авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Моделирование режимов твердофазного превращения в условиях квазистатического нагружения

На правах рукописи

Евстигнеев Николай Константинович

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТВЕРДОФАЗНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

В УСЛОВИЯХ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Томск – 2010

Работа выполнена на кафедре математической физики ГОУ ВПО «Томский го сударственный университет»

Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Князева Анна Георгиевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Киселев Сергей Петрович доктор физико-математических наук, профессор Скрипняк Владимир Альбертович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится 12 ноября 2010 г. в 14.30 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.267.13 при ГОУ ВПО «Томский государственный уни верситет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ле нина, 34а.

Автореферат разослан «» октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из традиционных направлений механики деформируемого твердого тела является исследование влияния механического нагружения на фазовые превращения и химические реакции в твердой фазе.

Это связано как с теоретической проблемой изучения взаимодействия полей различной физической природы, с построением моделей многокомпонентных и многофазных сред, так и с проблемой управления физико-химическими про цессами в современных технологиях.

Механические воздействия могут быть как статическими (растяжение, сдвиг, кручение, поворот), так и динамическими (ударные волны, взрыв, вибра ция, прессование, ультразвук). В любом случае влияние внешней нагрузки свя зано с изменением режимов превращения (скорость, направление, стадий ность). В полной мере это относится к процессам самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и спекания. Известны ряд ученых, рабо ты которых связаны с моделированием превращений в твердых средах (М.А.

Гринфельд, А.Б. Фрейдин, А.М. Столин, В.К. Смоляков). Начало построения моделей многокомпонентных сред связывают с именами А.К. Эрингена, Р.М.

Боуэна, В. Новацкого.

Однако связанные модели физико-химических превращений в различных условиях нагружения – большая редкость, что предопределяет актуальность ра боты. Настоящая работа связана с исследованием влияния напряженно деформированного состояния (НДС) на режимы распространения твердофазной экзотермической химической реакции с учетом связанности полей деформаций, температуры и концентраций.

Несмотря на растущее количество экспериментальных работ в этой об ласти, реологическое поведение материалов в условиях изменения температуры изучено пока недостаточно. Это относится и к порошковым материалам, из ко торых синтезируют тугоплавкие продукты в условиях квазистатического прес сования или СВС-экструзии.

Реакции в безгазовых системах протекают с выделением большого коли чества тепла, что часто приводит к расплавлению реагентов и продуктов, так что сами реакции могут протекать и в жидкой фазе. Вследствие больших тем ператур во фронте реакции, изменения свойств в процессах плавления и кри сталлизации и в ходе превращения такие реакции сопровождаются появлением внутренних напряжений, которые могут оказывать влияние на кинетику про цесса, что представляет существенный интерес для изучения возможности управления такими процессами.

Цель работы состоит в теоретическом изучении влияния условий квази статического нагружения и реологии на режимы твердофазного превращения.

В соответствии с поставленной целью требуется:

1) построить связанные модели распространения экзотермической хими ческой реакции в твердой фазе при различных условиях квазистатического на гружения, 2) разработать алгоритмы численного исследования связанных моделей, 3) исследовать влияние связанности тепловых и механических процессов на режимы превращения и эволюцию полей напряжений и деформаций в усло виях одноосного растяжения, сдвига и жесткой заделки торцов, 4) сформулировать и численно реализовать математическую модель про цесса высокотемпературного синтеза, совмещенного с плунжерной экструзией смеси через коническую матрицу;

определить технологические параметры, обеспечивающие наиболее благоприятные условия протекания процесса, 5) исследовать эволюцию НДС в процессе синтеза для различных реоло гических моделей.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые 1) сформулированы и исследованы связанные модели твердофазных пре вращений в условиях одноосного растяжения, сдвига и жесткой заделки торцов;

продемонстрировано качественно различное влияние вида нагружения на ре жимы превращения, 2) разработаны алгоритмы численного исследования связанных задач, 3) предложена связанная модель процесса плунжерной экструзии, совме щенной с высокотемпературным синтезом интерметаллического соединения.

