XXIII Международная Инновационно-ориентированная конференция молодых

289 Pages·2011·7.6 MB·English

Российская Академия Наук
Институт машиноведения им.А.А.Благонравова

XXIII Международная
Инновационно-ориентированная
конференция молодых
учѐных и студентов

МИКМУС-2011

14-17 декабря 2011

Москва
Russian Academy of Sciences
Institute of Machines Science named by A.A. Blagonravov

ХХIII International Innovation Conference
of Young Scientists and Students

IICYSS-2011

УДК 62

XXIII Международная инновационно-ориентированная
конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2011):
материалы конференции (Москва, 14-17 декабря 2011 г.). / М:
Изд-во ИМАШ РАН, 2011. – 289 с.

В сборнике представлены материалы Международной
инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и
студентов (МИКМУС- 2011), содержание которых
соответствует приоритетным направлениям развития
машиноведения – науки о машинах:
- транспортные авиационные и космические системы,
- индустрия наноситем и материалы,
- энергетика и энергосбережение
Интересы молодых ученых, отраженные в статьях, связаны с
проблемами техногенной безопасности; конструкционным
материаловедением; нелинейной волновой механикой; трибологией
и поверхностной обработкой; механикой машин и управлением
машинами; биомеханикой и медицинскими технологиями;
вычислительными моделями технологических процессов и
информационными технологиями; вибрационными процессами и
системами, вибрационной диагностикой; энергетикой и
транспортом.
Сборник отражает современные научно-технические тенденции и
представляет интерес для научных работников, инженеров,
аспирантов и студентов, специализирующихся в широкой области
технических наук, а также представителей промышленного
комплекса.

©ИМАШ РАН, 2011
Hi, youngs! Dear collegues!
«Проросшие на асфальте» - так можно было бы неформально озаглавить
этот сборник.
Удивительное дело. Несмотря на все усилия отечественных и
зарубежных разрушителей российской Науки, активность научной молодѐжи
не ослабевает. Напротив – растѐт. Что видно наглядно по возрастающему
числу заявок и докладов на нашу конференцию:

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
95 135 212 153 313 329 186 240 224 310

У ученых трудности не только в финансировании, не только сверху:
разрыв в возрасте max 70-25, min 60-30 лет, требует других требований
(каламбур-с) к маститым ученым. Каждый должен оставить после себя книгу и
ученика (написать и подготовить). Кроме нас это сделать некому. За нами
разрыв – в поколение. Собственно, на это и рассчитывали уничтожители СССР
– России. Восстановить такой разрыв почти невозможно. Как если бы
запретить женщинам рожать всего на 30 лет, а потом – пожалуйста, но некому.
И народ исчез или (как в нашем случае) вернулся на 100 лет назад в
содружество африканских государств с населением в ярких нейлоновых
рубахах с кольцами в носу...
« Пошутили – и будет,
Страна, извиваясь, зависла.
Эти новые люди –
Ведь им начинать с коромысла.
Накатила волна новых судеб,
Религий, народов,
Но ведь жизнь как война –
На ней не прощают уродов...»
Именно в связи с такими массовыми пессимистическими прогнозами и
ощущениями, особенно отрадно видеть особый механизм самозащиты Страны
– рост активности молодѐжи. Это как в 41 году. Когда благодаря «мудрому»
руководству армия была разбита, пленена, немец – под Москвой. Но встали
мальчишки 21 года рождения. Все погибли, но защитили – и теперь мы все
имеем единственный праздник – день Победы Народа над фашизмом.
Будем надеяться, что в нашей конференции, как в капле воды, отразится
особое свойство молодѐжи: брать на себя ответственность в трудное для
Страны время и вытаскивать из болота научного бегемота, несмотря на
пристальную «помощь» ненасытных властолюбцев.
Добро пожаловать и удачи!
Welcome! Good luck!
Merry Christmas! Happy New Year!

