На современном этапе развития науки и техники актуальной является проблема повышения качества металлоизделий путем интеграции методов интенсивного пластического деформирования в действующие технологические процессы. Интенсивное пластическое деформирование позволяет получать высококачественные наноструктурированные металлические материалы с привлекательным комплексом свойств за счет насыщения металла дефектами наноуровня. Заготовки с шарообразным утолщением с двумя отростками по краям являются распространенной формой металлопродукции. Для изготовления таких металлоизделий использован эффект взаимного влияния всестороннего сжатия и равноканального углового прессования в устройстве для реализации равноканального углового прессования в закрытой матрице. Разработан теоретический подход к определению напряженного состояния и усилия деформации шарообразных заготовок в закрытой матрице. Для этого использовали комплексный подход определения напряженного состояния и усилия деформирования методом линий скольжения и компьютерного моделирования в программном комплексе Deform-3D. Анализ результатов напряженного состояния заготовок, полученных методом линий скольжения, показал, что формируется равномерное напряженное состояние с преобладанием максимальных сжимающих напряжений. Сочетание последних с угловым выдавливанием металла в боковые каналы матрицы прогнозирует получение заготовок с субультрамелкозернистой и/или наноструктурой. Методом совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности, а также компьютерного моделирования определено деформирующее усилие заготовок на конечной стадии деформирования при вытекании металла в боковые каналы матрицы. Анализ полученных результатов показывает, что значение усилия деформирования, полученное двумя методами, является сопоставимым с отличием до 2 %, что подтверждает правильность полученных данных.

Представлены модели деформирования функционально-градиентных круглых пластин в рамках гипотез Кирхгофа и Тимошенко. На основе ранее полученных с помощью вариационного принципа Гамильтона - Остроградского уравнений колебаний и граничных условий выписаны постановки задач в цилиндрической системе координат, учитывающие переменность функций цилиндрической жесткости и плотности по радиальной координате, что позволяет рассматривать пластины из функционально-градиентных материалов. Пластины считались жестко защемленными по краю, рассматривался случай установившихся колебаний, вызванных нагрузкой, приложенной к поверхности. Построена схема решения прямых задач расчета колебаний пластин, основанная на методе Галеркина. С ее помощью был проведен анализ влияния функций цилиндрической жесткости и плотности на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ, акустический отклик), который выявил, что обе функции существенно влияют на АЧХ, причем наибольшее влияние наблюдается в окрестности резонансных частот. Результаты анализа позволили сформулировать постановки новых обратных задач совместной идентификации функций цилиндрической жесткости и плотности неоднородной круглой пластины по дополнительной информации об акустическом отклике для обеих гипотез. Для их решения построена специальная проекционная методика, основанная на разложении неизвестных функции механических характеристик, а также динамических величин (функций прогиба и угла поворота нормали) по некоторым системам линейно независимых функций, удовлетворяющих граничным условиям. Коэффициенты этих разложений определяются из решения специальных систем линейных и нелинейных уравнений, полученных из формулированных слабых постановок обеих задач. В результате удалось провести совместную идентификацию искомых характеристик в заданных классах функций. Результаты идентификации проиллюстрированы набором вычислительных экспериментов для различных функций.

Рассматриваются варианты теории пластического течения при комбинированном упрочнении, широко применяемые в практических расчетах конструкций. Проводится сравнительный анализ вариантов теории при сложном нагружении по пространственным траекториям деформаций постоянной и переменной кривизны и кручения. Рассматриваются траектории большой кривизны и от среднего до большого кручения. Анализ результатов исследований проводится в векторном пространстве А.А. Ильюшина. Рассматриваются пространственные траектории деформаций в виде винтовых линий постоянной и переменной кривизны. Результаты расчетов сопоставляются с результатами экспериментальных исследований по ответным компонентам вектора напряжений и скалярным свойствам вдоль траектории деформаций. Рассматриваются варианты теории: модель Ишлинского - Прагера - Кадашевича - Новожилова (линейное кинематическое упрочнение и изотропное упрочнение); модель Шабоша с тремя эволюционными уравнениями Армстронга - Фредерика - Кадашевича; модель Темиса, построенная на основе инвариантной теории пластичности; модель Бондаря с трехчленной структурой эволюционного уравнения для кинематического упрочнения. Приводятся материальные параметры (функции), замыкающие варианты теории пластичности. Удовлетворительное соответствие эксперименту по всем траекториям деформаций достигается при расчете на основе модели Шабоша - отличие результатов расчетов и экспериментов не превышает 30 %. Наилучшее соответствие эксперименту достигается на основе модели Бондаря - отличие результатов расчетов и экспериментов по всем траекториям не превышает 10 %. Модель Бондаря замыкается тремя материальными параметрами и одной материальной функцией, которые определяются из простых экспериментов на одноосное растяжение и растяжение после предварительного сжатия (излом траектории деформаций на 180°). Модель пластичности Бондаря имеет обобщение на неизотермическое нагружение, особенности циклического непропорционального и пропорционального нагружений и описывает процессы накопления повреждений (ресурс).

