Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

Соответствие теоретических предположений о ведущей роли многомасштабных механизмов структурной релаксации, обусловленных коллективным поведением ансамблей дефектов, развитием локализации пластического течения и разрушения, исследовалось методами структурного анализа морфологии поверхностного рельефа с использованием оптического интерферометрапрофилометра NewView-5010 для последующего вычисления масштабного инварианта (показателя Херста) и пространственного масштаба области, на которой наблюдается коррелированное поведение микродефектов.

Сравнительный анализ масштабно-инвариантных характеристик динамически нагруженных образцов позволил установить значительное увеличение показателя Херста (до 0,66) в широком диапазоне пространственных масштабов 7–170 мкм в отличие от недеформированных образцов (H ~ 0,35 в диапазоне пространственных масштабов 14–289 мкм).

В результате численного моделирования, проведенного с учетом особенностей кинетики накопления микродефектов в материале, полученные поля температур близки к определенным экспериментально.

Изучено пробивание преграды в виде формирования и выноса пробки с использованием высокоскоростной инфракрасной камеры [3]. На оригинальной баллистической установке по изучению пробивания были исследованы образцы, для которых были реализованы режимы импульсного нагружения, сопровождающиеся неустойчивостью пластического течения и выносом пробки.

Значения температур в областях локализации пластической деформации не превышают ~190 °С, что позволяет сделать вывод о возможности реализации механизма формирования и выноса пробки, не связанных с термопластической неустойчивостью.

Данные теоретических и экспериментальных исследований позволяют предполагать, что один из механизмов неустойчивости пластического сдвига и локализации пластической деформации при высокоскоростном нагружении обусловлен структурнокинетическими переходами в ансамблях микродефектов.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 14-01-00842_а, № 16-48-590534 р_а.

301

Список литературы

1.Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т. 6. – С. 45–72.

2.Образец для испытания на сдвиг (варианты) и способ испытаний его: пат. 2482463 Рос. Федерация № 2011114711/28 / Наймарк О.Б., Баяндин Ю.В., Соковиков М.А., Плехов О.А., Уваров С.В., Банников М.В., Чудинов В.В.; заявл. 14.04.2011; опубл. 20.05.2013. – Бюл. № 14.

3.Неравновесные переходы в ансамблях дефектов при динамической локализации пластической деформации / М.А. Соковиков, Д.А. Билалов, В.В. Чудинов, С.В. Уваров, О.А. Плехов, А.И. Терехина, О.Б. Наймарк // Письма в журнал технической физики. – 2014. – Т. 40, вып. 23. – C. 82–88.

УДК 621.921.048.6

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТЬЮ РЕЖУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

Г.А. Прокопец, А.А. Прокопец, В.Ю. Шенштейн

Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия

Zerro0o@yandex.ru

Приведена схема вибрационной обработки и обоснована необходимость стабилизации режущей способности рабочей среды в процессе обработки, приведены некоторые результаты исследований по теме работы, а также предложены пути управления величиной режущей способности рабочей среды.

Ключевые слова: технологический процесс, вибрационная обработка, режущая способность рабочей среды, износ, стабилизация.

Рост объема отделочных и упрочняющих операций в современном авиастроении связан с все возрастающими требованиями к надежности и долговечности выпускаемой продукции. При этом

302

отделочные операции наряду с возможностью достижения высокой точности и качества поверхностей деталей нередко имеют достаточно большую трудоемкость и высокую себестоимость.

Одной из разновидностей финишной обработки, обладающей высокой универсальностью, является вибрационная обработка, которая применяется как для отделки поверхностей деталей (в том числе для улучшения товарного вида изделия), так и для упрочнения (виброупрочняющая обработка) поверхностного слоя с целью повышения эксплуатационных характеристик деталей. В процессе вибрационной обработки (рис. 1) детали непрерывно подвергаются переменным по знаку ускорениям, под действием которых рабочая среда и детали совершают два вида движений: колебательное и циркуляционное. При свободной загрузке детали занимают различные положения в рабочей среде, обеспечивая тем самым достаточно равномерную обработку всех поверхностей.

Рис. 1. Схема процесса вибрационной обработки: 1 – рабочая камера; 2 – пружины; 3 – дебалансный вибратор; 4 – основание;

5 – шланги для подачи и слива СОТС; 6 – помпа; 7 – бак-отстойник

Как и любой технологический процесс механической обработки, вибрационная обработка не лишена недостатков. В частности, необходимо отметить недостаточную изученность стабильности этого процесса во времени, что связано с большим числом факторов, влияющих на результат. Поэтому, как правило, при определении времени обработки пользуются либо опытными

303

данными, либо расчетными зависимостями, дающими завышенный результат (с целью недопущения брака закладывается достаточно большой коэффициент запаса надежности процесса).

