових даних з експериментальними. Установлено, що розлад частот таких лопаток суттєво залежить від номера форми коливань, але на її величину практично не впливає режим експлуатації двигуна. Підтверджено збудження двох форм коливань пари лопаток як регулярної системи за наявності розладу їх частот, близьких до синфазної й антифазної. Співвідношення між власними частотами цих форм коливань залежить від форми коливань лопаток в ізольованому стані. Показано, що збудження синфазної й антифазної форм коливань пари лопаток зумовлює подвоєння числа резонансних станів робочого колеса, що необхідно враховувати при розробці способів забезпечення їх вібраційної надійності.
Ключові слова: попарно бандажовані лопатки, вінець лопатки, поворотна симетрія, власна частота коливань, форма коливань, розлад частот.

РОМАЩЕНКО В. А.

Обмеження деяких критеріїв міцності композитних матеріалів (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 18-24.

На основі аналізу чотирьох різних видів напруженого стану теоретично доведено некоректність застосування критеріїв міцності максимальних напружень і деформацій, які широко використовуються в світовій практиці і сучасних комерційних пакетах прикладних програм, для розрахунку міцності ізотропних, транстропних, а також композитних матеріалів хоча б з однією площиною зі слабким ступенем анізотропії. Для композитів із площиною анізотропії середнього ступеня застосування цих критеріїв може також призводити до суттєвих похибок. Ця некоректність зумовлена порушенням умов інваріантності в площині ізотропії, якщо така має місце, і може призводити до того, що значення функції міцності при одному й тому ж напружено-деформованому стані може змінюватись майже вдвічі (може бути і більше) залежно від повороту системи координат. Відмічено, що ці два критерії концептуально побудовано таким чином, що модифікувати їх для усунення вищезгаданої некоректності дуже важко, якщо взагалі можливо. Із деяким ступенем достовірності їх можна застосовувати лише для суттєво ортотропних композитів. Показано, що квадратичний узагальнений критерій міцності Мізеса, який також широко розповсюджений на практиці, не має цих недоліків і може коректно використовуватись у розрахунках міцності як ортотропних, так і транс- і ізотропних матеріалів при виконанні умов інваріантності. Інші квадратичні критерії міцності Цая-Ву, одним з окремих випадків яких є узагальнений критерій Мізеса, також будуть коректними, якщо задовольняються необхідні й достатні умови існування граничної поверхні руйнування та умови інваріантності.
Ключові слова: ортотропія, транстропія, ізотропія, критерії міцності максимальних напружень, деформацій, Цая-Ву, узагальнений Мізеса, умови інваріантності.

ЧЕПКОВ І. Б., ЛАПИЦЬКИЙ С. В., ЗИНЬКОВСЬКИЙ А. П., ЛЕЙКО О. Г., ДЕРЕПА А. В.

Аналіз резонансних станів системи гідроакустичних пьезокерамічних випромінювачів з врахуванням їх взаємодії з екраном (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 25-35.

Наведено результати досліджень напруженого стану конструкцій гідроакустичних циліндричних п’єзокерамічних випромінювачів при роботі в складі електроакустичних систем з екраном, який визначається максимальними амплітудами їх швидкостей коливань і фізичними параметрами п’єзокерамічних матеріалів. У розрахунковій моделі системи екран-випромінювачі враховуються зв’язок між електричними, механічними та акустичними полями п’єзокерамічних випромінювачів у процесі перетворення енергії і багаторазовий обмін випроміненими та відбитими звуковими хвилями між елементами системи при формуванні акустичних полів в оточуючому просторі. Для секторного представлення системи екран-випромінювачі встановлено кількісні зв’язки між амплітудно-частотними характеристиками динамічних напружень у випромінювачах у складі системи і електрофізичними параметрами п’єзокерамічних матеріалів, з яких їх виготовлено. Показано, що в цьому випадку можливе збудження різних форм коливань системи, що і визначає напружений стан випромінювачів. Особливо небезпечне значне збільшення динамічних напружень у випромінювачах на власних частотах цих форм коливань системи, у рази більших у порівнянні з такими в ізольованих випромінювачах. Це пов’язано з появою ряду нових резонансів через взаємодію елементів системи по акустичному полю в зовнішньому середовищі у зв’язку з багаторазовим обміном випроміненими та відбитими звуковими хвилями. Установлено, що максимальні динамічні напруження залежать від місця розташування випромінювачів у секторі кругової системи екран-випромінювачі й ефективності перетворення ними енергії.
Ключові слова: електроакустична система, випромінювач, пьезокерамічеський матеріал, напружений стан, резонансний стан.

