Учебники 80370

УДК 66.02: 66-973: 66-987

РАСЧЕТ СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

А.А. Гребенников

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Кафедра физики и химии

Вработе выполнен конструктивный расчет сосуда высокого давления, работающего со средой жидкого или газообразного водорода при температуре до 15 К и давлении до 300 атм. Выбор конструкционного материала (КМ) для его изготовления обусловлен условиями эксплуатации: так как сосуд должен выдерживать давление 300 атм. при 15 К, то КМ должен обладать повышенной пластичностью при низких температурах (НТ). В большинстве случаев для изготовления сосудов и аппаратов, работающих при НТ, используют сталь 12Х18Н10Т. Однако, как отмечают авторы [1], для сосудов и аппаратов, работающих при высоких давлениях и НТ предпочтительнее использовать железо-никелевый сплав ХН40МДТЮ. В этой связи для изготовления сосуда был выбран сплав ХН40МДТЮ.

Конструктивный расчет сосуда выполнен на основе методик прочностных расчетов, разработанных институтами НИИХиммаш и приведенных в [2].

Вкачестве исходных данных для расчета были выбраны размеры внутренней полости сосуда – ее диаметр и высота должны составлять по 100 мм. Форма обечайки выбрана стандартная – цилиндрическая. Днища выбрано круглое, такая форма позволяет избежать концентрации давления, создаваемого средой, в местах соединения днища и обечайки и равномерно распределить его по всему объему днища.

Сцелью улучшения герметичности фланцевого соединения в сосуде предусмотрена обтюрация. В качестве прокладки используется проволока из свинца диаметром 2 мм.

Плоская фланцевая крышка соединяется с сосудом восемью шпильками М10×1. Толщина крышки составила 35 мм. Такая толщина обусловлена наличием в ней 5 технологических отверстий диаметром 16 мм (3

шт.), 12 мм, 6 мм.

Полученные по результатам расчета параметры сосуда приведены на рисунке.

Схема сосуда высокого давления

Литература

1.Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – Л.: «Машиностроение», 1970. – 752 с.

2.Исследование физико-механических свойств конструкционных материалов в газовых средах, содержащих изотопы водорода / Ю.А. Хабаров, А.В. Базунов, И.Е. Бойцов и др. // Journal of the Moscow Physical Society. – 1999. – N3. – V. 9. – P. 237-243.

31

УДК 621.59:621.643

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХРАНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В СТАЦИОНАРНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

А.В. Сергеев, аспирант, О.В. Калядин

Кафедра физики твердого тела

Особенности хранения криогенных продуктов в резервуарах связаны с изменением их параметров вследствие теплопритока из окружающей среды, приводящего к испарению и потере продуктов, если паровое пространство сосудов сообщается с атмосферой, или к увеличению внутренней энергии и, следовательно, давления и температуры при хранении в закрытых сосудах. Последний способ является весьма перспективным способом хранения, поскольку исключает натекание во внутренние полости резервуара воздуха, загрязнение и потери продукта. Однако в этом случае необходимо иметь возможность оценки скорости роста температуры и давления в закрытом сосуде.

В связи с наличием значительного количества параметров, влияющих на процесс, теоретическое рассмотрение реального процесса представляет значительные трудности. Поэтому при разработке представленной модели был введен ряд допущений, вполне правомерных в рассматриваемой физической ситуации: температура стенок емкости и жидкости в ней одинакова во всех точках; жидкость и пар находятся в состоянии термодинамического равновесия; параметры пара в газовом объеме емкости подчиняются зависимостям справедливым для идеального газа; удельный объем жидкости пренебрежимо мал по сравнению с удельным объемом пара; процесс течения газа по дренажному трубопроводу ввиду его малой длины считается изотермическим. Принятые допущения позволили получить систему уравнений, описывающую процесс длительного хранения криогенной жидкости.

В основу расчетной системы были положены: закон состояния идеального газа, уравнения энергетического и материального баланса емкости, уравнение КлайперонаКлаузиуса, уравнение массообмена на границе жидкость-пар, уравнение изотермического течения дренируемого газа через трубопровод газосброса. Замыкая ее интеполяционными зависимостями , , , законом открытия дренажного клапана и решая численно можно рассчитать параметры жидкости и пара в емкости при длительном хранении в каждый момент времени и определить массовые потери криопродукта.