А.Н.Полилов
Пленарные доклады
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
LASER TECHNOLOGIES APPLICATION IN THE AEROSPACE INDUSTRY
В.П.Бирюков – к.т.н., с.н.с.
Институт машиноведения им.А.А.Благонравова РАН

Abstract. In this paper presented five-way laser systems for exact materials cutting and burrs
removal. There also represented equipment for alumina fibers production with laser heating. It
has been demonstrated thief using of fiber lasers increases the performances of thin-sheet cutting
as compared with gas lasers. Sapphire fibers (100…200 µm in diameter) can be used in new
composite materials with unique properties.

В настоящее время выпускается широкая гамма лазерного технологического
оборудования для размерной обработки деталей из плоских листовых заготовок.
Лазерный технологический комплекс для размерной обработки деталей сложной
пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов (модель
ЛТК-3D), разработан в ОАО НИАТ. Наибольшие прямолинейные перемещения, мм
(траверсы, координата Х-5000), (каретки, координата У-2500), (ползуна, координата Z-
800). Максимальные скорости прямолинейных перемещений, м/мин (по координатам Х,
У-100), (по координате Z-30). Максимальные скорости угловых перемещений, град/с (по
координатам А, С-120). Комплекс оснащен волоконным лазером мощностью 3 кВт
производства НТО «Ирэ-Полюс». Точность воспроизведения контура - 0,05 мм. Комплекс
может использоваться для лазерной резки деталей различного класса, в т.ч. ресурсных для
авиакосмической промышленности, из полимерных композиционных материалов
(углепластика, органопластика), а также из других материалов (стали, алюминиевых и
титановых сплавов) как для обрезки по внешнему контуру, так и для вырезки внутренних
отверстий. Максимальная толщина обрабатываемых деталей из углепластика — 4 мм, из
органопластика — 8 мм. Габаритные размеры комплекса 8000х5000х2500 мм.
Для резания механически труднообрабатываемых сплавов на основе Ni, Ti, Fe во
ФГУП «САЛЮТ» внедрен универсальный роботизированный комплекс лазерной
обработки, изготовленный на предприятии, на основе волоконного лазера JPG и
промышленного технологического робота ABB. Экспериментальные исследования по
лазерной резке применяемых в производстве материалов выполняли с использованием
излучения волоконного лазера модели YLS-1000. В качестве образцов служили листовые
заготовки из жаропрочных хромоникелевых сплавов ЭП708 и ЭП718, титанового сплава
ВТ20 и коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т. Обработку проводили с подачей в зону
реза струи инертного газа аргона. Исходное состояние образцов соответствовало
состоянию поставки, толщина листа от 0,8 до 3,0 мм. Оптимальные скорости лазерной
резки представлены в таблице.

Материал ЭП708 ЭП718 ВТ20 12Х18Н9Т
Толщина, мм 0,8 3,0 0,8 3,0 1,2 2,0 1,8
Скорость, мм/с 50 7,0 50 7,0 30 25 20