ПОЗНЯКОВ В. Д., МАРКАШОВА Л. І., ШЕЛЯГІН В. Д., ЖДАНОВ С. Л., БЕРНАЦЬКИЙ А. В., БЕРДНИКОВА О. М., СИДОРЕЦЬ В. М.

Опір утворенню холодних тріщин стикових з’єднань високоміцних сталей при різних способах зварювання // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 36-47.

Наведено результати досліджень щодо підвищення технологічної міцності (опору утворенню холодних тріщин) зварних з’єднань високоміцних сталей з границею текучості більше ніж 600 МПа. Експериментально досліджено вплив режимів дугового, лазерного і гібридного лазерно-дугового зварювання на структуру металу зварних з’єднань і на насиченість наплавленого та розплавленого основного металу дифузійним воднем. Насиченість наплавленого (при дуговому і гібридному зварюванні) та розплавленого (при лазерному зварюванні) металу дифузійним воднем визначали хроматографічним методом. Установлено, що при дуговому зварюванні в захисних газах можна обмежити вміст дифузійного водню в розплавленому металі до концентрації, яка не перевищує 0,4 мл/100 г, за рахунок підвищення швидкості зварювання з 18 до 50 м/год. При лазерному і гібридному лазерно-дуговому зварюванні високоміцних сталей з границею текучості більше ніж 600 МПа вміст дифузійного водню в розплавленому металі становить відповідно 0,07 мл/100 г і 0,2...0,3 мл/100 г незалежно від швидкості зварювання. Опір утворенню холодних тріщин оцінювали за загальноприйнятою методикою спеціальних технологічних стикових проб. Дослідження, виконані методами оптичної та трансмісійної електронної мікроскопії, дозволяють визначити вплив режимів дугового, лазерного і гібридного лазерно-дугового зварювання на структуру металу зварних з’єднань та отримати детальну інформацію про розподіл щільності дислокацій. Установлено залежність рівня локальних внутрішніх напружень від структурних факторів щільності і розподілу дислокацій в металі зварних з’єднань. Показано, що при дуговому і лазерному зварюванні можна зменшити локальні внутрішні напруження до значень, які не перевищують 0,22 теоретичної міцності металу, якщо швидкість зварювання становитиме 50 м/год. При гібридному лазернодуговому зварюванні зі швидкістю 72...110 м/год максимальні локальні внутрішні напруження також менші за 0,22 теоретичної міцності металу. Установлено, що підвищення опору утворенню холодних тріщину стикових зварних з’єднаннях високоміцних сталей 14ХГН2МД та N-А-ХТRА-70 досягається завдяки низькій концентрації дифузійного водню в розплавленому металі та формуванню дрібнозернистої структури нижнього бейніту з рівномірним розподілом дислокацій.
Ключові слова: високоміцні сталі, стикові зварні з’єднання, дугове зварювання, лазерне зварювання; гібридне лазерно-дугове зварювання, дифузійний водень, холодні тріщини.

ГУСАРОВА І. О., МАНЬКО Т. А., ДЕРЕВЯНКО І. І., ПОТАПОВ О. М., БУЙСЬКИХ К. П., БАРИЛО В. Г.

Дослідження металевих теплозахисних конструкцій багаторазових космічних кораблів (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 48-57.

Наведено результати вирішення проблеми створення елементів теплового захисту багаторазових аерокосмічних апаратів, яка включає розробку матеріалу з необхідними фізико-механічними характеристиками, відпрацювання конструкторських розв’язків, виробництво макетів теплозахисних конструкцій і випробування їх в умовах, що моделюють експлуатаційні. Методом порошкової металургії створено новий жаростійкий і жароміцний сплав (Ni20Сг5,95AI)-У2О3. Завдяки комплексним мікроструктурним і рентгенографічним дослідженням отримано сплав із необхідними фізико-механічними характеристиками. Отримані фізико-механічні характеристики і жаростійкість цього сплаву в робочому діапазоні температур 20...1200оС дозволяють використовувати його для теплозахисних конструкцій навітряної частини орбітальних космічних кораблів. Зі сплаву спроектовано і виготовлено макет тришарової теплозахисної конструкції, який являє собою чотири тришарові панелі (розмір 165X165 мм) з внутрішнім стільниковим заповненням, що з’єднані між собою U-подібними елементами. Проектування макета проводилося шляхом формування його скінченноелементних моделей та аналізу їх напружено-деформованого стану за дії максимальних механічних і теплових навантажень при старті і поверненні багаторазового космічного апарата. Випробування проводилися на газодинамічному стенді в високотемпературному газовому потоці в умовах, що моделюють експлуатаційні. При цьому було забезпечено моделювання зовнішнього впливу на елемент дослідження й еквівалентність процесів пошкодження матеріалу в модельних і експлуатаційних умовах. Результати випробувань підтвердили правильність передумов при розробці нового жароміцного сплаву, проектуванні і розрахунку напружено-деформованого стану тришарової теплозахисної конструкції.
Ключові слова: порошковий жароміцний сплав, аеродинамічний нагрів, багаторазові космічні системи, термонапружений стан, теплозахисна конструкція.