Вообще говоря, уровень качества обработанной детали обеспечивается в основном первоначальной наладкой технологической системы, а стабильность параметров качества во времени поддержанием всех параметров наладки на заданном уровне, а также стабильностью показателей качества заготовки, поступающей на технологическую операцию вибрационной обработки. Отметим, что, как правило, основной задачей отделочной вибрационной обработки является снижение шероховатости и формирование стохастического микрорельефа (исходный микрорельеф должен удаляться полностью или частично в зависимости от требований к качеству поверхности детали).

Высота микронеровностей (высотные параметры шероховатости) напрямую зависит от режущей способности рабочей среды. Снижение (увеличение) режущей способности рабочей среды приводит к снижению (увеличению) шероховатости, но при этом снижается (увеличивается) производительность процесса. Поэтому, если целью управления процессом вибрационной обработки является стабилизация показателей качества поверхностей деталей в партии (например шероховатости) или минимизация времени обработки, в качестве объекта стабилизации может быть принята режущая способность рабочей среды. Под режущей способностью понимают отношение наработки абразивного инструмента (шлифовального материала) к времени резания [1].

Определение требуемой величины режущей способности рабочей среды, обеспечивающей заданные параметры шероховатости, является предметом отдельного рассмотрения и устанавливается параметрами первоначальной наладки, в том числе характеристиками рабочей среды, режимом обработки и др. Но в процессе обработки происходит изменение (обычно снижение) режущей способности рабочей среды, что приводит к необходимости изменить (обычно увеличить) время обработки. Снижение режущей способности рабочей среды может быть вызвано рядом причин, в том числе износом рабочей среды, являющимся функцией времени обработки, физико-механическими свойствами материала обрабатываемых деталей, загрязнением технологиче-

304

ской жидкости и т.п. На рис. 2 представлена зависимость режущей способности рабочей среды, в качестве которой использовались призмы ПТ10, от объема загрузки рабочей камеры при обработке на установке УВГ4х10 образцов из сплава Д16Т и стали 35. Из полученной графической зависимости (см. рис. 2) следует, что существует однозначная зависимость текущей режущей способности рабочей среды (объем обрабатываемого материала, удаляемый с заготовки рабочей средой за единицу времени при условии, что все требования, налагаемые на режим обработки техническими ограничениями, удовлетворены) от объема загрузки рабочей камеры. Из этого вытекают предпосылки для управления режущей способностью рабочей среды путем изменения массы загрузки.

Рис. 2. Зависимость режущей способности рабочей среды (трехгранных призм белых ПТ10) от объема загрузки рабочей камеры. Режим обработки: амплитуда колебаний рабочей камеры – 1,5 мм; частота колебаний – 33 Гц

Таким образом, при стабилизации режущей способности рабочей среды можно обеспечить стабильность (в том числе ми-

305

нимизацию) времени обработки деталей до достижения требуемой шероховатости, что позволит снизить нерациональные затраты на технологическую операцию вибрационной обработки. Анализ процесса показал, что изменение режущей способности среды может быть достигнуто управлением амплитудой колебаний или изменением объема загрузки. Определять момент подналадки можно либо по экспериментальным данным (обработка опытной партии деталей), либо по изменению скорости циркуляции, которая напрямую зависит от объема загрузки рабочей камеры, а также имеет непосредственную связь с параметрами промывки и режимом обработки (амплитудой и частотой колебаний рабочей камеры). Наиболее целесообразно использовать второй вариант, так как контроль скорости циркуляции в целом не представляет трудностей.

Список литературы

1.ГОСТ 21445-84. Материалы и инструменты абразивные. Термины и определения [Электронный ресурс]. – URL: http://standartgost.ru/g/pkey-14294832187/ГОСТ_21445-84 (дата обращения: 16.10.2016).

2.ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990.

3.ГОСТ 27.503-81 (СТ СЭВ 2836-81). Методы оценки показателей надежности [Электронный ресурс]. – URL: http://stroy svoimirukami.ru/gost-27503-81/ (дата обращения: 16.10.2016).

306

УДК 534.83

РАЗРАБОТКА ТРЕХМЕРНОГО МЕТОДА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОНАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТ ШУМА ВЕНТИЛЯТОРА ДВУХКОНТУРНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ КОМПЛЕКСНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ

А.А. Аксенов, В.Н. Гаврилюк, С.Ф. Тимушев

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия

irico.harmony@gmail.com

Рассмотрены теоретические основы и результаты тестирования метода численного моделирования трехмерного акустического поля тонального шума вентилятора в присутствии граничных условий в форме комплексного акустического импеданса. Метод основан на применении Фурье-преобразования акустического давления с учетом конвекции, определении источника колебаний путем декомпозиции уравнений движения сжимаемой среды и граничных условий на акустическую и вихревую моды.

