Автореферат (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок)
Описание файла
Файл "Автореферат" внутри архива находится в папке "Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок". PDF-файл из архива "Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физико-математические науки" из Аспирантура и докторантура, которые можно найти в файловом архиве НИУ ВШЭ. Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ ВШЭ, его также можно найти и в других разделах. , а ещё этот архив представляет собой кандидатскую диссертацию, поэтому ещё представлен в разделе всех диссертаций на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
На правах рукописиРудштейн Роман ИльичФизические свойства многослойных композиционных материаловэнергодвигательных установок космической техники и энергетики вусловиях воздействия высоких термических и механическихнагрузок01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена в федеральном государственном автономномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор,заслуженный деятель науки РФБондаренко Геннадий ГермановичОфициальные оппоненты:Дидык Александр Юрьевич,доктор физико-математических наук,Объединенный институт ядерныхисследований,ведущий научный сотрудник Центра прикладной физики Лаборатории ядерных реакцийим.
Г. Н. ФлероваХасаншин Рашид Хусаинович,кандидат физико-математических наук,доцент,ОАО «Композит»,начальник лаборатории математического моделированияВедущая организация:ФГАОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)»Защита состоится «23» марта 2016 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана», по адресу:248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, МГТУ им.
Н. Э. Баумана, Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана ина сайтах http://www.bmstu.ru, http://www.bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «»2016 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцентЛоскутов С. А.Общая характеристика работыАктуальность темы исследования.
Развитие и совершенствование ракетно-космической техники, а также энергоустановок наземного назначения вчасти создания изделий, узлов и агрегатов с улучшенными эксплуатационнымихарактеристиками и повышенными показателями качества и надежности неразрывно связано с применением материалов, обладающих необходимым наборомфизико-химических свойств. Значительное расширение масштабов космическойдеятельности, потребность в существенном повышении уровня энергообеспечения и усложнение задач, стоящих перед аэрокосмической и энергетическойотраслями, обусловливают существенное возрастание требований, предъявляемых к новым материалам — объектам физики конденсированного состояния.Современные материалы ракетно-космической техники, обладая малой плотностью, должны выдерживать экстремальные нагрузки, вызванные как ужесточением условий эксплуатации отдельных узлов летательного аппарата (высокиетемпературы, давление, вибрационные нагрузки и т.
п.), так и воздействиемвсей совокупности факторов космического пространства на аппарат в целом(воздействие радиации, космической пыли, потоков атомарного кислорода, продуктов собственной внешней атмосферы космических аппаратов и т. п.).Весь спектр сильных и зачастую резко меняющихся воздействий на конструкции и функциональные элементы оказывает существенное влияние на ихструктурные свойства и, как следствие, на надежность и ресурс энергодвигательных установок различного назначения.Необходимо отметить, что эффективность преобразования энергии возрастает с ростом температуры рабочего тела.
Этим объясняется устойчивая тенденция к повышению температуры рабочего газа до 1 300 ℃ и выше в перспективных энергодвигательных установках космического и наземного назначения,в особенности, использующих ядерную энергию (атомных установках, применяемых на борту космических аппаратов, атомных электростанциях, судах, подводных лодках и т. п.).В этой связи на сегодняшний день все большую актуальность приобретает проблема разработки и исследования объектов физики конденсированногосостояния, способных эксплуатироваться при столь высоких температурах иподходящих для применения в составе термонапряженных узлов высокомощных энергетических установок космического и наземного назначения, таких кактрубопроводы, турбонасосные агрегаты, камеры сгорания, сопла и т.
п. Материалы, традиционно применяемые для нужд аэрокосмической и энергетическойотраслей в недавнем прошлом (главным образом, металлические сплавы), ужене способны в полной мере отвечать новым требованиям. Конструкционныематериалы элементов турбонасосных агрегатов должны обладать высокотемпературной прочностью, виброустойчивостью, газоплотностью, устойчивостьюк перепадам температур, трещиностойкостью, эрозионной и химической стойкостью. Функциональные материалы трубопроводов, в свою очередь, должны1удовлетворять требованиям сверхнизкой теплопроводности, достаточной механической прочности и стойкости к термоудару при малых массогабаритных параметрах в условиях воздействия высоких температур.Необходимость достижения столь сложного сочетания физико-химических,функциональных и эксплуатационных свойств материалов ставит задачу проектирования и разработки конструкционных и функциональных композитов сзаданными характеристиками для нужд аэрокосмической и энергетической отраслей.К числу наиболее перспективных объектов физики конденсированного состояния следует отнести класс многофазных композиционных материалов сослоистой анизотропной структурой (СКМ).