МАТОХНЮК Л. Є., БЯЛОНОВИЧ А. В., ГОПКАЛО О. Є., ВОРОБЙОВ Є. В., КАРАУШ Д. П., МАЛИШКО В. І.

Сопротивление усталости алюминиевого сплава 2219 и его сварных соединений (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 58-67.

Наведено результати випробувань на втому зразків алюмінієвого сплаву 2219, вирізаних із плити товщиною 40 мм, при симетричному і віднульовому циклі навантаження, і зварних зразків із листа товщиною 5 мм при віднульовому циклі навантаження. Установлено, що при напруженні, істотно вищому за границю витривалості, характер руйнування зразків багатоосередковий і починається з їх поверхні. При напруженні, близькому до границі витривалості, зародження втомної тріщини в зразках, що зруйнувалися за меншого числа циклів навантаження, відбувається з їх поверхні, при великій довговічності - від осередків під поверхнею. Це пояснює істотний розкид даних по довговічності зразків поблизу границі витривалості. Випробування на втому при віднульовому циклі навантаження показали, що за однакових режимів термообробки значення границі витривалості зразків, виготовлених контактно-стиковим зварюванням, близьке до такого зразків без зварного шва і значно вище зразків зі зварним швом, виконаним аргонодуговим зварюванням. Фрактографічні дослідження руйнування зразків зі зварним швом свідчать, що при обох видах зварювання тріщини втоми поширюються, проходячи через пори в зварному шві або в зоні термічного впливу.
Ключові слова: аргонодугове зварювання, контактно-стикове зварювання, границі міцності, текучості і витривалості, мікроструктура, фрактографія.

МАРУЩАК П. О., КОНОВАЛЕНКО І. В., ЧАУСОВ М. Г.

Вплив попереднього ударно-коливального навантаження на параметри ямок в’язкого відриву та їх конгломератів // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 68-79.

Запропоновано кількісний метод оцінки параметрів ямок в’язкого відриву та їх конгломератів за допомогою аналізу фрактографічних зображень. Метод грунтується на обчисленні поля розподілу коефіцієнта кореляції інтенсивності пікселів сумісних ділянок зображення. Проаналізовано фрактограми зразків сталі 17Г1С-У, отримані з використанням растрового електронного мікроскопа РЕМ-106І. Показано, що для зони великих ямок в’язкого відриву характерні високі значення кореляції яскравості сумісних ділянок. Це свідчить про можливість застосування методу для їх виявлення та аналізу. Установлено взаємозалежність між розрахованими параметрами ямок і фізико-механічними характеристиками матеріалу.
Ключові слова: фрактографічні зображення, ямки відриву, коефіцієнт округлості.

ПИСАРЕНКО Г. Г., МАЙЛО А. М., БЯЛОНОВИЧ А. В., ВОЙНАЛОВИЧ О. В.

Статистичні характеристики мікропластичних деформацій поверхневого шару аустенітної сталі при монотонному і багатоцикловому навантаженні (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 80-89.

Механічний стан поверхневого шару досліджуваного металу контролюється кореляційним зв’язком між енергією променя когерентного джерела світла, відбитого від поверхні металевого полікристала, та амплітудою мікропластичних деформацій пружно-деформованої поверхні, що грунтується на аналізі статистичних характеристик дискретного розподілу яскравості елементів зображення відбитого променя. Установлено закономірності впливу механічного навантаження на статистичні характеристики розподілу дискретних деформацій під час пружного деформування зразків аустенітної сталі. Аналіз послідовності кореляційних характеристик деформаційних дефектів поверхні дозволив виявити лінійну залежність розподілу дискретних властивостей рельєфу деформованої поверхні від коефіцієнта навантаженості. Отримані кореляційні характеристики показують, що зі збільшенням навантаженості знижується амплітуда яскравості елементів зображення спекл-структури за рахунок підвищення середньоквадратичної амплітуди рельєфу деформаційних дефектів поверхні. За результатами досліджень статистичних характеристик деформованої поверхні зразків аустенітної сталі визначено кількісні параметри описової статистики розсіяної пошкодженості. Виявлено закономірності впливу пружно-пластичних деформацій на розподіл дискретних деформацій поверхні. Отримано непараметричну оцінку впливу фактора навантаженості на послідовність розташування в ряду середньоквадратичних значень вибірки кореляційних характеристик пошкодженості за циклічного та статичного навантаження з визначення амплітуди деформацій та тривалості навантаження як чинників пошкоджуваності за пружно-пластичного деформування зразків аустенітної сталі.
Ключові слова: втома, мікропластичні деформації, спекл-структура, деформаційні дефекти.