Рабочие лопатки авиационного двигателя ФГУП «САЛЮТ» относятся к особо
ответственным элементам конструкции, При изготовлении керамических стержней для
отливки лопаток на отдельных их элементах (по линии разъема пресс-формы) остается
облой, который необходимо удалить. Пяти координатный лазерный станок для финишной
доводки керамических стержней не только обрабатывает стержни, но и производит
бесконтактный контроль геометрии и размеров элементов стержней с целью повышения
качества и надежности охлаждаемых рабочих лопаток различных изделий. Использование
вентильных двигателей, цифровых приводов и высокоточной механики, позволило
5
добиться точности позиционирования: 1 мкм при максимальной скорости перемещения до
50 мм/сек. Лазерный станок оснащен современным лазером с выходной мощностью до
150 Вт, и изменяемой формой выходного импульса.
В ИМАШ РАН разработан и изготовлен опытный образец оборудования для
выращивания монокристаллических волокон (МКВ) оксида алюминия с использованием
лазерного нагрева питателя и контроля процесса выращивания. Из-за своих физических
свойств и волнопроводящей способности МКВ применимы в широком круге оптических
приборов. Например, такие волокна могут быть использованы в лазерах или в качестве
датчиков в оборудовании, подверженном высоким температурам или коррозии, где
традиционные сенсорные волокна не работают. В медицинской области они могут быть
использованы в качестве проводников для передачи излучения к микрозонам. Сапфировое
кристалличекое волокно (Al O ) весьма полезно в этой области благодаря однородности
2 3
физических свойств. Особенно ценно то, что оно имеет высокую температуру плавления,
практически нерастворимо в воде, способно передавать излучение волн широкого
диапазона 300…4000 нанометров и имеет высокое сопротивление любым химическим
воздействиям. Известна установка для выращивания сапфировых волокон в
Стэндфордском Университете. Она включает трансформацию первичного
генерированного лазерного луча, имеющего обычный гауссовский профиль
распределения интенсивности излучения по поперечному сечению, в лазерный луч с
кольцевым профилем распределения интенсивности. Этот лазерный луч фокусируют на
кончике твердого питающего материала, получая расплавленный питающий материал.
Затравка подается в этот расплавленный питающий материал и вступает с ним в контакт.
Когда затравка соединится с расплавленным питающим материалом, ее удаляют из
расплава так, что расплавленный материал вытягивается в виде кристаллического
волокна. Производство кристаллических волокон на этой установке осуществляется на
воздухе при обычном атмосферном давлении [1,2]. Для повышения качества сапфировых
волокон в разработанном нами оборудовании выращивание МКВ производится в
вакуумной камере в среде инертного газа, гелия. Диаметр питателя может составлять
300…800 мкм, а получаемое сапфировое волокно 100…200 мкм.
Волокна применяются при изготовлении композиционных материалов. Прочность
композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в
основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами.
Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем
прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают
напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и
жесткость в направлении ориентации волокон. Применение волокон оксидов алюминия и
других позволит выйти на новый уровень физико-механических свойств композиционных
материалов. Предел прочности волокон оксида алюминия не изменяется до температуры
1600 0С. Применение композиционных материалов обеспечивает новый, качественный
скачек в увеличение мощности двигателей, энергетических и транспортных установок,
уменьшении массы машин и приборов.

Литература
1. Jundt D.N., Fejer M.M., Byer R.L. Characterization of Crystal fibers for Optical Power
Delivery Systems// Applied Physics Department, University, Stanford, California 94305
(Received 11 Aug. 1989; accepted for publication 18 Sep. 1989).
2. Jundt D.N. et al. Characterization of single-crystal sapphire fibers for optical power
delivery systems//Appl. Phys. Lett. 55(21) 20 Nov. 1989.

6
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА КОМПОЗИТОВ

TECHNOLOGICAL MECHANICS OF COMPOSITE

С.Т.Милейко – д.т.н., проф.
Институт физики твѐрдого тела РАН, г. Черноголовка Московской обл.

Abstract. The technological mechanics of metal-matrix composite materials for high-
temperature application is developed for composite structure optimization.

Зарождение научного направления Технологическая механика композитов
относится к началу 70-х годов прошлого века, когда возникла потребность построения
структур композитных материалов и конструкций из разнообразных компонентов, уже
разработанных и подлежащих разработке. В настоящее время это направление можно
считать развивающимся разделом механики деформируемого твердого тела.
В докладе кратко обсуждаются некоторые задачи технологической механики
применительно к композитам с металлической и керамической матрицами:
1. Прочность при растяжении и сжатии, трещиностойкость композитов типа
«хрупкое волокно – металл». Выход на технологию получения бороалюминиевых
элементов конструкций.
2. Ползучесть композитов вида «хрупкое волокно – металл». Выход на
технологию получения элементов конструкций типа турбинной лопатки.
3. Распространение и торможение трещины в композитах типа «хрупкое-
хрупкое». Технология композитов керамика-керамика и интерметаллид-оксид с квази-
пластическим типом поведения.
7
НЕЛИНЕЙНЫЕ ВИБРАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
В СИСТЕМАХ С МАЯТНИКОМ
NONLINEAR VIBRATIONAL EFFECTS IN PENDULUM SYSTEMS
Г.Я. Пановко – д.т.н., проф.
Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН

