Том 13, № 5-4 (2014): Специальный выпуск

В статье изложены результаты определения собственных частот конструкции прожектора электровоза серии ВЛ с помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. Для анализа виброустойчивости конструкции была разработана твёрдотельная модель прожектора, имеющая физико-технические параметры составляющих конструкции и геометрические размеры реального прожектора. В качестве источника света лобового фонаря использовались лампа накаливания и светодиоды. Для светодиода сконструирован патрон из керамического материала, предотвращающего тепловые деформации подложки. Количество светодиодов было выбрано, исходя из светотехнических требований к осветительным приборам на Российской железной дороге. Анализ твёрдотельных моделей прожектора, использующего в качестве источника света лампу накаливания и светодиоды, показал, что конструкция прожектора со светодиодами имеет вес на 900 граммов больший, чем прожектор с лампой накаливания. Полученные величины собственных частот были сопоставлены с частотами периодических вибраций, которые испытывает железнодорожный подвижной состав. Для частот вибраций, возможных на железнодорожных локомотивах, были определены деформации двух конструкций прожектора, которые показали, что недостатки присущи обеим конструкциям. При использовании в качестве источника света лампы накаливания собственные частоты конструкции способствуют разрушению колбы лампы, как на верхних, так и на низких частотах, присущих спектру вибраций локомотива. В случае использования светодиодов в прожекторе характер деформаций конструкции указывает на необходимость уменьшения массы её компонентов при сохранении необходимой жёсткости. Проведённый анализ позволил выявить направления развития конструкции прожектора, обеспечивающие повышение виброустойчивости прожектора со светодиодным источником света: применение рёбер жёсткости и облегчающих пазов.

Изучена возможность использования образцов-свидетелей, обрабатываемых одновременно с деталями, для оценки влияния гидродробеструйной обработки на предел выносливости деталей с концентраторами напряжений на примере цилиндрических образцов с отверстием из стали 40Х с круговым надрезом полукруглого профиля радиуса 0,3 мм. Исследование показало, что расхождение между расчётными и экспериментальными значениями остаточных напряжений в гладких образцах не превышает 8%, в образцах с надрезом – 6%. При оценке влияния гидродробеструйной обработки на предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла полых цилиндрических образцов из стали 40Х с надрезом радиуса 0,3 мм установлено, что использование рассчитанного по первоначальным деформациям образца-свидетеля распределения остаточных напряжений позволяет прогнозировать приращение предела выносливости образцов в условиях концентрации напряжений с точностью до 8%. Показано, что при прогнозировании приращения предела выносливости упрочнённых гидродробеструйной обработкой образцов из стали 40Х с концентраторами напряжений целесообразно использовать критерий среднеинтегральных остаточных напряжений, вычисленный по толщине поверхностного слоя опасного сечения, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости.

Рассматриваются два метода моделирования пористого материала. На первом этапе расчётным путём получены расходные характеристики и, соответственно, вязкостные и инерционные коэффициенты для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц. На основании этих данных выполнена оценка соответствия расходных характеристик для моделей пористых материалов, состоящей из сферических частиц произвольной засыпки и точно такой же по геометрическим размерам модели течения в соответствии с законом Дарси. Полученные данные были использованы для оценки диссипации энергии вследствие вязкостного трения при течении среды через пористое тело. В результате работы были сделаны следующие выводы. Во-первых, при отсутствии сведений о вязкостном и инерционном коэффициентах, определяющих расходную характеристику, данные коэффициенты с достаточной точностью можно получить расчётным путём в среде Ansys CFX для периодического фрагмента пористого тела. Во-вторых, наблюдается удовлетворительное согласование расходных характеристик для пористости γ ≥ 0,1601, полученных в среде Ansys CFX для периодических фрагментов пористых тел и модели течения в соответствии с законом Дарси.

