CC BY
9Математические методы моделирования, управления и анализа данных
УДК 621.762.4; 531.781.2; 517.443
А. А. Ноздрин
Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук, Россия, Екатеринбург
МЕТОД ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕССОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОРОШКОВ
Представлен метод исследования одноосного магнитно-импульсного сжатия наноразмерных порошков. Метод позволяет определять текущую плотность порошка посредством численного решения задачи с измерением импульса прессующего давления, известных характеристик пресс-инструмента и магнитной импульсной системы.
Наноструктурные материалы находят широкое применение при изготовлении износостойкого инструмента, теплонагруженных деталей газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Одним из основных путей получения качественных изделий с нано-размерной структурой является магнитно-импульсное прессование. Получаемая таким методом высокая плотность прессовок положительно сказывается на сохранении наноструктуры материала при проведении следующих после прессования процедур спекания.
Разработанный и созданный нами одноосный магнитно-импульсный пресс, а также методы анализа динамического сжатия наноразмерных порошков позволяют получать готовые изделия с наноразмерной структурой и проводить исследования процесса прессования порошков, а также изучать поведение порошковых сред разных типов в широком диапазоне внешних воздействий. Генерирование силы в прессе (рис. 1) происходит за счет ускорения массивного проводника (концентратора 2) под действием импульсного магнитного поля, создаваемого плоским спиральным индуктором 1 в зазоре концентратор-индуктор. Развиваемая прессом сила достигает 1500 кН, ток в индукторе - 60 кА, магнитное поле индуктора - 15 Т. Длительность прессующей силы составляет 1 мс. Нагрев прессуемого образца доходит до 500 °С.
Рис. 1. Принципиальная схема одноосного магнитно-импульсного прессования: 1 - плоский спиральный индуктор; 2 - концентратор; 3 - пуансон; 4 - порошок; 5 - матрица
Импульсное давление в порошке возникает в результате торможения пресс-инструмента. При этом форма импульса определяется тремя факторами: ускоряющей силой, упругими свойствами пресс-инструмента и сжимаемостью порошка. Метод гармонического анализа позволяет рассчитать текущую плотность порошка у(/) [1], исходя из измеренного экспериментально импульса прессующего давления Р(р) [2], известных из калибровки упругих свойств пресс-инструмента и ускоряющей магнитной силы
ло.
Для процесса импульсного сжатия нанопорошка М£А12Оу (получен в Институте электрофизики УрО РАН в лаборатории импульсных процессов методом электровзрыва проволоки: размер частиц - 18 нм, размер гранул - 25,8 нм, удельная поверхность -69 м2/г) на рис. 2 представлены характерные временные зависимости прессующего давления Р, скорости сближения пуансонов V и плотности порошка у. Видно, что уплотнение порошка завершается вблизи максимума импульса давления, и разгрузка происходит практически при неизменной плотности.
2.5 г 15
0.50
Рц
0.5
0
0
200
800
0.00 1000
400 600
I, мкс
Рис. 2. Характеристики одноосного динамического сжатия нанопорошка MgAl2Oy в одном процессе сжатия: Р - прессующее давление; V- скорость сближения верхней и нижней границ порошка; у - плотность порошка
Создание датчика перемещения способствовало разработке метода прямого измерения адиабат сжатия наноразмерных порошков. Основная идея: датчик перемещения измеряет текущие скорости перемещения границ образца, что позволяет получить данные о скорости сближения границ порошкового образца V(t) и плотности уф непосредственно из эксперимента.
0.75
2.0
10
1.5
5
0.25
1.0
Фешетневские чтения
Таким образом, мы можем, зная текущие плотность и давление, параметрически задать динамическую адиабату сжатия порошка у(Р). Для сравнения корректности результатов были проведены эксперименты по получению адиабат сжатия (рис. 3).
60 50 ^ 40 30 20
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25
Р.ГПа
Рис. 3. Адиабаты сжатия наноразмерных порошков, полученные различными методами:
- - адиабата получена методом гармонического анализа;
- - адиабата получена методом прямого измерения
Эксперименты были проведены при одинаковых начальных условиях. Сравнивая положения кривых адиабат для каждого значения заряда емкостного накопителя при разных методах анализа, можно видеть их совпадение в пределах погрешностей методов.
Библиографические ссылки
1. Иванов В. В., Ноздрин А. А. Метод определения динамических адиабат сжатия порошков // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, № 13. С. 76-80.
2. Ноздрин А. А., Иванов В. В., Вихрев А. Н. Датчик для измерения силы в магнитно-импульсном прессе // Приборы и техника эксперимента. 1997. № 2. С.126-130.
A. A. Nozdrin
Institute of Electrophysics, Russian Academy of Science, Ural Branch, Russia, Ekaterinburg
A METHOD OF NANOSIZED POWDERS MAGNETIC-PULSED COMPACTION HARMONICAL ANALYSIS
A method of analysis of unaxial magnetic-pulse compaction of nanopowders is presented. This method allows to define the current density of powder by means of the numerical calculation with measurement of impulse of pressing pressure and using known features ofpress device and magnetic-pulse system.
© A A, 2011
УДК 539.3
И. П. Олегин, Н. А. Коваленко Новосибирский государственный технический университет, Россия, Новосибирск
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ КОМПОЗИТОВ
Данная работа посвящена оценке достоверности наиболее известных в научной литературе приближенных формул, используемых в расчетной инженерной практике при определении эффективных характеристик жесткости композита, а также определению диапазона применения этих формул в зависимости от свойств составляющих компонентов композита. Объектом исследования является композитный материал с квадратной и гексагональной схемой армирования.
В представленной работе используется методика определения механических характеристик жесткости однонаправленных композитов, описанная в работе [1]. Методика основана на решении граничной задачи теории упругости с кинематическими граничными условиями на границе представительного (характерного) элемента. Пользуясь этой методикой для различных сочетаний модулей упругости и коэффициентов Пуассона армирующего волокна и связующего, были непосредственно определены модуль упругости в направлении волокна, модуль упругости в направ-
лении, перпендикулярном распространению волокна, а также коэффициенты Пуассона рассматриваемых композиций. Данная методика позволяет также определять и эффективные модули сдвига для рассмотренного диапазона свойств таких материалов. Проведено большое количество численных экспериментов, реализованных в программном конечно-элементном комплексе А№У8.
Объектом исследования являются однонаправле-но-армированные композиционные материалы двух