На защиту выносятся:

– связанная математическая модель распространения химической реакции в твердой фазе для различных вариантов НДС, – результаты численного моделирования влияния квазистатического ме ханического нагружения на динамику химического превращения, – комплекс результатов численного моделирования процесса высокотем пературного синтеза, совмещенного с плунжерной экструзией через кониче скую матрицу, – результаты численного исследования влияния реологических свойств среды на эволюцию полей напряжений и деформаций в материале в процессе синтеза под нагрузкой, – алгоритмы численного исследования предложенных связанных моде лей.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы численного решения связанных моделей могут быть использованы для изучения НДС мате риалов в иных условиях нагружения, с иными реологическими свойствами, а также могут быть распространены на многокомпонентные среды с учетом ста дийности превращения. Полученные результаты представляют интерес для изучения проблем синтеза новых материалов, способов управления реакциями в конденсированной фазе. Результаты расчетов, представленные в работе, мо гут быть использованы для выбора оптимальных технологических параметров при экспериментальном исследовании СВС-экструзии различных интерметал лидных систем.

Достоверность научных результатов обеспечивается корректной по становкой решаемых в диссертационной работе задач;

использованием совре менных физических представлений и математических и вычислительных мето дов, тщательным тестированием программ;

непротиворечивостью полученных результатов и их соответствием в предельных случаях теоретическим результа там, известным из литературы, а также имеющимся экспериментальным фак там.

Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, на писании и отладке программ, численном исследовании сформулированных за дач, обсуждении полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы докладывались и обсуждались на следующих Всероссийских и Ме ждународных конференциях и семинарах: V Всероссийская конференция «Ме ханика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008), XXXIV Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чте ния» (Москва, 2008), XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2008), XXXIII Дальневосточная математическая школа-семинар им. академика Е.В. Золотова (Владивосток, 2008), XXXVII Международная летняя школа конференция «Advanced Problems in Mechanics» (Санкт-Петербург, 2009), V Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнерге тических систем» (Томск, 2009), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материа лов (Томск, 2009), II Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009), II Международная конферен ция «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела» (Казань, 2009), Х Международная конференция «Забабахинские научные чтения» (Сне жинск, 2010), VII Международная конференция «Simulation of multiphysics mul tiscale systems» (Амстердам, 2010), VII Международная конференция «Лаврен тьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах вышеперечисленных конференций, а также в журналах «Известия высших учебных заведений. Физика», «Procedia computer science», «Известия Томского политехнического университета», «Физика горения и взрыва». Всего по мате риалам диссертации опубликовано 13 работ [1–13].

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованной литературы из 176 наименований. Работа изложена на 131 странице, включая 102 рисунка и таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формули руется цель и задачи исследования, приводится научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также сформулированы положения, вы носимые на защиту.

В первом разделе дается краткий аналитический обзор российских и за рубежных работ по теме исследования.

Представлены примеры моделей, иллюстрирующих роль перекрестных эффектов в системе «химическое превращение – механические напряжения».

Перечислены основные виды технологий, использующих синтез в твердой фазе в сочетании с различными видами нагружения. Показана ограниченность как чисто тепловых моделей твердофазного синтеза, так и моделей механического поведения материалов с изменяющимися свойствами без явного учета физико химических процессов.

Результаты обзора подтверждают актуальность темы работы, обоснован ность цели, задач и методов исследований.

Во втором разделе приведены основные уравнения и определяющие со отношения, которые используются в работе.

На основе уравнений механики сплошных сред и уравнения Гиббса осу ществляется вывод уравнения теплопроводности, в котором учитывается работа как упругих, так и вязких напряжений. Уравнение химической кинетики в соот ветствии с представлениями [1, 2] также записано с учетом работы напряжений.