В статье рассмотрены геометрические характеристики и особенности технологии изготовления конструктивных элементов сварных, клеёных и паяных сотовых панелей, используемых в звукопоглощающих конструкциях каналов воздухозаборников и кожухах двигателей. Рассмотрены преимущества и недостатки различных методов получения перфорации: метода сверления, электроэрозионного метода, перфорирования обшивок на дыропробивном прессе. Проанализированы преимущества и недостатки каждого метода. В работе представлена методика и получены зависимости для определения размеров заготовки и границ зон перфорации, а также схема технологического процесса формообразования перфорированных обшивок. При этом управляющая программа обтяжки разрабатывается с учётом геометрии пуансона, кинематики пресса, механических характеристик заготовки и математической модели процесса формообразования. Данная методика позволяет значительно уменьшить количество браковочных признаков процесса. Одной из важнейших проблем формообразования обшивок методом обтяжки является неравномерное распределение деформаций по поверхности заготовки. Для решения этой проблемы предложен способ снижения неравномерности деформаций по контуру заготовки при обтяжке обшивок за счёт специальных вставок, устанавливаемых на прессе.

Экспериментальные исследования показывают, что основные детали – валы и диски газотурбинных двигателей, работающие в условиях малоцикловой усталости и длительной прочности, имеют долговечность, значительно превышающую ресурс, определяемый расчётным путём на основе гипотезы линейного суммирования повреждений. Следовательно, требуется уточнение расчётных методик, позволяющее полнее использовать резервы прочности деталей. В данной работе проведены исследования влияния на долговечность увеличения длительности отнулевого цикла нагружения образцов с периодом Т=200 с и выдержкой на максимальном и минимальном уровнях: Dtmax=120 c и Dtmin=60 c. Исследования проводили на стандартных круглых образцах с диаметром рабочего участка 7,5 мм. Показано, что при остановке нагружения в материале протекают релаксационные процессы, сопровождающиеся ростом пластических деформаций и деформационным циклическим упрочнением. При этом установлено, что гипотеза о линейном суммировании статической и циклической составляющих повреждений в условиях малоцикловой усталости и длительной прочности не подтверждается. Увеличение в цикле напряжений длительности выдержки под нагрузкой до Dtmax=20 c и более приводит к значительному росту – до 94 % статической составляющей повреждения. Результаты исследований, полученные при циклическом и повторно-статическом нагружениях, позволили подтвердить и обосновать существование неизвестного ранее «Эффекта циклического упрочнения» материалов, обусловленного длительностью действия максимальных нагрузок в цикле нагружения.

Рассмотрена возможность повышения эффективного коэффициента полезного действия (КПД) сложного цикла газотурбинной установки (ГТУ) с промежуточным подогревом при условии равенства эффективных КПД простого и сложного циклов, уменьшении степени подогрева во второй ступени по сравнению с первой и степени повышения давления, оптимальной по эффективному КПД (экономической) для простого цикла. Экономическая степень повышения давления найдена в функции от степени подогрева во второй ступени, так как это обеспечивает наибольшее увеличение работы сложного цикла по сравнению с работой простого цикла. Эффективный КПД сложного цикла с отбором воздуха на охлаждение межтурбинной камеры сгорания найден как сумма эффективного КПД простого регенеративного цикла для части воздуха, отбираемой на охлаждение, и эффективного КПД сложного цикла с промежуточным подогревом для оставшейся части воздуха. Установлено, что эффективный КПД сложного цикла с отбором воздуха на охлаждение межтурбинной камеры сгорания и его регенеративным подогревом выше эффективного КПД аналогичного сложного цикла без отбора воздуха и достигает максимума, также как и работа этого цикла, при экономической степени повышения давления для простого цикла.

Представлены результаты численных и экспериментальных исследований теплообмена закрученных потоков в циклонных каналах и вихревых трубах с использованием в качестве рабочей среды воздуха и перегретого водяного пара. Проведены исследования зависимости результатов от числа элементов расчётной области и от шага по времени. На основе экспериментальных данных проведено сравнение работы неадиабатной вихревой трубы на воздухе и водяном паре. Проведены численные исследования сопряжённого теплообмена сопловой лопатки турбины с двумя встроенными вихревыми энергоразделителями с перегретым водяным паром в качестве охладителя. Приведены расходная характеристика лопатки, зависимость эффективности охлаждения от расхода охладителя и получено распределение температуры в материале лопатки.