Проведено исследование напряженно-деформированного состояния термоупругого полого цилиндра с однородным покрытием с учетом масштабных эффектов. Для учета масштабных эффектов применяется однопараметрическая градиентная модель Айфантиса. Уравнения равновесия и граничные условия для составного полого термоупругого цилиндра получены на основе вариационного принципа Лагранжа. По сравнению с классической постановкой задачи задаются дополнительные граничные условия и условия сопряжения для моментных напряжений и градиентов перемещений. Выполнено обезразмеривание поставленной задачи термоупругости. Решение задачи несвязанной термоупругости начинается с нахождения радиального распределения температуры слоистого цилиндра на основе решения задачи теплопроводности в классической постановке. Решение задачи в перемещениях представлено в виде суммы решений в классической постановке задачи и дополнительных погранслойных слагаемых, найденных на основе асимптотических свойств модифицированных функций Бесселя. Получены упрощенные аналитические выражения для нахождения радиальных перемещений, радиальных и окружных напряжений Коши, ненулевых компонент тензора моментных и полных напряжений. На конкретных примерах проведены вычисления радиального распределения перемещений и напряжений составного цилиндра в случае как механического, так и теплового нагружения. Исследованы границы применимости асимптотического решения задачи. Показано отличие радиального распределения перемещений и напряжений, найденных на основе решений задачи в классической постановке и в градиентной постановке. Выяснено, что радиальные напряжения Коши испытывают скачок на границе цилиндра и покрытия, что объясняется непрерывностью радиальных перемещений и их первых производных. Компоненты тензора моментных напряжений либо принимают пиковые значения либо испытывают скачок на границе сопряжения. Моментные напряжения пропорциональны квадрату градиентного параметра, при малых значениях которого имеют величины, намного меньшие значений полных напряжений. При увеличении безразмерного масштабного параметра снижаются значения радиальных перемещений и полных окружных напряжений, однако возрастают моментные напряжения.

Современное состояние конститутивных моделей материалов и развитие вычислительной техники дают возможность численно реализовать комплексные многоуровневые модели, позволяющие описывать текущее состояние и эволюцию структуры материала. Модели данного класса позволяют осуществить постановку и решение задач оптимального управления процессами обработки металлов давлением с целью формирования требуемых эксплуатационных характеристик готовых изделий и их заготовок. Для решения этой проблемы в рамках настоящей работы применена разработанная многоуровневая модель для описания термомеханической обработки поликристаллических материалов. Модель основана на подходе с введением внутренних переменных, в котором в явном виде рассматриваются носители и физические механизмы процессов горячей интенсивной пластической деформации. При температурах деформирования порядка и выше 0,5 гомологической особое влияние на формирование и изменение зеренной и дефектной структуры материала оказывает процесс рекристаллизации. В работе рассматривается задача определения критической деформации инициации динамической рекристаллизации в зависимости от взаимной разориентации соседних зерен и текстуры материала. Для этого с применением многоуровневой модели проводятся численные эксперименты по описанию двух этапов неупругого деформирования. На первом этапе рассматривается холодное неупругое деформирование простым сдвигом и сжатием, приводящее к формированию соответствующей текстуры. На втором этапе рассматривается одноосное горячее растяжение. Исходное распределение кристаллографической разориентации зерен полагается равномерным. Рассматриваются два варианта взаимной разориентации зерен с предписанными повышенными и пониженными значениями средних углов разориентации. Процесс рекристаллизации в явном виде не моделируется, в представленном виде модель предназначена для оценки критической степени деформации инициации рекристаллизации. Показано, что наибольшее влияние на критическую деформацию имеет взаимная разориентация зерен нежели текстура. Увеличение угла взаимной разориентации зерен способствует более раннему началу процесса динамической рекристаллизации. Формирование деформационной текстуры приводит к уменьшению угла взаимной разориентации зерен и, соответственно, к уменьшению интенсивности динамической рекристаллизации. Несмотря на это, с ростом деформации движущая сила динамической рекристаллизации - среднее значение разности запасенной энергии - увеличивается, что приводит к ее реализации.

Разработана математическая модель и дан численный модальный анализ антиобледенительного режима функционирования нового индикаторного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным (PEL) датчиком для индикации, локации и самоочистки от обледенения аэродинамических поверхностей. Оптоволоконный PEL-датчик расположен в плоскости покрытия, при этом на выходе из оптоволокна датчика установлен приемник-анализатор информативных интегральных интенсивностей световых сигналов и к выходам двух управляющих электродов датчика подключен генератор переменного электрического напряжения. Антиобледенительная функция полимерного покрытия осуществляется в автоматическом режиме посредством термомеханического актюаторного воздействия PEL-датчика на присоединенный к поверхности покрытия слой (корку) льда и лишь на тех локальных участках покрытия, где толщина присоединенного слоя льда достигла заданного критического значения. Контроль качества очистки от обледенения поверхности антиобледенительного покрытия осуществляется по алгоритмам цифровой обработки информативных световых сигналов на выходе из оптического волокна PEL-датчика. В результате достигается повышение эффективности и контроль удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, особенно для протяженных поверхностей; энергоэффективность антиобледенительного полимерного покрытия повышается из-за локальности и самоконтроля процесса очистки от обледенения. Модальный анализ осуществлен в пакете конечно-элементного анализа ANSYS на основе численного решения связанной краевой задачи электроупругости об установившихся вынужденных электромеханических колебаниях представительной ячейки антиобледенительного индикаторного полимерного покрытия. Представлены результаты расчета собственных частот и форм колебаний представительной ячейки антиобледенительного покрытия, амплитудно-частотные характеристики механических напряжений на границе «покрытие/лед» для различных значений толщины присоединенного слоя льда для случая действия вынуждающей гармонической «силы» в виде управляющего электрического напряжения на электродах встроенного PEL-датчика.