На рисунке для примера показана расчетная кривая, отражающая изменение массы жидкого водорода в резервуаре объемом 22 м3, при абсолютном давлении хранения от 0,13 до 0,15 МПа и температуре порядка 21,3 К. Начальная масса жидкости составляла 880 кг, за сутки она уменьшилась на 44,2 кг. Полученные результаты хорошо согласуется с экспериментальными данными по потерям жидкого водорода (48,7 кг).

32

УДК 538.945

НЕОБРАТИМЫЕ ПОТЕРИ В СЛУЧАЕ СИЛЬНОГО И СЛАБОГО СКИН-ЭФФЕКТА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

С.М. Уколова, магистрант гр. НТм-151, А.В. Сергеев, аспирант, И.М. Голев, О.В. Калядин

Кафедра физики твердого тела

Для исследований были использованы образцы сверхпроводящей иттриевой кера-

мики состава Y-Ba-Cu-O, полученные по MTG (Melt-Texture-Growth) технологии.

Измерялись зависимости напряжения третьей гармоники U3(T) сигнала отклика в диапазоне температур 82÷100 К при воздействии переменного магнитного поля с частотой

102÷104 Гц и амплитудой 10-4÷10-2 Тл. Известно, что диссипация энергии Q*

и амплитуда третьей гармоники функционально связаны [1]. Из температурной зависимости удельного электросопротивления ρ(Т) и напряжения амплитуды третьей гармоники U3(T) видно, что при температурах ниже сверхпроводящего перехода (ρ=0), наблюдается максимум на кривой U3(T), свидетельствующий о наличии потерь. Тепловая мощность потерь Q*, приходящихся на единичную высоту h0 =1 м цилиндра, равна среднему по времени потоку энергии электромаг-

нитного поля через боковую поверхность Sб :

(1)

где Еφ – напряженность электрического поля, Hz – магнитного поле, направленное вдоль главной оси симметрии цилиндра, R – радиус образца, J0(ζR) – функция Бесселя первого рода нулевого порядка, J1(ζR) – функция Бесселя первого рода первого порядка, δ – толщина скин-слоя.

При воздействии на сверхпроводник переменного магнитного поля с циклической частотой ω возникает скин-слой, толщиной δ. Различают два случая – случай слабого скин-эффекта (R<<δ) и случай сильного скин-эффекта (R>>δ). В первом случае, тепловая мощность, рассеиваемая в образце за период T =2π/ω пропорциональна квадрату частоты ω и составляет:

(2)

В случае сильного скин-эффекта рассеиваемая мощность растет с частотой пропорциональна и равна:

(3)

Приведенные выше формулы описывают величину необратимых джоулевых потерь, возникающих при охлаждении сверхпроводника ниже температуры сверхпроводящего перехода.

Литература 1. Голев И.М. Нелинейный свойства гранул и межгранулярной среды высокотемператур-

ных сверхпроводников системы Bi-Sr-Ca-Cu-O./ И.М. Голев, А.В. Сергеев, В.Г. Кадменский, О.В. Калядин // Вестник Воронежского государственного технического университе-

та. 2015. – Т.11. – № 5. – С. 129-135.

33

УДК 621.315.57:537.312.62

СИСТЕМА СВЕРХПРОВОДНИК – НОРМАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

И. М. Шушлебин

Кафедра физики твердого тела

Внутреннее трение – обобщающее название всех возможных механизмов диссипации упругой энергии (при отсутствии внешнего трения) [1]. Традиционно исследования внутреннего трения Q 1направлены на изучение совершающего колебания материала. В этом случае принято говорить о его внутреннем трении.

Определенный интерес представляет исследование иного плана, когда совершающий колебания объект (с известными характеристиками внутреннего трения в зависимости от внешних параметров) является своего рода зондом. Речь идет о составных системах, в которых физические процессы в неподвижной части оказывают индукционное влияние на механическое движение подвижной, что часто встречается в технике.

Рассмотрим результаты экспериментов в магнитном поле, когда медная пластина совершает колебания вблизи (порядка 10 микрон) сверхпроводящего ниобиевого цилиндра. Влияние сверхпроводника на затухание колебаний медной пластины показано на рисунке: 1 – нормальное состояние Nb цилиндра, Т = 15 К, 2 – СП состояние, Т = 6.5 К, частота колебаний медной пластины 900 Гц.