ПАВЛЕНКО Д. В.

Вплив параметрів пористості на міцність лопаток компресора газотурбінних двигунів з титанових сплавів (рос. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 90-105.

Досліджено вплив параметрів порового простору спечених титанових сплавів на запас міцності лопаток компресора газотурбінного двигуна. Показано, що опір утомі деталей зі спечених сплавів, які синтезовано з порошкових сумішей на основі титанового порошку ПТ5, отриманого методом механічного розмелу титанової губки, необхідно оцінювати з урахуванням особливостей морфології порового простору. Запропоновано й експериментально опробовано підхід до врахування впливу особливостей морфології порового простору на границю витривалості лопаток компресора газотурбінного двигуна на основі аналізу фрактальної розмірності границь пор. Наведено результати експериментальних досліджень границі витривалості зразків із титанових сплавів ВТ1-0, ВТ6 і ВТ8, що мають різну пористість, середній розмір пор і фрактальну розмірність. Виконано моделювання напружено-деформованого стану пера натурних лопаток компресора низького тиску турбовального газотурбінного двигуна. Наведено результати випробувань на утому натурних лопаток компресора. На підставі підходів механіки руйнування запропоновано вдосконалену модель оцінки границі витривалості зразків зі спечених титанових сплавів з урахуванням властивостей твердої фази, розміру та морфології пор, а також загальної пористості. Запропоновано залежність, яка пов’язує запас міцності натурних лопаток компресора з границею витривалості лабораторних зразків, параметрами їх пористості та діючими в процесі експлуатації газотурбінних двигунів навантаженнями. Розраховано запас міцності й імовірність неруйнування лопаток компресора газотурбінного двигуна, виготовлених зі спеченого титанового сплаву з різними величиною і формою пор та пористістю. Установлено їх гранично допустимі значення, за яких забезпечуються запас міцності та імовірність неруйнування лопаток, що задовольняють вимогам нормативної документації. Показано, що для отримання необхідної величини запасу міцності та імовірності неруйнування лопаток необхідно, щоб технологія їх виготовлення передбачала операції, спрямовані на усунення пор у поверхневому шарі.
Ключові слова: титанові сплави, границя витривалості, порошкова металургія, пора, фрактальна розмірність, запас міцності, лопатка, компресор, газотурбінний двигун.

ДАВИДОВСЬКИЙ Л. С., БІСИК С. П., ЧЕПКОВ І. Б., ВАСЬКІВСЬКИЙ М. І., КАТОК О. А., СЛИВІНСЬКИЙ О. А.

Вибір конструкційних параметрів енергопоглинаючого елемента сидіння бойової броньованої машини при вибуховому навантаженні // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 106-115.

Принцип роботи запропонованого варіанта енергопоглинаючого елемента полягає у перетворенні кінетичної енергії, набутої внаслідок підриву, в енергію пластичної деформації матеріалу. Основним показником, що визначає ефективність роботи такого елемента, є величина поглиненої енергії, а його здатність до її дисипації характеризується залежністю сили спрацьовування елемента (навантаження, за якого спрацьовує елемент) від величини переміщення (деформації). Для збільшення величини поглиненої енергії можна варіювати значеннями цих показників, проте робочий хід елемента (переміщення) зазвичай обмежується компонуванням бойової машини і не може бути занадто великим, а збільшення сили спрацьовування призводить до підвищення навантажень на екіпаж. Важливим також е мінімізація прискорення на сидінні при підриві бойової машини до гранично допустимого рівня навантаження організму людини. Пропонується алгоритм вибору параметрів енергопоглинаючого елемента. Це дозволяє за допомогою якісних критеріїв при відомому значенні вибухового навантаження вибрати раціональні параметри (форма і розміри конструкції, її матеріал) енергопоглинаючого елемента, який буде оптимальним при даному навантаженні.
Ключові слова: протимінний захист, вибухове навантаження, енергопоглинаючий елемент сидіння, бойова броньована машина.

ЖАНГ Й. С., РЕН З. Х., КОНГ К. В., ЛАЙ С. К., ЛІЮ Ж. Л., ДУАН Ж. К.