Представлен численный анализ, основанный на ранее полученных экспериментальных данных по росту трещин для сталей Р2М и 34Х, алюминия 7050 и титанового сплава Ti-6Al-4V компактных образцов (CTS) с односторонним боковым надрезом, в рамках традиционной теории градиентной пластичности деформаций (CMSG), основанной на дислокационной модели Тейлора. В данном исследовании были рассмотрены начальные точки криволинейной траектории трещины для двух классических состояния: плоская деформация и плоское напряженное состояние при нормальном отрыве и чистом сдвиге. Конституционные уравнения поведения материала для теорий CMSGP были введены в вычислительный комплекс конечных элементов, и получены новые поля параметров напряженно-деформированного состояния для условий градиентной пластичности деформаций. Результаты FE-расчетов показывают значительное увеличение величины полей истинных напряжений в вершине трещины с учетом градиентов пластической деформации и внутренней характерной длины материала. Численные результаты также показывают, что сингулярность в области вершины трещины отлична для модели градиентной пластичности деформаций и зависит от формы разрушения I/II. Важным выводом относительно численных результатов в отношении параметров сопротивления разрушению материала, является то, что новые пластические коэффициенты интенсивности напряжений для градиентной пластичности отличаются для плоской деформации и плоского напряженного состояния, а также проявляют значительную чувствительность к пластическим свойствам материала и к масштабному параметру внутренней характерной длины, что является привлекательным с точки зрения практического применения и дальнейших фундаментальных исследований.

В настоящее время особое внимание ученых направлено на возможность создания так называемых Smart-конструкций, которые способны проводить самодиагностику в режиме реального времени и/или функциональные изменения. В рамках данной работы рассматривается возможность создания конструкций, способных проводить диагностику деформационного состояния в режиме реального времени. При создании таких Smart-конструкций в качестве датчиков контроля, как правило, используют волоконно-оптические, пьезо- и тензометрические. Их применение обусловливается рядом преимуществ, таких как: малые размеры, возможность объединения в единую измерительную сеть, простота в использовании, широкий спектр измеряемых величин, способность передавать данные на большие расстояния. Однако при внедрении таких датчиков в конструкции возникает ряд сложностей: установки/демонтажа или внедрения в силу хрупкости волокна, сложность базирования чувствительного элемента, обеспечение целостности волоконно-оптической линии на выходе из полимерной конструкции. Авторским коллективом Научно-образовательного центра авиационных композитных технологий ПНИПУ разработан прототип Smart-слоя по технологии 3D-печати, способный решить описанные выше проблемы. Однако открытым остается вопрос изменения физико-механических характеристик конструкций из полимерных композиционных материалов со Smart-слоем. Таким образом, целью данной работы является проведение расчетных и экспериментальных исследований по оценке механического поведения образцов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с внедренным Smart-слоем. Описана технология и схема изготовления Smart-слоя с внедренными волоконно-оптическими датчиками, а также схема укладки Smart-слоя в образцы из ПКМ. Поскольку свойства образцов из литых пластиков отличаются от напечатанных, проведены механические испытания на растяжение напечатанных образцов. Полученные значения предела прочности и модуля упругости использовались для идентификации математической модели. В рамках экспериментальной части проведены механические испытания на растяжение, сжатие и межслоевой сдвиг образцов из ПКМ с внедренным Smart-слоем. При анализе полученных экспериментальных результатов установлено, что максимальное процентное отклонение физико-механических характеристик (ФМХ) составляет не более 15 %, что лежит в рамках разброса ФМХ углепластика в рулоне препрега. Вследствие полученных данных можно сделать вывод, что внедрение таких Smart-слоев несущественно влияет на ФМХ итоговой конструкции из ПКМ. По результатам математического моделирования по растяжению образца из ПКМ с внедренным Smart-слоем установлено, что максимальное значение нормальных напряжений в образце достигает 540,28 МПа, что на 1,46 % превышает максимальное значение по статистическому пределу прочности образца. Максимальные значения напряжений по Мизесу для Smart-слоя не превышают значения предельной прочности, в то время как для эпоксидного связующего наблюдается существенное превышение предела прочности, на основании которого можно сделать предположение о его разрушении в процессе деформирования.