В теории термоупругости традиционно используются соотношения Дюа меля-Неймана: ij = 2 ij + ij [ kk 3K T (T T0 ) ], где ij – тензор упругих e e напряжений, ij – тензор деформаций,, – коэффициенты Ламэ, ij – символ Кронекера, по повторяющемуся индексу подразумевается суммирование:

kk = ii, K – модуль изотермического всестороннего сжатия, T – коэффици i = ент термического расширения, Т – температура. Если состав среды в ходе про цесса изменяется, как, например, происходит при химических превращениях, то для связи тензоров напряжений и деформаций следует применять обобщенные соотношения Дюамеля-Неймана:

ij = 2 ij + ij [ kk K ], e (1) где = 3[ T (T T0 ) + ( p r )Y ] – функция объемного расширения, p – r – коэффициент, учитывающий изменение объема вследствие несоответствия объ емов конечной и начальной фаз, Y – степень превращения. Несложно перепи сать соотношения (1) в виде ij kk ij = + ij + T (T T0 ) + ( p r )Y = ij + T + Y, e ij ij 2 3K 2 где первое слагаемое в правой части – это обратимые деформации, вызванные упругими напряжениями, второе – термические деформации;

третье – необра тимые деформации, связанные с превращениями в веществе.

При математическом описании процессов упругого и вязкого взаимодей ствия хорошо известна аналогия в формулировке реологических соотношений.

Действительно, для упругой и вязкой сред имеют место соотношения e ij = 2 ij + ij kk, V = 2V ij + ij V, & & ij kk где V – коэффициент динамической вязкости, – модуль объемной вязкости.

Воспользуемся этой аналогией для выражения (1). Тогда для вязких напряже ний можно записать & & & V = 2V ij + ij v kk, (2) ij 3 В общем случае считается, что полный тензор напряжений включает уп ругую (1) и вязкую (2) составляющие.

В третьем разделе сформулирована и исследована модель распростране ния твердофазного превращения в условиях одноосного нагружения. Рассмат ривается неподвижная пластина из реакционноспособного вещества под дейст вием внешнего одноосного растяжения. Величина нагрузки составляет 0.01 от предела прочности на разрыв материала пластины. Направление действия на грузки перпендикулярно направлению распространения химической реакции.

В модели считаем, что экзотермическая реакция может быть описана про стой суммарной схемой A B (реагент – продукт реакции);

температура плав ления не достигается, и вся реакция происходит в твердой фазе. Так как ско рость распространения твердофазной реакции много меньше скорости распро странения механических возмущений, силами инерции пренебрегаем. Тепло обмен с внешней средой не учитываем.

На основе этой задачи исследована эволюция полей напряжений и де формаций в зоне реакции с учетом тепловыделения и изменения объема в ходе реакции.

Задача состоит из двух частей, которые с учетом при нятых предположений час тично решаются независимо.

На первом этапе рассматрива Рис. 1. Иллюстрация к постановке задачи.

ем задачу о механическом равновесии пластины в приближении обобщенного плоского напряженного со стояния. Используя уравнения равновесия и условие совместности деформаций, определяем все ненулевые компоненты тензоров напряжений и деформаций:

xx, yy, хх, yy, zz. С учетом полученного решения приходим к нелинейной зада че о распространении реакции в твердой фазе, которая решается численно в безразмерных переменных. Связанность процессов характеризуют параметры:

(3K T ) 2 (T* To ) kQ, A=, = c( + 2) E где c – теплоемкость, – плотность, T* = To + Q/(c·) – адиабатическая темпера тура, устанавливающаяся после полного сгорания смеси, Q – тепловой эффект реакции, Е – энергия активации химической реакции, k – коэффициент чувст вительности скорости реакции к работе напряжений (параметр А – его безраз мерный аналог). – коэффициент связанности, который в отличие от теории термоупругости вычисляется при температуре, характерной для процесса хими ческого превращения.

Эволюция температуры в точке х=0 (рис. 2) свидетельствует о том, что если скорость реакции не зависит от работы напряжений (кривая 1), то на кри вой можно выделить время «зажигания», или время начала превращения, i0.