Малое влияние поля на затухание колебаний медной пластины в нормальном состоянии ниобиевого цилиндра (кривая 1) согласуется с данными контрольного эксперимента, когда подвижная и неподвижная части выполнены из меди. Перевод ниобия в сверхпроводящее состояние (кривая 2) повлек появление существенного вклада в затухание колебаний. Вертикальным пунктиром на рисунке показано значение поля B*c1, при котором по данным измерения намагничивания ниобия наблюдается начало проникновения вихрей Абрикосова в объем СП 2. Представляемое кривой 2 избыточное затухание

определяется полевой зависимостью градиента индукции. Действительно, согласно представлениям о проникновении вихрей в объем сверхпроводника в условиях существования поверхностного барьера [2] они зарождаются у поверхности, где и удерживаются до достижения величины поля перегрева. При этом формируется значительный градиент индукции, по достижению поля перегрева вихри входят в объем и градиент уменьшается. Можно также отметить, что при в области полей Be < B*c1 имеет место финитное движение вихрей в приповерхностном слое, а с ростом поля вихри преодолевают барьер, распределяются по объему сверхпроводника и взаимодействуют с центрами пиннинга. Это позволят считать B*c1 полем перегрева (начала проникновения в объем), но в таком случае, в окрестности B*c1 должен существовать градиент индукции и у поверхности сверхпроводника.

Литература

1.Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. – М.: Металлургия, 1974. – 352 с.

2.Brito A.S., Zerweck G. de Lima O.F. High critical flux density gradients near the surface of superconducting niobium//J. of Low Temp. Phys. – 1979. - 36, 1/2. – p. 33 – 46.

34

УДК 678.027

ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОНОГО МАТЕРИАЛА ТИПА СИАЛ-2-1

Н.В. Животенко, студент гр. КП-121

Кафедра физики твердого тела

Быстрое развитие аэрокосмической промышленности во всем мире, начиная с 1950-х годов, создало потребность в новых материалах для появившихся высокотехнологичных изделий, так как многие требования, предъявляемые к традиционным материалам (металлическим сплавам), не могли быть достигнуты. Требовались легкие, устойчивые к высоким температурам материалы, которые обладали бы при этом высокими механическими характеристиками и могли быть использованы в космическом пространстве. Это привело к созданию металлополимерных композиционных материалов и, в частности, слоистых алюмостеклопластиков (СИАЛ). Поэтому весьма актуальными являются исследования прочностных свойств СИАЛ, чему и посвящена настоящая работа.

Композит типа СИАЛ-2-1 был получен методом автоклавного формования и представляет собой пятислойную композицию, в которой тонкие (0,3 мм) неплакированные листы Al-Li сплава марки 1441 в закаленном и искусственно состаренном состоянии Т11 чередуются с клеевым препрегом стеклопластика марки КМКС-2.120.T60.

Испытания на растяжение проводились в соответствии со стандартом ASTM D3039 на десяти образцах композита, которые имели форму пластин с размерами 10х250х1,5 мм Пять образцов с номерами от 1 до 5 содержали 70 % стеклянных волокон в направлении 0° и 30 % стеклянных волокон в направлении 90°. Другие пять образцовсномерами от 6 до 10 содержали 30 % стеклянных волокон в направлении 0° и 70 % стеклянных волокон в направлении 90°.

Диаграммы напряжение-деформация при растяжении СИАЛ-2-1 вдоль направления 0° и вдоль направления 90° имеют вид, характерный для малопластичных материалов. Об этом свидетельствуют величины относительного удлинения при разрушении, которые составляли 5-6 %. Значение модуля упругости при растяжении вдоль направления 0° – 64,9 ГПа, а вдоль направления 90° – 61,8 ГПа. Характер разрушения образцов СИАЛ-2-1 при растяжении является хрупко-пластическим, такое разрушение СИАЛ-2-1 происходит в отсутствие заметных деформаций, чему есть несколько причин. Во-первых, в отличие от традиционных алюминиевых сплавов, сплавы системы Al-Li, содержащие больше 2 % массовых единиц Li (сплав 1441T11), при холодной деформации (растяжение) имеют низкую пластичность, поэтому в процессе эксперимента заметного роста пластических деформаций не наблюдается. Во-вторых, применяемый клей ВК-36 имеет достаточную адгезионную прочность, позволяющую материалу сопротивляться расслоению и перераспределять внутренние напряжения между слоями стеклопластика до момента разрушения. При достижении предела текучести 270 МПа в образцах 1-5 и 250 МПа в образцах 6-10 листы сплава 1441 начинают пластически деформироваться, способствуя снижению адгезионной прочности и расслоению СИАЛ-2-1. Слои стеклопластика продолжают воспринимать напряжения. Достигая предела прочности 700 МПа в образцах 1-5 и 500 МПа в образцах 6-10, стеклопластик начинает лопаться, и внешнее напряжение начинает перераспределяться между оставшимися волокнами и алюминиевыми листами. Происходит разрушение материала. Направление развития трещины почти строго перпендикулярно направлению приложения нагрузки. Малый разброс экспериментальных данных от образца к образцу говорит о стабильности прочностных свойств испытуемого СИАЛ-2-1.