Abstract. The report examines some of the nonlinear dynamic effects that occur in mechanical
systems with attached pendulums - unbalanced rotors. The analysis of these systems is connected
with the study of dynamic stability of the new equilibrium positions under vibration, dynamic
stability of vertical position of flexible rods and filaments subjected to gravity.

Рассматриваются некоторые нелинейные вибрационные эффекты, которые
возникают в механических системах, содержащих шарнирно закрепленные маятники -
несбалансированные роторы. Для систем, которые могут быть представлены в виде
схемы, приведенной на рис. 1, возбуждение колебаний осуществляется, например, за счет
действия внешнего момента , приложенного к

M( ) d маятнику с массой m (верхний маятник на рис. 1), или за

с
счет действия внешнего периодического воздействия
B m,r , приложенного к твердому телу.
Уравнения движения системы имеет следующий
х m0 O
P( t) вид:

A
l

mм
y где - моменты инерции и приведенные
коэффициенты вязкого трения в шарнирах верхнего и
Рис. 1. Схема системы
нижнего маятника, соответственно; остальные обозначения
соответствуют, приведенным на рис. 1.
К первому случаю сводятся задача вибрационного поддержания вращения одного
из маятников при заданном вращении другого маятника и задача самосинхронизации двух
вращающихся маятников. Во втором случае при неподвижном одном из маятников
(например, маятника с массой ) рассматривается задача о вынужденных колебаниях в
автопараметрических системах.
Обсуждаемые модели и явления непосредственным образом связаны с задачами
динамической устойчивости новых положений равновесия под действием вибрации
(например, верхнего положения свободного маятника), динамической стабилизации
вертикального положения нитей и гибких стержней, находящихся в поле сил тяжести,
динамического гашения колебаний в автопараметрических системах.

Литература
1. Гуськов А.М., Пановко Г.Я. Вибрационная стабилизация вертикальной оси гибкого
стержня. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006, №3, с. 13-19.
2. Гуськов А.М., Пановко Г.Я., Чан-Ван-Бинь. Гашение колебаний в
автопараметрической системе с присоединенным маятником. Машиностроение и
инженерное образование. 2008, №2, с. 11-17.

Работа выполнена при поддержке
грантов РФФИ 10-08-00640-а
и 11-08-90434-Укр_ф_а.
8
БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ
СТРУКТУР С ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ И ЖИВУЧЕСТЬЮ
BIOMECHANICAL PRINCIPLES FOR DESIGN
OF RELIABILITY AND SURVIVABILITY COMPOSITE STRUCTURES

А.Н.Полилов – д.т.н., проф., А.В.Малахов, Н.А.Татусь – к.т.н., В.В.Шабалин – асп.
Институт машиноведения им.А.А.Благонравова РАН

Abstract. Unidirectional fibrous composites, like the straight grained wood have the best
longitudinal elastic-strength properties, but the problems of composite element joining can’t be
solved effectively using "metal" approaches only and the joining zones usually reduce the composite
advantages to zero.
Experiences of Nature (for example, the structure of wood around a knot) show the ways of
rational design of quasi-unidirectional composites elements and zones of their joining excepting the
"effects of cut fibers". For illustration we will show three solved problems being connected with:
1. fiber disorientation for shaped composite elements,
2. fibers trajectories around the hole (knot model),
3. growth of branch and ―branch to tree trunk‖ connection.