Если A0, то время начала превращения на температурной кривой четко выде ign 3 2 1 i 0 10 20 A 0 5 10 15 Рис. 2. Эволюция температуры по- Рис. 3. Влияние параметров А, на верхности. 1– А=0, 2– А=5, 3– А=10, 4– координату точки инициирования хи А=15;

=0.03. мической реакции. 1–=0.01, 2– =0.02, 3–=0.03, 4–=0.06.

лить не удается. По-видимому, приложенная нагрузка препятствует бурному росту температуры и, как следствие, росту степени превращения при иницииро вании реакции, что приводит к растягиванию процесса во времени.

Существенное влияние оказывает коэффициент связанности. С его уве личением координата инициирования реакции смещается вглубь, как это пока зано на рис. 3. При 0.01 инициирование всегда происходит на поверхности.

Четвертый раздел посвящен исследованию влияния характера НДС на режимы твердофазного превращения в пластине. Рассматриваются три вариан та: жесткая заделка пластины по всему контуру, одноосное растяжение, сдвиг.

Используется приближение обобщенного плоского напряженного состояния в двумерной постановке. Для решения задачи о механическом равновесии ис пользован метод последовательной верхней релаксации (Янга). Для решения уравнения теплопроводности использована схема переменных направлений.

Полученная система конечно-разностных уравнений решена с помощью метода прогонки. Для решения уравнения химической кинетики использована явно неявная разностная схема.

Для анализа процесса выбрана интегральная характеристика 1 Lh Y= Y dd, где L и h – длина и ширина пластины. На кривых Y ( ) Lh 0 (рис. 4) можно выделить период индукции (I), в течение которого степень пре вращения ничтожно мала, стадию начального ускорения процесса (II), стадию замедления (III) и ускорение реакции на завершающей стадии (IV). Для практи ческих исследований большое значение имеет такая характеристика как время полупревращения 0.5, которое легко определить с помощью кривых Y (), как показано на рис. 4. Обнаружено, что в разных условиях нагружения режимы превращения различны. Наиболее неоднородные поля температуры и степени превращения наблюдаются в случае одноосного растяжения.

Y IV 0, 0, III 0, 0, II 0,0 I 0 20 40 Рис. 4 Изменение со временем средней степени превращения в случае од ноосного растяжения. =0.03, 1–A=5, 2–A=10, 3–A=15, 4–A=20.

Разные режимы превращения непосредственно связаны с различным ха рактером НДС. Это иллюстрируют рис. 5–6. Искривление изолиний первого инварианта тензора напряжений при одноосном растяжении (рис. 5, а) и сдвиге (рис. 5, б) в средней части пластины связано с протеканием в этой зоне интен сивных химических превращений. Если к пластине не приложена внешняя на грузка, то подобная картина выражена слабо (рис. 5, в).

Максимальные значения растягивающих напряжений локализуются в средней части пластины при сдвиге (рис. 5, в) и вблизи нагружаемых поверхно стей при одноосном растяжении (рис. 5, а). В случае жесткой заделки в углах пластины при малых значениях возникают и локализуются сжимающие на пряжения (рис. 5, в), при этом по абсолютной величине они превышают напря жения, возникающие в образце при растяжении и сдвиге.

skk ekk 0, 2, 0, 1, 0, 0, 0 0 0 5 10 0 5 10 а а 15 skk ezz 0, 0, 10 0, 0, 0, 0, 5 0 0 5 10 15 0 5 10 б б skk ekk -1,20 1, 10 -1,90 0, -2,60 0, 5 0 0 0 5 10 15 0 5 10 в в Рис. 5. Первый инвариант тензора на- Рис. 6. Первый инвариант тензора де пряжений в случае одноосного растя- формаций в случае одноосного растя жения (а), сдвига (б) и жесткой задел- жения (а), сдвига (б) и жесткой задел ки (в). ки (в).

Что касается поля деформаций, здесь основную роль играет изменение свойств в ходе химической реакции, за что отвечает параметр g (относительное изменение объема в ходе реакции). При отсутствии реакции в условиях одноос ного растяжения наибольшие деформации, равно как и напряжения, возникали бы в области нагружаемых поверхностей: 0, 15. Однако из рис. 6, а следу ет, что основной вклад в возникающие деформации вносит химическое пре вращение, и с ростом координаты деформации в среднем убывают. Подобная картина наблюдается и в остальных случаях (рис. 6, б, в).

