Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Актуальность. В настоящее время практически единственным численным методом, позволяющем решать задачи о получении параметров статического деформирования и вибрации сложных конструкций является метод конечных элементов и базирующиеся на его применении пакеты программ в основном зарубежного исполнения. Их применение, как правило, требует существенных трудозатрат по подготовке исходных данных, применения вычислительной техники серьезного уровня, а также финансовых затрат по приобретению пакетов соответствующих программ. Разработка подхода, позволяющего в некоторых случаях минимизировать указанные требования, а также сравнительно просто создать на его основе отечественные расчетные программы, представляется достаточно актуальной.

Цель работы — разработать подходы, позволяющие менее трудозатратно и быстрее рассчитать параметры статического деформирования и связанных изгибно-продольно-крутильных установившихся колебаний (вибрации) конструкций, допускающих моделирование системами квазиодномерных конечно-элементных моделей.

Материалы и методы. В качестве основного метода в работе представлен вариант метода парциальных откликов, имеющий ряд существенных преимуществ при решении задач о вынужденных установившихся колебаниях или статическом деформировании конструкций, допускающих моделирование квазиодномерными конечно-элементными моделями. Особенность предлагаемого варианта, названного дискретным вариантом метода парциальных откликов, состоит в записи для вычисления элементов матриц парциальных откликов и парциальных параметров алгебраических уравнений, имеющих рекуррентный характер. При этом традиционное решение краевой задачи заменяется решением ряда задач о сопряжении пар парциальных систем, каждая из которых, с одной стороны, имеет свои краевые условия. Число рассматриваемых пар соответствует числу сечений, в которых исследователь хочет знать параметры исследуемого процесса (амплитуды линейных и угловых смещений, внутренних усилий, опорных реакций). Круг решаемых задач существенно расширяется, если использовать предложенный авторами метод коррекции и (или) модификации характеристик инерции и жесткости элементов квазиодномерной конечно-элементной модели, а также внешней нагрузки, на нее действующей. Такой подход позволяет получать квазиодномерные модели для решения как одномерных, так и многомерных задач, а также задач, в рамках которых требуется учесть влияние дополнительных факторов, усложняющих картину вибрации.

Результаты. В работе приведено несколько примеров применения дискретного варианта метода парциальных откликов в сочетании с методом коррекции и модификации характеристик квазиодномерных конечно-элементных моделей.

Заключение. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о достижении поставленной цели, что подтверждается разработкой дискретного варианта метода парциальных откликов, позволяющего для определенного класса конструкций выполнять расчеты параметров деформирования и установившихся колебаний.

Актуальность. Обзор литературы показывает, что изучение распределения температуры и влияния давления является важной основой для проектирования наиболее износостойких и долговечных клапанов, и существенно влияет на выбор материалов для их изготовления. Изучение распределения температуры внутри клапанов при давлении, оказываемом на них во время работы двигателя, экспериментально является очень трудоемкой и затратной задачей. Такие расчеты необходимо выполнять с помощью программного обеспечения, которое позволяет учесть определенные прикладываемые нагрузки в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя на исследуемом образце.

Цель работы. Объектом исследования являлся клапан судового малоразмерного двигателя заводского изготовления и такие же клапаны с измененной конструкцией, добавлением спиральных направляющих (ширм, лопастей), для изучения влияния температуры, оказываемых на них в зависимости от поворота коленчатого вала. При этом материал конструкции оставался однородным во всех исследуемых клапанах.

Методика. Для выполнения поставленных задач был использован метод конечных элементов, реализованный в программе Ansys, с помощью которой был проведен нестационарный термомеханический расчет клапанов различных конструкций с однородным материалом на примере клапана судового малоразмерного двигателя Ч8,5-11, с последующим анализом полученных результатов, их изучение и сравнение.

Для удобства решения исследование было разбито на две части. В данной части проводятся изучение влияния температуры в процессе работы судового малоразмерного двигателя Ч8,5/11, в будущей, изученные температурные поля будут передаваться в испытываемое клапанами давление в цилиндре судового малоразмерного двигателя.

