CC BY
13
моделирование и эксперимент
УДК 620.179.18:631.3.004.67 С.Г. Тютрин
Курганский государственный университет
к вопросу о научном обеспечении и инструментальном оснащении применения усталостных датчиков из фольги и металлопокрытий
Аннотация. Перечислены основные положения физической мезомеханики. Отмечено, что знание основных принципов физической мезомеханики позволяет лучше понять поведение усталостных датчиков из фольги и металлопокрытий. Предложен способ изготовления качественного портативного микроскопа с увеличением 120х путем модернизации школьного микроскопа советского производства. Работа нацелена на расширение возможностей применения фольги и металлопокрытий в качестве средств мониторинга циклически нагруженных деталей машин.
Ключевые слова: физическая мезомехани-ка, фольга, усталостный датчик, циклические напряжения, измерение.
S.G. Tyutrin
Kurgan State University
revisiting scientific
support and
instrumentation of usage of foil and metal coating fatigue gages
Annotation. The main provisions of physical mesomechanics are listed in the article. It is noted, that the knowledge of basic principles of physical mesomechanics allows us to understand better the behavior of foil and metal coating fatigue gages. The method of manufacturing a high-quality portable microscope with magnification of 120x through upgrading the Soviet-built school microscope is proposed. The paper aims to expand the applicability of foil and metal coating as a means of monitoring cyclically loaded machine parts.
Keywords: physical mesomechanics, foil, fatigue gage, cyclic stresses, measurement.
Применить фольгу и металлические покрытия в качестве датчиков для определения циклических деформаций и напряжений, возникающих на поверхности контролируемой детали, предложено в работах [1; 2]. К настоящему времени многие аспекты данного научного направления исследованы зарубежными [3; 4] и российскими [5-10] авторами. Естественно наличие потребности дальнейшего совершенствования применяемого оборудования с целью повышения как его доступности, так и его эффективности. Кроме того, если существующая феноменологическая модель работы усталостного датчика [8; 9] является вполне достаточной для практического применения, то разработка его математической модели, адекватно описывающей реальное поведение материала датчика (изменение рельефа его поверхности, появление следов дислокаций, микро- и макротрещин и др. эффектов) в процессе циклического деформирования вместе с контролируемой деталью, остается нерешенной задачей фундаментальной науки.
Лучше понять процессы деформации и разрушения материалов (и фольги в частности) позволяет новое научное направление [11-13], активно развиваемое за последние четыре десятилетия учеными Института физики прочности и материаловедения СО РАН, - физическая мезомеханика деформируемого твердого тела.
Дело в том, что «все известные в литературе схемы пластической деформации структурно-неоднородной среды (Закса, Кохендорфера, Бишопа-Хилла, Эшби, Тейлора и др.), несмотря на отличия друг от друга, строятся как различные комбинации кристаллографических сдвигов и рассматривают, таким образом, только трансляционный характер деформации. Это неадекватно действительности и в принципе не позволяет вскрыть природу источников дислокаций, понять закономерности самоорганизации дислокационных ансамблей» [11]. «Структурные уровни деформации относятся к классу мезоскопических масштабов. ...Мезоскопический подход является принципиально новой парадигмой, качественно отличной от методологии механики сплошной среды (ма-кромасштабный подход) и теории дислокаций (микромасштабный подход)» [13].
Используя выходящие за рамки базовой подготовки инженера-механика понятия (изменение во времени градиента компонента тензора дис-торсии; градиент компонента тензора дисторсии, отражающий калибровочное поле; предельная скорость распространения калибровочного поля в структурно-неоднородной среде; градиент компонента тензора изгиба-кручения; алгебра Ли; генераторы группы Ли; источники калибровочных полей, связанные с изменением репера во времени; потоки, обусловленные изменением репера в про-
странстве; компоненты тензора напряженности калибровочного поля; размерный параметр структурных уровней деформации среды; фрактальная размерность и др.), получены решения многих фундаментальных задач, в том числе появление волн пластических сдвигов в материале и его поведение при знакопеременных деформациях [13].