Следует отметить, что даже в том случае, когда внешняя приложенная на грузка соответствует условиям чистого сдвига, в связанной постановке задачи чистый сдвиг не наблюдается.

В пятом разделе на основе результатов пред варительных исследований (разделы 3–4) сформули рована и численно реализована модель синтеза ин терметаллического соединения в условиях НДС, реализуемого в процессе экструзии через кониче скую пресс-форму (рис. 7).

Рассматривается цилиндрическая камера с ко нической выходной частью, материал выдавливается в цилиндрический насадок. В качестве реакционной смеси выбран порошок 3Ni+Al. В камере иницииру ется экзотермическая химическая реакция за счет на Рис. 7. Иллюстрация к грева стенок камеры в течение заданного времени, постановке задачи.

происходит формирование продукта реакции, после чего начинается выдавливание смеси веществ, содержащихся в камере, прес сом. После завершения химической реакции система остывает, что описывается в соответствии с законом Ньютона. Задача является осесимметричной, сформу лирована в двумерной постановке в цилиндрической системе координат. Мо дель включает уравнения движения смеси, уравнение неразрывности;

уравнение теплопроводности и химической кинетики.

В настоящей работе проанализировано влияние различных реологических соотношений, соответствующих материалам с разными реологическими свой ствами, на распределения температуры, степени превращения, компонент тен зоров напряжений, деформаций и скоростей при варьировании геометрических размеров камеры, условий нагрева и нагружения. В гипоупругой модели при ращения компонент тензора напряжений линейно связаны с приращениями компонент тензора деформаций, приращениями температуры и степени пре вращения подобно (1). В модели вязкой среды известная аналогия между ком понентами тензоров напряжений и деформаций распространена на внутренние напряжения, вызванные неравномерным нагревом и изменением свойств в ходе реакции, что отражено в (2). Вязкоупругая модель учитывает все названные эф фекты. Исследованы связанные и несвязанные варианты моделей. Для решения полученных уравнений параболического типа (теплопроводности, движения в случае вязкой и вязкоупругой моделей) использовался метод переменных на правлений, для уравнений эллиптического типа (движения в случае гипоупру гой модели) использовался метод последовательной верхней релаксации. В слу чае вязкоупругой модели не удается единым алгоритмом работать в широкой области изменения параметров задачи, поэтому расчеты ограничивались той областью изменения параметров, при которых уравнения остаются параболиче ского типа.

z z z 500 Vz Vz Vz 600 0. 0, 0, 0. 0, 0,06 700 0. 0, 0, 800 900 r 1000 1000 r r 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 а б в Рис. 8. Поле компоненты скорости Vz, а – вязкая модель, б – гипоупругая модель, в – вязкоупругая модель.

Наиболее отчетливо различие моделей проявляется на примере компонен ты скорости Vz. На рис. 8 приведено распределение скорости в момент, когда пресс полностью прошел цилиндрическую камеру для вязкой (а), гипоупругой (б) и вязкоупругой (в) моделей.

В процессе протекания реакции немалое значение играет параметр, харак теризующий изменение объема в ходе реакции. Если реакция идет с увеличени ем объема, то в области интенсивных химических превращений имеют место наибольшие деформации сжатия.

Для реальных технологических процессов экструзии представляет инте рес выбор геометрических размеров пресс-формы. Расчеты показывают, что чем больше отношение R1/R2 (либо чем больше угол конической распушки матрицы ) тем сильнее деформируется материал камеры. С одной стороны, это может привести к уменьшению размера зерна и в перспективе – к получению материа ла с ультрамелкозернистой структурой. С другой стороны, помимо увеличения степени деформирования материала наблюдается рост внутренних напряжений, который может привести к появлению дефектов в материале. Это иллюстрирует рис. 9. В первом случае (рис. 9, а) угол распушки матрицы = 22 °, средние на пряжения составляют s zz = 0.56, во втором случае (рис. 9, б) = 11 °, а средние напряжения s zz = 0.30.

z z 400 szz szz 450 -0,1 -0, -0,3 -0, -0,5 700 -0, r r 0 30 60 90 0 30 60 а б Рис. 9. Влияние геометрии камеры на возникающие напряжения, а – = 22 °, б – = 11 °.