Результаты. На данном этапе при использовании метода конечных элементов, были построены и визуализированы температурные поля клапанов различных конструкций, рассчитана плотность теплового потока, а также проанализировано значение имеющихся на клапанах спиральных направляющих в зависимости от температуры. Поскольку расчет был нестационарным, для исследования судового малоразмерного двигателя были выбраны максимальные испытываемые температурные напряжения, действующие на клапаны в процессе эксплуатации.

Выводы. В результате проведённого моделирования были получены данные по распределению температуры внутри тарелок исследуемых клапанов, из стали 40Х, которую имеется возможность просмотреть в любой момент исследуемого интервала. При изучении теплового потока в клапанах разных конструкций было выявлено, что тепловой поток увеличился в клапане с 3 лопастями = 283,12 Вт/мм², а в конструкции с 6 лопастями = 281,49 Вт/мм².

Стремительное развитие судоходства в арктическом регионе создает повышенную потребность в специализированных судах высокого ледового класса, приводит к поиску новых и совершенствованию существующих методов моделирования движения судов в ледовых условиях. Составление математической модели взаимодействия судна со льдом является сложной задачей с точки зрения моделирования свойств льда и единого верного подхода в выборе модели льда не существует, но предлагается большое количество методов, способных решить с достаточной точностью определенные задачи. Известные на сегодняшний день методы численного моделирования взаимодействия судна и льда, несмотря на свою эффективность, имеют существенные ограничения, связанные с высокой вычислительной стоимостью и ограниченной точностью, что определяет актуальность их дальнейшего совершенствования. Поиск оптимальных комбинаций различных численных методов и повышение эффективности вычислительных процессов становится ключевым направлением исследований для повышения безопасности и экономической эффективности арктического судоходства. Проведен комплексный анализ и систематизация существующих методов численного моделирования взаимодействия судна со льдом, а также определение перспективных направлений их совершенствования для повышения эффективности арктического судоходства. Данный обзор включает сравнительный анализ преимуществ и недостатков каждого метода (DEM, FEM, CEM, SPH, PD, LBM), а также оценку их применимости для решения конкретных задач моделирования взаимодействия судна со льдом. В ходе работы рассмотрены следующие аспекты применения методов: вычислительная эффективность, точность моделирования процессов, области оптимальной применимости. Систематизированы основные методы численного моделирования взаимодействия судна со льдом; выявлены общие характеристики всех рассмотренных методов; определены ключевые направления совершенствования существующих подходов; сформулированы рекомендации по определению ледового сопротивления и перечислены программные пакеты для реализации методов моделирования; установлена необходимость дальнейших исследований в области оптимизации вычислительных процессов и повышения точности моделирования взаимодействия судов со льдом. В обзоре сформулированы рекомендации по выбору метода моделирования движения судна во льду. Однако все существующие методы имеют свои ограничения, что приводит к необходимости их развития: разработка комбинированных подходов, оптимизация вычислительных процессов.

Актуальность. Характеристики потока порошка при транспортировке в рабочую зону прямого лазерного выращивания влияют на взаимодействие порошка, лазера и ванны расплава, что напрямую определяет геометрию валика и качество наплавляемого материала. Управление пространственным распределением потока порошка в зоне обработки является ключевым параметром для повышения эффективности и воспроизводимости процесса.

Цель работы — разработка полуаналитического подхода для нахождения траекторий частиц порошка в задаче прямого лазерного выращивания с использованием дискретного струйного сопла.

Методы. Поле скоростей газа-носителя в полупространстве без препятствий, заполненном защитным газом, аппроксимируется аналитическим решением уравнения Эйлера. Траектории частиц порошка находятся численным интегрированием уравнения движения, учитывающим силу Стокса.