В статье представлены результаты работ по созданию камеры ракетного двигателя малой тяги на перспективном кислородно-водородном топливе. Создан экспериментальный образец, основными элементами которого являются корпус камеры, заимствованный с серийного двигателя, и вновь разработанная смесительная головка, включающая в себя свечу зажигания, топливные форсунки, топливные коллекторы, штуцеры подвода компонентов топлива, штуцеры отбора давления. Воспламенение топливной смеси при запуске камеры осуществляется электроплазменным способом. Проведены огневые испытания изготовленной камеры в земных условиях на экспериментальной установке, позволяющей замерять тягу, давления в камере сгорания и топливных коллекторах, определять расходы компонентов топлива. Результаты испытаний, представленные в виде значений тяги, удельного импульса, коэффициента удельного импульса при различных суммарных расходах топлива и соотношениях компонентов (различных коэффициентах избытка окислителя), позволяют сделать вывод о достижении приемлемых энергетических характеристик. В процессе испытаний подтверждён надёжный запуск камеры в широком диапазоне изменения коэффициента избытка окислителя и подтверждена работоспособность двигателя при длительной огневой работе.

Результатом настоящей работы является создание камеры ракетного двигателя малой тяги (РДМТ) на перспективном кислородно-водородном топливе. В процессе проектирования использовалась система ANSYS CFX, в которой была реализована математическая модель течения многокомпонентного гомогенного рабочего тела с учётом смесеобразования и горения. Расчёты выполнялись на суперкомпьютере «Торнадо» Южно-Уральского государственного университета. Результаты моделирования исходного варианта камеры выявили её неработоспособность из-за высоких температур в области элементов конструкции (наружное охлаждение не предусматривалось), в связи с чем было принято решение эту камеру не изготавливать. В процессе дальнейших расчётно-теоретических исследований конструкция камеры видоизменялась до тех пор, пока не удалось достичь высокой полноты сгорания с наличием вблизи элементов конструкции зон с температурами, не превышающими предельно допустимую температуру эксплуатации материала. Изготовленная камера прошла огневые испытания, которые подтвердили её работоспособность при длительных включениях и показали приемлемые энергетические характеристики. Получено удовлетворительное согласование экспериментальных данных с результатами моделирования. Использование численного моделирования позволило исключить традиционный при создании новых РДМТ длительный и дорогостоящий этап сравнительных испытаний.

Существующие технологии охлаждения цилиндрических алюминиевых слитков не обеспечивают одинаковую скорость снижения температуры во всех частях слитков. Наиболее целесообразно использовать для охлаждения слитков специальные камеры. Существующие методы расчёта и режимы охлаждения, которые учитывают геометрические характеристики садки и камеры охлаждения и обеспечивали бы одинаковую скорость охлаждения во всех частях слитков, отсутствуют. Поэтому был рассмотрен вопрос математического моделирования процесса охлаждения алюминиевых слитков на основе регулируемого конвективного теплообмена. При разработке математической модели были сформулированы допущения, математическая и физическая постановка задачи. Математическая модель включила в себя расчётную схему теплообмена в системе алюминиевые слитки – охлаждающий воздух, систему дифференциальных уравнений, начальные и граничные условия. Полученная математическую модель позволила провести аналитическое исследование процесса охлаждения с постоянными и переменными режимными и конструктивными факторами, такими как скорость охлаждающего воздуха, диаметр слитков и высота канала между слитками. Аналитическое исследование позволило сформулировать алгоритм, обеспечивающий номинальную скорость охлаждения каждого слитка в горизонтальном ряду путём регулируемого конвективного охлаждения. Для доказательства достоверности аналитической модели было выполнено экспериментальное исследование. Расхождение между полученными экспериментальными данными и аналитическими значениями составило в среднем 34%.