Для выбора минимального времени нагрева, при котором произойдет ус тойчивое воспламенение смеси, решалась задача о зажигании с боковых по верхностей. Обнаружено, что время воспламенения значительно уменьшается с ростом температуры горячей стенки;

учет связанности приводит к увеличению необходимого времени нагрева;

с ростом скорости пресса увеличиваются де формации материала.

При варьировании параметров задачи обнаружены различные режимы уплотнения смеси: режим предельного уплотнения и режим недопрессовки, ко торые наблюдаются экспериментально. Минимальное значение пористости, полученное в процессе численного счета при варьировании параметров модели в широких пределах, составляет р=0.13.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. На основе теоретического аппарата механики сплошной среды, термо динамики и химической кинетики разработаны одно- и двумерная связанные модели процесса твердофазного превращения при различных условиях квази статического нагружения.

2. Разработан алгоритм численного исследования связанных моделей.

Проведено их подробное параметрическое исследование. Проиллюстрировано качественно различное влияние граничных условий в виде одноосного растя жения, сдвига, а также жесткой фиксации на протекание твердофазной химиче ской реакции в пластине и на характер НДС пластины с химической реакцией.

Продемонстрировано, что если не учитывать связанный характер тепловых и механических процессов, то координата инициирования реакции всегда распо лагается на поверхности, на которую падает тепловой поток. При увеличении коэффициента связанности координата инициирования реакции смещается вглубь вещества.

3. Исследовано влияние связанности тепловых и механических процессов на режимы превращения и эволюцию полей напряжений и деформаций в усло виях одноосного растяжения, сдвига и жесткой заделки торцов. Показано, что учет связанности тепловых и механических полей оказывает существенное влияние на развитие превращения, а внутренние напряжения, возникающие в ходе реакции, могут достигать величины, сравнимой с приложенной внешней нагрузкой.

4. Разработана и численно реализована связанная модель процесса высо котемпературного синтеза, совмещенного с плунжерной экструзией смеси че рез коническую матрицу;

на ее основе даны рекомендации к выбору технологи ческих параметров, обеспечивающих наиболее благоприятные условия проте кания процесса.

5. Исследована эволюция НДС в процессе синтеза для различных реоло гических моделей. Наибольшее изменение НДС в зоне химической реакции на блюдается в рамках обобщенной вязкоупругой модели среды, в которой учиты вается изменение объема в ходе химической реакции. Напряжения и деформа ции в образце растут с увеличением угла конической распушки матрицы и ско рости движения пресса. Выявлены режимы неполного превращения и различ ные режимы уплотнения смеси, наблюдаемые экспериментально.

Список цитируемой литературы 1. Бутягин П.Ю. Проблемы и перспективы механохимии / П.Ю. Бутягин // Успехи химии. – 1994. – Т. 63, № 12. – С. 1031–1043.

2. Эмануэль Н.М. Курс химической кинетики / Н.М. Эмануэль, Д.Г.

Кнорре. – М. : Высшая школа, 1984. – 463 с.

Список публикаций по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Евстигнеев Н.К. Исследование влияния внешней нагрузки на режимы твердофазного превращения в условиях чистого сдвига / Н.К. Евстигнеев, А.Г.

Князева // Известия ВУЗов. Физика. – 2009. – № 12/2. – С. 47–50.

2. Евстигнеев Н.К. Двумерная модель твердофазного химического пре вращения в тонкой пластине в условиях одноосного растяжения и чистого сдвига / Н.К. Евстигнеев, А.Г. Князева // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 316, № 2. – С. 102–107.