Результаты. Получены траектории частиц порошка в зависимости от распределения скорости газа-носителя на выходе из трубочки путем применения точного решения уравнения Эйлера для конкретных параметров частиц порошка и газа-носителя, используемых в аддитивных технологиях.

Выводы. В работе представлена элементарная полуаналитическая модель транспортировки частиц порошка в задаче прямого лазерного выращивания, на основании которой становится возможным получение пространственного распределения частиц порошка в зоне обработки.

Актуальность. Современные газотурбинные двигатели требуют повышения рабочей температуры для увеличения эффективности, что приводит к экстремальным термическим нагрузкам на материалы. Температура продуктов сгорания в авиадвигателях может превышать точки плавления используемых жаропрочных сплавов, что ограничивает их применение. Для защиты рабочих деталей применяются термозащитные покрытия и системы охлаждения с использованием перфорационных отверстий. Технология лазерной перфорации является перспективным методом, обеспечивающим высокую точность и экономическую эффективность при изготовлении отверстий в жаровых трубах с термозащитным покрытием. Разработка и оптимизация таких технологий актуальны для авиационно-космической отрасли и общего машиностроения, где требуется баланс между качеством, производительностью и стоимостью.

Цель работы — разработка рационального технического решения для лазерной перфорации жаровых труб с нанесенным термозащитным покрытием, обеспечивающего оптимальное сочетание точности, качества поверхности и производительности. Работа направлена на анализ существующих методов перфорации, их сравнение и обоснование выбора оптимальной технологии.

Материалы и методы. В работе проведен технический анализ существующих решений перфорации как на примере авиационно-космических, так и общепромышленных применений. Рассмотрены варианты выполнения перфорации жаровых труб по имеющимся в открытых источниках данным. Экспериментальная часть включала использование серийной установки пятикоординатной лазерной обработки СЛП520 с волоконным лазером.

Результаты. Анализ показал, что лазерная перфорация превосходит альтернативные методы по точности и скорости обработки. Оптимальные параметры лазерного излучения обеспечивают минимальное термическое воздействие на термозащитное покрытие и высокую воспроизводимость. Эксперименты выявили, что использование длиннофокусного объектива обеспечивает стабильность диаметра и формы отверстий, а нанесение защитной пасты с нитридом бора позволяет исключить появление выплесков вокруг отверстий.

Заключение. Лазерная перфорация является эффективным решением для изготовления охлаждающих отверстий в жаровых трубах с термозащитным покрытием. Предложенная технология обеспечивает высокую точность, качество и воспроизводимость, что делает ее предпочтительной для авиационно-космических применений. Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение влияния защитной пасты на величину измененного слоя.

Актуальность. Различные типы покрытий используются для защиты конструкционных материалов от коррозии и износа, а также для обеспечения теплоизоляции. Среди них наиболее сложную структуру имеют те покрытия, которые эксплуатируются в условиях высоких температур, например, в авиационных и промышленных газотурбинных двигателях, изолируя компоненты турбины от потока горячего газа, повышая этим долговечность и энергоэффективность двигателей [1]. К термобарьерным покрытиям предъявляются три основных требования: низкая температуропроводность, стабильность при высоких температурах, высокая долговечность, поэтому удалить их довольно трудно.

Цель — решение проблемы снятия термобарьерного покрытия с рабочих лопаток газотурбинных двигателей, которые подвергаются интенсивному износу из-за сложных условий эксплуатации. В качестве наиболее эффективного метода очистки предлагается технология лазерной очистки — передовая технология, позволяющая найти решения для снижения производственных затрат и повышения производительности и качества производственного процесса [2]. Обсуждается важность сохранения основного материала лопатки при снятии термобарьерного покрытия для его последующей эксплуатации (нанесения нового покрытия). Ставится цель удалить термобарьерного покрытия без повреждения основного металла и определить оптимальный режим для данного рода задач.