Чисельне моделювання процесу термопластічної течії при зваренні тертям з ультразвуковою вібрацією (англ. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 116-125.

Запропоновано математичну модель зварення тертям з ультразвуковою вібрацією і перемішуванням, яка дозволяє врахувати вплив ультразвукової вібрації на ефективність зварення тертям із перемішуванням алюмінієвих сплавів 6061. Досліджено розподіл температури і характеристики плинності матеріалу при зваренні тертям за наявності і відсутності осьової ультразвукової вібрації. Показано, що така вібрація дозволяє зменшити швидкість тепловиділення і температуру поверхні контакта між обертовим інструментом і заготовкою під час зварення і збільшити швидкість пластичної плинності металу в околі обертового інструмента. За однакових параметрів зварення тертям, якщо частота коливань постійна, а амплітуда збільшується, пікова температура зварення поступово зменшується, а швидкість пластичної плинності зростає.
Ключові слова: осьова ультразвукова вібрація, зварення тертям з перемішуванням, алюмінієвий сплав, розподіл температури, швидкість пластичної течії.

ВАНГ В. Ж., ЛОНГ Кс., ДУ Ч. Й., ФУ Й. Х., ЯО Й., ВУ Й. П.

Модифікація єдиної моделі стану в'язкопластичних припоїв для широкого діапазону швидкості деформації і температури (англ. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 126-136.

Досліджено евтектоїдний припій 65Sn-37Pb, який є типовим в’язкопластичним матеріалом, що широко використовується в аерокосмічній промисловості. Для оцінки механічної надійності електронних пристроїв в екстремальних умовах важливо оцінити поведінку припою. Запропоновано єдину модель пластичності при повзучості з модифікованим законом плинності, яка дозволяє задовільно описати стадії пластичності і зміцнення. Проведено комплексні випробування на одноосьовий розтяг в інтервалі швидкості деформації 10-4...10-2 c-1 і температури —55...125°C. Аналіз експериментальних результатів дозволив виявити основні механізми деформації і руйнування. Установлено, що сила опору збільшується з підвищенням температури, а швидкість росту опору зменшується зі збільшенням швидкості деформації. Показано, що у вузькому діапазоні напружень кут нахилу кривої напруження-деформація залежить від температури. Величина показника зміцнення чутлива до швидкості деформації. При швидкості деформації вище і нижче за 2∙10-4 с-1 вона сягає відповідно 0,52 і 2,72. Діапазони швидкостей деформації і температури відповідають реальним діапазонам циклічної зміни температури, необхідних для оцінки надійності електронних пристроїв. Модифікація уніфікованої моделі повзучості полегшує скінченноелементне моделювання конструкцій в умовах циклічної зміни температури і може бути використана для інших типів в’язкопластичних припоїв у широкому діапазоні швидкостей деформації і температур.
Ключові слова: модель стану, електронна упаковка, швидкість деформації, температура, в'язкопластичний припій.

ЛІАО З., ЛАЙ З. З., КСЮІ Й. Л., ШАО Л. З., ЯНГ Д. П., ТАНГ Д. Г.

Оцінка опору вибуховому навантаженню високоміцної залізобетонної балки (англ. мов.) // Проблеми міцності. − 2019. − № 6. – С. 137-152.

Опір вибуховому навантаженню високоміцної залізобетонної балки оцінюється за допомогою скінченноелементної програми ANSYS/LS-DYNA для аналізу динамічних характеристик опору та інших чинників, які впливають на її поведінку. На основі порівняльного аналізу результатів вибухозахисних випробувань вивчається вплив ступеня міцності арматури, коефіцієнта зміцнення і підсилення на динамічний відклик, режим руйнування, криву опору і пластичність балки за рівномірного вибухового навантаження. Установлено, що її противибухові характеристики можуть бути ефективно поліпшені при підвищенні класу міцності високоміцної арматури. Якщо здатність до зсуву достатньо велика, гранична потужність може бути суттєво збільшена за рахунок збільшення коефіцієнта підсилення. Противибухові характеристики можуть знижуватися через зміну механізмів руйнування, якщо коефіцієнт підсилення збільшується до визначеного ступеня. Збільшення коефіцієнта швидкості навантаження може поліпшити зсувну здатність балки, що гарантує більш повне використання переваги високої згинної здатності. Для балки з достатньо високим опором зсуву подальше збільшення швидкості навантаження мало впливає на динамічний опір при вибуховому навантаженні.
Ключові слова: вибухове навантаження, високоміцна залізобетонна балка, опір вибуховому навантаженню, чисельне моделювання.