Среди практически важных положений, установленных методами физической мезомеханики, отметим следующие:
1) причиной продольного расслоения деформируемого образца, гофрирования его поверхности, появления в поверхностных слоях микротрещин и фрагментации поверхностных слоев на мезоуровне является возникновение (вследствие наличия на поверхности образца окисной пленки или упрочненного слоя) осциллирующих концентраторов напряжений [11];
2) «ступеньки на поверхности деформированных кристаллов связаны не с выходом дислокаций на поверхность (как это принято считать в литературе), а с их зарождением на поверхности» [12];
3) «повороты отдельных ячеек способствуют эффективной релаксации микроконцентраторов напряжений и связанных с ними моментных напряжений» [11];
4) «процесс разрушения является детерминированным. Он органически связан с действием на нагруженный образец максимальных касательных напряжений со стороны базового концентратора напряжений» [12].
При работе с усталостными датчиками из фольги и металлопокрытий одним из наиболее распространенных способов их контроля является осмотр их поверхности с целью фиксации момента появлений следов дислокаций, их размеров, мест локализации и ориентации. При этом достаточно использовать оптический микроскоп с увеличением порядка 100х (в частности, в лабораторных условиях весьма удобен в применении микроскоп МБС-9). Однако для работы в полевых условиях (при контроле нагруженности деталей машин и элементов металлоконструкций в местах их эксплуатации) желательно иметь легкий и мобильный микроскоп без снижения значений увеличения и разрешения его оптической системы.
Отчасти проблема решается за счет использования удобных и относительно недорогих микроскопов китайского производства, таких как MG-10081-1 (с увеличением 60-100х), MG-10085 (с увеличением 60-100х), JJ-Optics Digital Lab Mobile USB (оптическое увеличение до 27х, общее - до 108х) и Digi Micro Mobile (имеет увеличение 20-200х и дополнительный 4-кратный зум). Однако их паспортные параметры нередко бывают завышенными, освещение и цветопередача не всегда удовлетворительны, четкость наблюдаемого (вследствие изготовления линз из пластмассы) не всегда достаточна.
С целью п олучения удобно го и н едо ро го го СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 12
мобильного микроскопа с увеличением порядка 100х и с высоким качеством оптической системы нами была произведена реконструкция школьного микроскопа советского производства. За основу был взят микроскоп УШМ-1 Феодосийского оптического завода «Опта» (рисунок 1). В комплект данного микроскопа входят 2 сменных ахроматических объектива с увеличением 8х (с апертурой 0,2 и свободным рабочим расстоянием 8,91 мм) и 20х (с апертурой 0,4 и свободным рабочим расстоянием 1,8 мм) и 3 сменных окуляра Гюйгенса с увеличением 7х, 10х и 15х.
Такой и подобные ему (ШМ-1, МУ, МБУ-4) микроскопы, бывшие в употреблении, но в хорошем состоянии, в настоящее время можно приобрести через Интернет по цене 1-2 тыс. руб. В советские годы они выпускались, главным образом, с целью оснащения школьных кабинетов ботаники и биологии для исследования тонких прозрачных образцов в проходящем свете, при этом имели высокое качество изготовления линз из специального оптического стекла.
Рисунок 1 - Микроскоп УШМ-1
В процессе модернизации для получения мобильной версии микроскопа из его базовой конструкции были использованы тубус в сборе и механизм для его движения (кремальера). Остальные части (основание, тубусодержатель, осветительная система) были заменены.
Тубусодержатель одновременно выполняет функцию основания и изготовлен из листовой стали толщиной 1 мм (рисунок 2). Для этого вырезалась заготовка, которой (с целью обеспечения устойчивости конструкции) методом гибки придавалась П-образная форма поперечного сечения. А для освещения контролируемой поверхности предусмотрена закрепленная на гибком держателе подсветка, состоящая из лампы накаливания (3,5 В; 0,26 А), конического отражателя и батареи п и та н и я т и п а 3 R 1 2 напряжением 4 , 5 В .