Ключевые слова: вентилятор, частота следования лопаток, тональный шум, вихревая мода.

Предлагаемый метод численного моделирования 3-мерных акустических полей базируется на решении краевой задачи в области произвольно сложной геометрии относительно образа Фурье возмущения давления p в виде конвективного волнового

уравнения

и граничного условия (2), которые описывают распространение звука в термодинамически однородном стационарном течении c переменным по пространству вектором числа Маха M j [1].

307

Граничное условие на стенке записывается в форме соотношения Майерса [2] в виде

область нормаль к стенке; Z – удельный комплексный импеданс стенки или звукопоглощающей конструкции (ЗПК), в общем случае зависящий от числа Маха и структуры пристеночного течения, Z Z (M ) .

На идеально отражающей стенке граничное условие (2) приобретает вид uj nj 0 .

На внешних границах расчетной области используется методика задания звукопоглощающих граничных условий характеристического типа, базирующаяся на концепции, предложенной в работе [3].

Источник акустического излучения определяется акустиковихревым методом [4, 5] путем декомпозиции поля пульсаций давления сжимаемой среды и граничных условий.

В приведенном здесь примере рассматриваются течение в модели воздухозаборника авиационного двигателя, создаваемое набегающим внешним потоком с числом Маха 0,3, и создаваемый вентилятором с 16 лопастями тональный шум на частоте 2100 Гц. Модельный источник возмущения задан аналитически в форме периодического по углу с периодом 360/160 и амплитудой 1000 Па правого акустического инварианта: J+= 1000[1 + cos(16φ)]. Акустический расчет выполняется при наличии на внутренней стороне воздухозаборника ЗПК с удельным комплексным акустическим импедансом Z 4 0,5i и в отсутствие ЗПК. Целью расчета явля-

ется определение излучаемой акустической мощности.

Расчетная область, сетка и контуры модели представлены на рис. 1. Достаточно большая плотность сетки в окрестности модели необходима для того, чтобы обеспечить выполнение ограничения на

сеточное число Гельмгольца H 1 [6]. Данная сетка используется какдлястационарного, такидляакустическогорасчета.

Результаты акустического расчета для случаев без ЗПК и с ЗПК представлены на рис. 2. Видно значительное уменьшение

308

акустического излучения и изменение его направленности при установке ЗПК.

аб

Рис. 1. Сетка (140×72×72) с числом ячеек 709 207.

Плоскость симметрии (а) и сечение входа в вентилятор (б)

а

б

Рис. 2. Амплитуда пульсаций давления в плоскости симметрии (диапазон 0–1200 Па): а – без ЗПК; б – с ЗПК

В таблице представлены излучаемая акустическая энергия и эффект использования ЗПК.

Эффект применения ЗПК

Расчеты выполнены на процессоре i7 3.2 GHz CPU. Процессорное время решения стационарной задачи составляет ~16 мин, акустической задачи – ~24 мин.

Предложенный метод моделирования акустических полей является весьма эффективным с точки зрения как минимизации компьютерных и человеческих ресурсов, так и точности расчета. Это позволяет использовать его для оптимизационных расчетов необходимых импедансных характеристик и расположения ЗПК путем выполнения серии расчетов для заданных комплексных импедансов.

Список литературы

1.Синер А.А. Методика выбора звукопоглощающих конструкций для турбомашин на основе математического моделирования: дис. … канд. техн. наук. – Пермь, 2010.

2.Mayers M.K. On the acoustic boundary condition in the presence of flow // Journal of Sound and Vibration. – 1980. – 71 (3). – Р. 429–434.

3.Non-reflecting boundary conditions for acoustic propagation

in ducts with acoustic treatment and mean flow / E. Redon, A.-S. Bonnet-Ben Dhia, J.-F. Mercier, S. Poernomo Sari // International Journal for Numerical Methods in Engineering. – 2011. – 86. – Р. 1360–1378.

4.Артамонов К.И. Термогидроакустичекая устойчивость. – М.: Машиностроение, 1982.

5.Numerical 2-D and 3-D methods for computation of internal unsteady pressure field and near-field noise of fans (Conference Paper) Noise Control / S. Timouchev, J. Tourret, G. Pavic, A. Aksenov // Engineering Journal. – 2006. – Vol. 54, is. 1. – P. 15–20.

6.Aksenov A.A., Gavrilyuk V.N., Timushev S.F. Numerical simulation of tonal fan noise of computers and air conditioning systems // Acoustical Physic. – 2016. – Vol. 62, № 4. – P. 447–455.

310