Однонаправленные волокнистые композиты (стекло-, угле-, органо-пластики) обладают
наилучшими продольными упруго-прочностными свойствами, но проблемы их крепления
или изменения формы сечения не могут быть эффективно реализованы с применением
традиционных «металлических» подходов, и именно места крепления зачастую сводят на
нет все преимущества полимерных композитов. Опыт живой Природы – например,
конструкция дерева, структура древесины около сучка и т.п. – подсказывает пути
создания рациональных форм деталей из квазиоднонаправленных композитов и мест их
крепления, исключающие отрицательные «эффекты перерезанных нитей». В качестве
иллюстраций приведены решения трех задач:
1. о разориентации волокон в профилированных композитных элементах,
2. о траекториях «обтекания» отверстия волокнами (модель сучка),
3. о росте ветки дерева и о соединении ветки со стволом.

Рессора из композита наиболее полно удовлетворяет эксплуатационным
требованиям, если в ней реализована однонаправленная укладка волокон, при которой
волокна располагаются вдоль линий наибольших напряжений. Профилирование (рис.1)
рессоры позволяет снизить вес и уменьшить число листов (до одного), если при этом
удовлетворить условию постоянства площади поперечного сечения, то получится рессора
без перерезанных волокон, что очень важно для сохранения прочности.

Рис.1. Профилированная балка-рессора
Интересный результат получается, если сравнивать массы профилированной и
прямоугольной балок при одновременном выполнении условий по жесткости и по
прочности: любая равнопрочная балка в три раза легче прямоугольной.
Учет влияния разориентации проведѐн в балочном приближении, он сводится к
усреднению модуля упругости по каждому сечению с последующим численным
решением задачи о прогибе балки с переменным модулем.
9
Для анализа несущей способности используются локальные (линейные) критерии
прочности для волокон и для границы раздела и нелокальные энергетические критерии
расслоения, позволяющие учесть совместное влияние изгибающего и крутящего моментов.

Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений около
отверстия с огибающими его волокнами (рис.2). В предположении о расположении
волокон вдоль траекторий главных растягивающих напряжений получено распределение
свойств в «новом» модельном материале. В каждом конечном элементе приходится
моделировать не только свои упругие свойства, но и направление оси упругой симметрии.
Далее удалось сравнить новое распределение напряжений для модельного материала с
локальной прочностью, которая также меняется от точки к точке.
В качестве критерия разрушения на первом этапе рассматривалось просто
достижение растягивающими напряжениями вдоль волокон их предела прочности на
растяжение. С ростом локального объемного содержания волокон растет локальный
модуль упругости и значит – возрастают напряжения. Но и локальная прочность,
естественно, растет с ростом объемной доли волокон в данной точке. Важно было
выяснить: дает перераспределение волокон положительный эффект на несущую
способность и какова количественная оценка этого эффекта.
Сравнение напряжений вдоль волокон с их прочностью показывает, что в
оптимально уложенной структуре прочность соединения снижается всего на 20%, а не в 3-
5 раз как в однородной анизотропной пластине с отверстием, то есть – в принципе -
можно создать практически «равнопрочное» соединение за счет криволинейной укладки
волокон.

Рис.2. Линии наибольших главных напряжений, совпадающие с траекториями древесных
волокон около сучка
Задача о росте ветви дерева (рис.3) по условию равнопрочности позволяет
подойти к проблеме создания композитных структур сложной, разветвленной формы.
Разработана программа для моделирования процесса врастания сучка в ствол, при помощи
которой возможно определить оптимальные траектории волокон для обеспечения
наибольшей прочности соединения.

Рис.3. Примеры «выращивания» ветки из ствола
Литература
1. Полилов А.Н., Татусь Н.А. Критерии прочности полимерных волокнистых
композитов, описывающие некоторые экспериментально наблюдаемые
эффекты//Проблемы машиностроения и автоматизации. 2008, №3, с. 103-110.
2. Полилов А.Н., Татусь Н.А. Оптимальное проектирование композитных структур по
условиям «равнопрочности»//Труды Всероссийского съезда по теоретической и
прикладной механике, 2006, том 3, стр. 175.
10