Правильный выбор составляющихфаз композита, его структурных параметров, технологии получения, а такжеметодик исследования и прогнозирования его свойств и проведения испытаний,является ключом к решению задачи проектирования материала с наперед заданными свойствами.Степень разработанности темы исследования. Работы по даннойтематике в последние годы активно ведутся как отечественными, так и зарубежными научными группами. Тем не менее, основной акцент подавляющегобольшинства работ делается на исследовании свойств и характеристик полученных композитов, в то время как работ, направленных на прогнозированиеи структурную оптимизацию термомеханических и теплофизических свойств,относительно немного.
Кроме того, представленные модели не обладают достаточной степенью универсальности и носят феноменологический характер.Цели и задачи диссертационной работы: Основной целью работы является разработка единого комплексного подхода к проектированию и созданиювысокотемпературных СКМ с повышенными конструкционными, функциональными и эксплуатационными показателями для применения в условиях интенсивных и резко меняющихся тепловых воздействий в составе узлов энергетическихи двигательных установок космического и наземного назначения.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1. Обоснование выбора и адаптация физико-математической модели, позволяющей описывать закономерности протекания теплофизических и термомеханических процессов и явлений в структуре слоистых композитов, и проведение идентификации параметров модели на основе экспериментальных данныхдля расчета зависимостей основных величин, характеризующих указанные процессы, с необходимой степенью достоверности и точности.
Выработка критериевоценки прочности и термостойкости разрабатываемого материала.2. Создание численных алгоритмов и разработка программного комплекса, обеспечивающего автоматизацию вычислительного процесса при расчетах сиспользованием адаптированной физико-математической модели и отвечающего требованиям гибкости конфигурации, достаточного быстродействия, эффективности и удобства пользовательского интерфейса.3. Разработка алгоритма оптимизации структуры СКМ в рамках модели2и определение оптимальных параметров композитов с наперед заданными свойствами посредством численного моделирования.4. Разработка универсального многоэтапного технологического способа получения СКМ с требуемыми структурными параметрами.5.
Выбор системы составляющих компонентов, изготовление опытных образцов СКМ. Проведение серии экспериментальных исследований и испытанийтеплофизических и термомеханических характеристик образцов полученногоматериала. Подтверждение корректности выбранных параметров технологического цикла. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами численного моделирования. Верификация использованной модели,анализ ее погрешностей и границ применимости.Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что наоснове адаптированных подходов и теоретических моделей разработан универсальный алгоритм прогнозирования свойств СКМ и технологический способ ихполучения. В ходе работы:1.
На основе градиентных теорий теплопроводности и термоупругости предложена универсальная модель для прогнозирования свойств СКМ, предназначенных для применения в условиях интенсивных и резко меняющихся тепловыхвоздействий, систематически учитывающая температурные зависимости теплофизических и механических характеристик составляющих компонентов. Формализована и проведена процедура идентификации параметров модели на основемассива экспериментальных данных.
Посредством модели получены температурное распределение, а также картина напряженно-деформированного состояния в структуре СКМ в условиях интенсивного теплового воздействия.2. Сформулирована математическая задача оптимизации структурных параметров СКМ с целью достижения требуемого набора физико-механическиххарактеристик конечного материала. Выявлен набор оптимальных структурных параметров СКМ на основе системы Al2 O3 −Cr, использованный в дальнейшем в процессе реализации технологического способа получения материала.3. Определен набор оптимальных параметров технологического режимаполучения СКМ на основе металл-керамической системы Al2 O3 −Cr. Полученыопытные образцы указанного композита и посредством аттестации совокупности достигнутых физико-механических свойств доказано их соответствие прогнозируемым характеристикам.4.
Предложен способ аналитической оценки термостойкости СКМ, результаты которого подтверждены серией экспериментальных исследований ударного теплового воздействия на полученные опытные образцы.5. Предложена конструктивная схема реализации высокотемпературноготрубопровода для транспортировки газообразного теплоносителя, выполненного на основе слоистых металл-керамических структур и предназначенного дляэксплуатации в составе энергетических и двигательных установок. Проведенрасчет теплового режима трубопровода.3Теоретическая и практическая значимость.