3. Евстигнеев Н.К. Нестационарная модель распространения твердофаз ного химического превращения в условиях одноосного нагружения / Н.К. Ев стигнеев, А.Г. Князева // Физика горения и взрыва. – 2010. – Т. 46, № 3. – С. 75–83.

Публикации в других научных изданиях 4. Князева А.Г. Диффузия и превращения в условиях одноосного нагру жения / А.Г. Князева, М.А. Миколайчук, Н.К. Евстигнеев // XXXIII Дальнево сточная математическая школа-семинар имени академика Е.В. Золотова : тези сы докладов. 29 августа – 4 сентября, 2008. – Владивосток : Дальнаука, 2008. – С. 205–206.

5. Евстигнеев Н.К. Протекание твердофазной химической реакции в пла стине в условиях нагружения / Н.К. Евстигнеев, А.Г. Князева // XVII Всерос сийская школа-конференция молодых ученых и студентов : тезисы докладов.

1–4 октября 2008 г. – Пермь, 2008. – С. 31–32.

6. Evstigneev N.K. Spreading of a solid-phase chemical reaction in a plate sub jected to mechanical loading / N.K. Evstigneev, A.G. Knyazeva // Advanced Prob lems in Mechanics. APM’2009 : book of abstracts of XXXVII Summer School. June, 30 – July, 5. – St. Petersburg, 2009. – P. 35–36.

7. Евстигнеев Н.К. Моделирование связанной задачи зажигания пласти ны в условиях механического нагружения / Н.К. Евстигнеев, А.Г. Князева // Фи зика и химия высокоэнергетических систем : сборник материалов Пятой Все российской конференции молодых ученых (22-25 апреля 2009, г. Томск). – Томск : ТМЛ-Пресс, 2009. – С. 297–300.

8. Евстигнеев Н.К. Связанная модель инициирования твердофазной хи мической реакции в пластине в условиях механического нагружения / Н.К. Ев стигнеев, А.Г. Князева // Международная конференция по физической мезоме ханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов : те зисы докладов. 7–11 сентября 2009 г. / ИФПМ СО РАН. – Томск, 2009. – С. 116 – 117.

9. Евстигнеев Н.К. Исследование влияния внешней нагрузки на режимы твердофазного превращения в условиях чистого сдвига / Н.К. Евстигнеев, А.Г.

Князева // Физика и химия наноматериалов : сборник материалов II Междуна родной школы-конференции молодых ученых (12–16 октября 2009 г., Томск). – Томск : ТМЛ-Пресс, 2009. – С. 201–205.

10. Евстигнеев Н.К. Моделирование твердофазного превращения в пла стине в различных условиях нагружения / Н.К. Евстигнеев, А.Г. Князева // Про блемы нелинейной механики деформируемого твердого тела : труды Второй международной конференции. Казань, 8–11 декабря 2009 г. / науч. ред С.А.

Кузнецов ;

Казан. гос. ун-т. – Казань, 2009. – С. 154–157.

11. Евстигнеев Н.К. Взаимовлияние тепловых и механических процессов при протекании в твердой фазе химического превращения в условиях нагруже ния / Н.К. Евстигнеев, А.Г. Князева // Забабахинские научные чтения : сборник материалов Х Международной конференции 15–19 марта 2010. – Снежинск :

Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010. – С. 205.

12. Knyazeva A.G. Interrelations between heat and mechanical processes dur ing solid phase chemical conversion under loading / A.G. Knyazeva, N.K. Evstig neev // Procedia Computer Science. – 2010. – Vol. 1, iss. 1. – P. 2613–2622.

13. Евстигнеев Н.К. Численное исследование влияния реологических свойств среды на режимы превращения в условиях экструзии через коническую пресс-форму / Н.К. Евстигнеев, А.Г. Князева // Лаврентьевские чтения по мате матике, механике и физике : тезисы докладов VII международной конференции.

Новосибирск, 23–27 августа 2010 г. / ИГиЛ СО РАН. – Новосибирск, 2010. – С.

103–104.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.