В статье представлен апробированный аналитический аппарат для определения сложного напряжённого состояния в материале линейной части магистрального газопровода с коррозионным растрескиванием под напряжением в виде колонии трещин. Определены критические напряжения и получена аналитическая зависимость для расчёта допустимого внутреннего давления для повреждённого трубопровода, не удовлетворяющего условиям прочности. Приведённая расчётная модель напряжённого состояния отличается от своих аналогов тем, что не ограничивается стандартными приёмами, основанными только лишь на ослаблении сечения, а учитывает концентрацию напряжений в зоне с поверхностным дефектом, что положительно сказывается на точности определяемых параметров. Введённые дополнительные условия при выборе допускаемых напряжений обеспечивают корректность прочностного расчёта, особенно в тех случаях, когда в стенке трубопровода имеются коррозионные трещины с относительно большой глубиной. Помимо этого, в представленном способе имеется возможность учесть влияние термической составляющей на сложное напряжённое состояние. Изложенный теоретический аппарат нашёл подтверждение при конечно-элементном моделировании в программной среде Ansys Mechanical. Результатами практической реализации данной работы являются приведённые рекомендации по оценке технического состояния труб с трещиноподобными дефектами различной природы, а также определение величины максимального разрешённого рабочего давления, удовлетворяющего условиям прочности при эксплуатации магистрального газопровода, подверженного коррозионному растрескиванию под напряжением.

В статье рассмотрена методика расчёта характеристик тонкостенных фильтрующих элементов (ФЭ) втулочного типа, определяемых структурными свойствами материала МР. Существующие результаты исследований структурных, фильтровальных, расходных и гидродинамических характеристик проволочных материалов, ресурса их работы имеют разрозненный характер и не связаны расчётом в аналитически замкнутом виде с конструктивно-технологическими параметрами фильтрующих элементов из материала МР. Решены задачи создания методики расчёта фильтрующих элементов из МР с заданными фильтровальными и гидродинамическими характеристиками с учётом ограничений по выбору геометрических размеров и длительности эксплуатации фильтра в целом. Приведены решения задач по определению структурных и гидродинамических характеристик МР. Определена возможность создания фильтрующего элемента, исходя из обеспечения заданной его расходной характеристики и ресурса работы. Предложен алгоритм расчёта основных характеристик фильтрующих элементов. Алгоритм включает решение системы уравнений, а также совместное с ним применение рекомендаций по выбору параметров структуры МР и геометрии фильтрующих элементов с целью обеспечения их заданных фильтрующих и гидродинамических характеристик. Это позволяет согласовать рациональные параметры структуры материала МР с геометрическими, фильтровальными и гидродинамическими характеристиками фильтрующих элементов. Такой обобщённый подход к расчёту расходных характеристик обеспечивает возможность учитывать и ресурс работы фильтрующего элемента. Полученные результаты могут быть использованы в практике создания высокоэффективных фильтров на основе тонкостенных конструкций рациональных фильтрующих элементов втулочного типа из нетканого проволочного материала МР.

В статье представлен анализ проектно-конструкторских работ, выполненных при проектировании жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) 11Д58МФ, разрабатываемого ОАО «РКК «Энергия» для разгонного блока (РБ) типа ДМ. Разрабатываемый ЖРД обладает рядом особенностей, требующих нестандартных подходов к его проектированию. В состав двигателя включены опытная камера сгорания, система управления с функциями диагностики и аварийной защиты, блоки подачи окислителя и горючего с элементами баковых устройств, обеспечивающих гарантированный забор компонентов топлива при многократных его включениях, блоки двигателей малой тяги, работающие на газообразном кислороде и обеспечивающие предстартовый импульс разгонного блока и ориентацию РБ в полёте. Охлаждение камеры осуществляется жидким кислородом без использования внутреннего завесного охлаждения, сопло камеры выполняется с неохлаждаемым насадком с высокой степенью расширения. Эффективность организации рабочего процесса в камере сгорания обеспечивается щелевой смесительной головкой, в которой использована схема смешения компонентов топлива: струя горючего в сносящем потоке окислителя. Основные проектно-конструкторские решения по камере сгорания: использование щелевой смесительной головки двигателя, выполнение геометрии тракта охлаждения с переменными высотой, толщиной и углом наклона ребра к оси камеры, технология изготовления, сборки и пайки смесительной головки и камеры сгорания прошли экспериментальную апробацию. В процессе проектирования ЖРД был определён состав агрегатов пневмогидроавтоматики, блока двигателей малой тяги, автономной системы управления двигателем, подход к выбору которых носит универсальный характер и может быть использован при разработке аналогичных двигателей.