Эксперимент показал, что СИАЛ-2-1 обладают более высокими прочностными свойствами по сравнению с прочностными свойствами обычных металлических сплавов (например, у дуралюминов предел прочности при растяжении принимает значения до 450 МПа), что делает СИАЛы привлекательными для использования вместо металлических сплавов, особенно когда критична прочность и экономия веса изделия.

35

УДК 678.027

ИССЛЕДОВАНИЕВЛИЯНИЯРЕЖИМОВФОРМОВАНИЯНАПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИПОЛИМЕРНЫХКОМПОЗИЦИОННЫХМАТЕРИАЛОВ НАОСНОВЕНАПОЛНИТЕЛЯFORMOSATC-35ИСВЯЗУЮЩЕГОT-107

М.Ю.Воскобойник,О.А.Караева,Д.В.Полухин

НВЛ «Композиционныематериалы»

Сразвитием различных сфер промышленности и поиском материалов, удовлетворяющих требованиям высокой прочности и минимальной массы итоговой конструкции, широкое применение нашли полимерные композиционные материалы (ПКМ). Сочетание свойств волокнистого наполнителя и полимерной матрицы, позволяет получать ПКМ с высокими упруго-прочностными характеристиками. Существенное влияние на прочностные характеристики оказывает правильный подбор параметров на каждом этапе технологического процесса получения изделий из ПКМ.

Одним из важных этапов является процесс формования ПКМ. В настоящее время для производства крупногабаритных изделий широко применяется автоклавное формование. В процессе автоклавного формования деталей при избыточном давлении происходит постепенный нагрев до температуры гелеобразования, которая соответствует температуре формирования полимерной сетки; выдержка для обеспечения прогрева всей массы изделия, нагрев до температуры стеклования с повышением избыточного давления до оптимального уровня, при котором происходит отверждение полимерной матрицы; выдержка до окончания полимеризации, и охлаждение до комнатной температуры. Таким образом, основными технологическими параметрами процесса формования являются время, температура и избыточное давление, создаваемое в камере автоклава.

Сцелью подбора оптимального режима формования с использованием автоклава для получения крупногабаритного изделия на основе однонаправленной ленты Formosa TC-35 и эпоксидного связующего Т-107 были получены пластины углепластика при различных режимах автоклавного формования.

В процессе подбора оптимального режима формования температура выдержки ва-

рьировалась в диапазоне от 160 °С до 180 °С; время выдержки выбиралось от 160 до 210 минут; подаваемое избыточное давление подбирали в пределах от 2 кгс/см2 до 7 кгс/см2.

Для наиболее полного представления о механической прочности углепластика полученного автоклавным формованием были изготовлены партии элементарных образцов из сформованных пластин и проведены испытания на растяжение и сжатие при комнатной температуре по методикам на основе стандартов ASTM D 3039 и ASTM D 695 соответственно.

Сравнительный анализ проведенных механических испытаний позволил сделать вывод, что наиболее оптимальным режимом формования ПКМ на основе Formosa TC-35+ Т-107 с использованием автоклава является режим с параметрами, представленными в таблице.

Значения параметров формования и результат механических испытаний ПКМ

Данный режим может быть использован в процессе производства для получения крупногабаритного изделия из ПКМ на основе Formosa TC-35+ Т-107 с использованием автоклава.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках госзадания на НИР университету на 2016 г.