При использовании микроскопа по назначению его тубусодержатель устанавливается на контролируемую поверхность. При необходимости защитить контролируемую поверхность от механических повреждений она закрывается листом из картона, ватмана, полиэтилена и т.п., в центре которого выполнено отверстие для наблюдения. Фокусировка микроскопа производится как обычно, с помощью кремальеры, состоящей из рейки и зацепляющегося с ней зубчатого колеса (трибки).
С учетом небольшого свободного рабочего расстояния нами используется только объектив с увеличением 8х, что при применении окуляров с увеличением 10х и 15х обеспечивает общее увеличение микроскопа 80х и 120х. Этого вполне достаточно для работы с современными высокочувствительными усталостными датчиками.
Рисунок 2 - Микроскоп после модернизации
Примененная конструкция осветителя позволяет выполнять наблюдения при косом освещении, причем как темнопольные, так и светлопольные.
Изготовленный микроскоп был успешно применен при исследовании микроструктуры фольги.
Список литературы
1 Окубо Х. Определение напряжений гальваническим меднением. М. : Машиностроение, 1968.152 с.
2 Fricke W. G. Fatigue Gages of Aluminum Foil // Proceedings of the American Society for Testing and Materials. V. 62 (1962). P. 268-269.
3 Nagase Y., Yoshizaki T. Fatigue Gage Utilizing Slipinitiation Phenomenon in Electroplated Copper Foil // Experimental Mechanics. Vol. 33. No. 1. March, 1993. P. 49-54.
4 Kitaoka S, Ono Y. Cyclic biaxial stress measurement by electrodeposited copper foil with circular holes // Strain. Vol. 42 (Issue 1). 2006. P. 49-56.
5 Троценко Д. А. Разработка метода количественной оценки накопления усталостных повреждений в сварных соединениях с помощью гальванодатчиков : дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1986. 213 с.
6 Сызранцев В. Н, Голофаст С. Л. . Сызранцева К. В. Диагностика нагруженности и ресурса деталей транс-
миссий и несущих систем машин по показаниям датчиков деформаций интегрального типа. Новосибирск : Наука, 2004. 188 с.
7 Троценко Д. А., Давыдов А.К., Зайцев А.Н. и др. Экспериментально-расчетный метод прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов с использованием металлических пленок // Безопасность труда в промышленности. 2006. №1.
С. 25-27.
8 Тютрин С. Г. Техническая диагностика металлическими покрытиями : монография. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2007. 144 с.
9 Тютрин С. Г. Применение металлических покрытий для управления надежностью машин: технологические рекомендации. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2011. 86 с.
10 Панин С. В., Любутин П.С., Бурков М.В. и др. Исследование различных критериев оценки серии оптических изображений в методе датчика деформации интегрального типа //Вычислительные технологии. 2014.
Т. 19. №3. С. 103-118.
11 Панин В. Е. Основы физической мезомеханики // Физич. мезомеханика. 1998. Т. 1. С. 5-22.
12 Панин В. Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физич. мезомеханика. 2000. Т. 3. №6.
С. 5-36.
13 Панин В. Е., Гриняев Ю. В. Физическая мезомеханика -новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физич. мезомеханика.2003. Т. 6. №4. С. 9-36.
УУДК 621.313.292 В.В. Фалев
Курганский государственный университет
моделирование магнитного поля вентильно-индукторного двигателя
Аннотация. Статья касается метода моделирования магнитного поля вентильно-индук-торного двигателя методом конечных элементов. Приведены данные о методике расчета магнитного поля с использованием специального программного обеспечения. Рассмотрены картины силовых линий магнитного поля.
Ключевые слова: вентильно-индукторный двигатель, метод конечных элементов, плоскопараллельное магнитное поле.
V.V. Falev
Kurgan State University
modelling of switched reluctance motor magnetic field
Annotation. The paper deals with finite-elements method modeling of switched reluctance motor magnetic field. We report the data set with describing the method for computing magnetic field using special software. The magnetic field patterns were considered.