Методы. Для достижения цели лопатка из сплава ЧС-70ВИ подверглась резке по длине пера на несколько частей, одна из которых стала образцом-свидетелем. Эта часть не подвергалась очистке. С остальными образцами были проведены лабораторные экспериментальные исследования, направленные на изучение влияния входных параметров процесса лазерной очистки на полноту удаления термобарьерного покрытия. Далее все образцы подвергались металлографическим исследованиям для определения структуры материала, микротвердости и толщины термобарьерного покрытия.

Результаты. В статье представлен металлографический анализ микротвердости и толщины термобарьерного покрытия после проведения испытаний, подтверждающий эффективность лазерной очистки для обеспечения долговечности и надежности рабочих лопаток газотурбинного двигателя.

Выводы. В соответствии с задачами был проведен литературный обзор статей по теме лазерной очистки. Далее были выбраны диапазоны варьирования основных параметров обработки. Произведена серия экспериментов, после которой образцы были отправлены на металлографический анализ. На основе полученных в результате металлографического анализа данных определен режим, обеспечивающий полное снятие термобарьерного покрытия, и установлена зависимость толщины термобарьерного покрытия от мощности излучения.

Актуальность. Судовое электронное и электротехническое оборудование не может быть поставлено на суда, если оно не соответствует требованиям по устойчивости, предъявляемым к импульсных помехам. При испытаниях оборудования, спроектированного без учета этих требований, фиксируются сбои в его работе. Важно уметь прогнозировать эффекты воздействия помех на стадии проектирования оборудования.

Цель работы — дать математические и схемные модели испытательных генераторов импульсных помех для оценки устойчивости схем оборудования к импульсным помехам при их разработке.

Методы. Результаты работы базируются на требованиях Российского морского регистра судоходства по электромагнитной совместимости, документах международной электротехнической комиссии серии IEC 61000-4. Использованы математические описания сигналов импульсной формы, программы моделирования схем в области электротехники.

Результаты. Даны формулы, описывающие импульсные помехи со стандартными параметрами. Приведены детальные схемы испытательных генераторов для использования в моделирующих программах, даны примеры результатов моделирования и погрешности имитируемых параметров помех.

Выводы. Применение предложенных моделей позволяет прогнозировать результат воздействия помех на стадии проектирования оборудования до проведения испытаний на помехоустойчивость, что сокращает время и затраты на доработку оборудования.

Актуальность. Актуальность работы обусловлена необходимостью создания средств компьютерного моделирования, позволяющих оценивать результат воздействия электромагнитных помех на блоки аппаратуры на стадии проектирования.

Цель работы. Установить возможность применения вычислительных методов частотной области для моделирования переходных процессов, возникающих при воздействии электростатического разряда на блоки аппаратуры.

Материалы и методы. В работе предлагается для моделирования стандартизованных воздействий электростатических разрядов на блоки аппаратуры использовать метод поверхностных интегральных уравнений в частотной области. Для этого к стандартизованному току разряда применяется быстрое преобразование Фурье и методами частотной области моделируется воздействие сосредоточенного источника гармонического тока для ряда частот. Для каждой частоты определяется коэффициент преобразования воздействия в помеху. Временные зависимости наведенных электростатическим разрядом напряжений и токов получаются в результате обратного быстрого преобразования Фурье, примененного к произведению спектра тока разряда и соответствующего коэффициента преобразования.

Результаты. Результаты, полученные с помощью методов частотной области и методов временной области, совпадают с достаточной для практических расчетов точностью. При этом воздействие каждой частотной составляющей анализируется независимо, что допускает высокую степень параллелизации вычислений, в то время как расчет методами временной области требует завершения расчетов для предшествующих моментов времени. Требования к размеру элементов расчетной сетки определяются длиной волны на максимальной учитываемой частоте.

Заключение. В работе показана принципиальная возможность использования методов частотной области для моделирования импульсных электромагнитных воздействий, таких как воздействие электростатического разряда. Частотные зависимости коэффициентов преобразования и спектральной плотности помех предоставляют дополнительную информацию о связи уровней помех с геометрией блоков аппаратуры и о возможных путях их снижения.