36

УДК678 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ПКМ НА ОСНОВЕ

СВЯЗУЮЩЕГО Т-107 И КОМПОЗИЦИЙ УГЛЕРОДНОГО И СТЕКЛЯННОГО АРМИРУЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ

О.А.Караева,А.М.Кудрин,Д.В.Полухин,О.В.Овдак

НВЛ «Композиционныематериалы»

В современной авиакосмической промышленности широкое применение находит использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) при изготовлении узлов и агрегатов. К таким материалам предъявляются высокие требования физикомеханических свойств. Использование углеродных волокон в качестве армирующего материала при производстве изделий из ПКМ позволяет получать изделия по своим прочностным свойствам, не уступающим аналогичным металлическим, а иногда и превосходящих по многим параметрам. Стоимость углеродных наполнителей на сегодняшний день остается достаточно высокой, что инициализирует поиск возможных способов удешевления конструкций из ПКМ. Одним из возможных методов решения данной задачи является частичное замещение слоев углеродного армирующего наполнителя стеклянным при производстве изделий из ПКМ.

Целью данной работы было исследование физико-механических свойств гибридных ПКМ с разным процентным соотношением углеродного и стеклянного наполнителя.

Экспериментальные образцы для испытаний на растяжение и изгиб были получены из угле-, стекло- и угле-стеклопластиков на основе углеродного материала (Formosa TC 35) и стеклянного наполнителя (Т 10-14). Соответствующие соотношения армирующих наполнителей в образцах и результаты испытаний представлены в таблице.

Предел прочности при растяжении и изгибе образцов композиций ПКМ с разным процентным соотношением углеродного и стеклянного наполнителя

Как видно из полученных результатов, пределы прочности при растяжении и изгибе имеют максимальные значения для образцов композиций ПКМ с процентным содержанием углеродного наполнителя 100 %, и уменьшаются с увеличением процентного содержания стеклянного армирующего материала. Минимальные значения пределов прочности соответствуют образцам с процентным содержанием стеклянного наполнителя 100%.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что подбор соотношения процентного содержания углеродного и стеклянного наполнителя, позволяет получать материалы ПКМ с требуемыми прочностными характеристиками для конкретных конструкционных задач.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках госзадания на НИР университету на 2016 г.

37

УДК678.027

ИЗГОТОВЛЕНИЕОСНАСТКИДЛЯПОЛУЧЕНИЯИЗДЕЛИЙМЕТОДОМRTM

М.Ю.Воскобойник,К.С. Габриельс,А.М.Кудрин,Е.В.Кулакова

НВЛ «Композиционныематериалы»

Одним из современных направлений в производстве летательных аппаратов, изделий машиностроения, медицинской техники, спортинвентаря, а также строительных конструкций и судостроения, является широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ). В настоящее время большой интерес представляет использование прогрессивных технологий, позволяющихполучать изделия сложной формы из ПКМ с точностью, вполне соизмеримой с требованиями, предъявляемыми к металлическим изделиям. К таким технологиям относится RTM технология.

Процесс RTM (Resin Transfer Moulding) заключается в тщательно контролируемом пропитывании связующим преформы из волокна, выложенной и зафиксированной в закрытой оснастке(форме).

Для отработки RTM технологии нами была разработана и изготовлена демонстрационная оснастка.

Композитная оснастка состоит из двух частей. Схематическое изображение собранной установкипредставлено нарисунке.

Нижняя часть(1) - это деревянное основание с выфрезерованным квадратным углублением, выполняющим роль формы для будущих изделий. Деревянное основание было покрыто стекломатериалом и пропитано эпоксидной смолой методом вакуумной инфузии. Таким образом, была получена гладкая поверхность высокого качества. В основании были выфрезерованы каналы для вакуумных уплотнителей (3) и отверстия для ввода смол из инжекционной машины

(2)иоткачкивоздуха.

Верхняя часть оснастки выполнена из стекла (7). В стекле имеется отверстие для откачки воздуха, в которое устанавливается вакуумная ловушка, предотвращающая попадания эпоксидного связующего в вакуумный насос (1, 6). Прозрачность стекла позволяет наблюдать за процессоминжекцииинепосредственно контролировать его.

1-нижняячастьоснастки;2–инжекционнаямашина;3–уплотнительныерезинкивнешнегоивнутреннегоконтуров; 4–стекломаты; 5-вакуумнаяловушка;6–вакуумныйнасос; 7–верхняячастьоснастки–стекло.

Схематичноеизображениесобраннойустановки

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках госзадания на НИР университету на 2016 г.

38

Влияние скорости закалки на термоэлектрическую добротность твердого рас-