CC BY
11
4. Федянин Н.Д., Богомолов С.В. Анализ современного состояния и тенденции развития боевых наземных робототехнических комплексов // Научный резерв. № 4. 2018. С. 3-8.
Мамон Юрий Иванович, д-р техн. наук, доцент, главный специалист, inf@cdbae.ru, Россия, Тула, АО ЦКБА,
Федянин Николай Дмитриевич, преподаватель, Рязань, rvvdku@mil.ru, Россия, Рязань, Рязанское ГВВДКУ,
Савенков Вячеслав Александрович, д-р техн. наук, главный специалист по реконструкции и развитию, inf@cdbae.ru, Россия, Тула, АО ЦКБА
METHODOLOGY FOR ASSESSING THE SURVIVABILITY OF ROBOTIC ANTI-TANK
COMPLEXES
Yu.I. Mamon, N.D. Fedyanin, V.A. Savenkov
A methodology has been developed for assessing the survivability of an anti-tank ground-based robotic complex (ATGM), taking into account the main environmental factors of the characteristics of the enemy grouping and the tactical and technical characteristics of the ATGM. As a generalized indicator of the assessment of the survivability of the means ofprotection of the PNRTC, it is proposed to consider the coefficient of preservation of combat capability, which allows taking into account all possible states of the combat capability of the PNRTC and to make a connection between the effectiveness of the functioning of the PNRTC and the quality of the main elements of the NW.
Key words: survivability, rate of fire, guided weapons, combat capability, efficiency, means of protection, robotic complex.
Mamon Yuri Ivanovich, doctor of technical sciences, docent, Chief Specialist, inf@cdbae.ru, Russian, Tula, JSC CCBA,
Fedyanin Nikolay Dmitrievich, teacher, rvvdku@mil.ru, Ryazan, Ryazan GVVDKU,
Vyacheslav Savenkov, doctor of technical sciences, chief specialist for reconstruction and development, inf@cdbae.ru, Russian, Tula, JSC CCBA
УДК 621.9.047
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-236-241
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ИМПУЛЬСАМИ НАНОСЕКУНДНОЙ
ДЛИТЕЛЬНОСТИ
А.А. Пеньков
Представлен анализ электрохимической обработки с импульсами наносекундной длительности и с помощью программного обеспечения COMSOL 5.3a проведено математическое моделирование электрохимической обработки импульсами наносекундной длительности.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, двойной электрический слой, наносе-кундные импульсы, COMSOL 5.3a, результаты исследований.
В ПО Comsol 5.3a была построена математическая модель электрохимической обработки с импульсами наносекундной длительности. Моделирование было произведено с учетом омического сопротивления электролита, ёмкости ДЭС (двойного электрического слоя) на аноде (заготовке) и сопротивления, связанного с электрохимической реакцией [1]. Параметры приведены в таблице.
Параметры моделирования
Наименование Выражение Значение
S 1е-6 [ш] 1е-6 ш
иоп 2 [V] 2 V
Шг -0.08 [V] -0.08 V
1оп 30 [ш] 3е-8 б
170 [ПБ] 1.7е-7Б
1рег 1дп+1:огг 2е-7Б
Прег 5 5
Прег*1рег 1е-6 Б
1^100 3е-10 б
иа (иоп -иоГГ)/2 1.04 V
Ш (иоп+иоГГ)/2 0.96 V
TшodGг tшod*1e9 [1/Б] 1000
ТокА sig*Uon/S*1e"4 [шЛ2/А] 200
S2 2*S 2е-6 ш
у0 0 0
у20 0.1 0.1
На поверхности электрода протекают два параллельных процесса: заряд-разряд ДЭС без перехода заряда через границу раздела и анодное растворение металла с переходом заряда через границу. Ниже представлены исходные уравнения (1-8), с помощью которых были получены выражения для математической модели [2].
Скорости процессов характеризуются емкостной плотностью тока Ю и фарадеевской плотностью тока iF соответственно. Скорость можно определить по следующим уравнениям:
¿/(О = ¿0 [ехр ((1 ¡¡¡""ч) ~ехР (Н^)] (2)
где ¿0- плотность тока обмена;«- коэффициент переноса, п - количество электронов в электрохимической реакции; F - постоянная Фарадея; R - газовая постоянная, Т - температура, С -удельная емкость ДЭС на заготовке, ^ - перенапряжение активации электрохимической реакции.
В уравнениях (3) и (4) предполагается, что равновесный электродный потенциал Е^ равен нулю. Это можно предположить, не ограничивая общности, потому что все результаты могут быть распространены на случай Ещ отличного от нуля, изменив наложенное напряжение с и на и + Ещ.
Для упрощения математического описания воспользуемся локально-одномерным приближением. В рамках приближения омические потери в объемном растворе можно определить по следующему уравнению:
Uohm = и~Ч= у (3)
где Б/а - электрическое сопротивление раствора электролита на единицу площади поверхности электрода
С учетом сделанных выше предположений и уравнений (1) - (3) математическая модель ЭХО с ультракороткими импульсами может быть сведена к обыкновенному дифференциальному уравнению:
С - +10 [ехр п) - ехр — = (4)
Начальное условие для уравнения (4) выглядит следующим образом:
V (=о = 0 (5)
Исходное условие (5) выражает тот факт, что до начала обработки ДЭС не заряжался и не происходило анодного растворения материала заготовки.
Ограничимся рассмотрением обработки прямоугольными импульсами напряжения. В этом случае изменение напряжения, приложенного к электродам, можно описать следующим соотношением:
'У0п, (£-1)4рет <ь < СЛ-1)«рег + 1оп
п(+л — ; р ри ■ ™ (6)
" > ^ГГ, СЛ-1)£рег + <£< Чег
Здесь Uon- напряжение в импульсе;t/off- напряжение в паузе; tper = ton + toff; k - номер импульса (от 1 до необходимого).
q„(S,t) = llp(S,t)it (7)
<8>
При построении модели в программе учитывалось два глобальных набора уравнений. Первый набор состоит из двух уравнений, моделирующих изменения перенапряжения на зазорах S и 2S - при переменных u и u2 (уравнения (26) и (27)). Во втором наборе содержится два уравнения для расчёта заряда, который проходит на анодное растворение на данных зазорах (S, 2S) - при переменных q и q2. Представленные ниже уравнения решаются, начиная с нулевых значений перенапряжений до выхода на периодический режим.
С* ut + 10 * (ехр(Аа * и) — ехр(Ас * u)) — sl3*Uav+^^vl(t^> и _д (9)
C*u2t + I0* (ехр(Аа * и2) -ехр(Ас * и2))- siB*v™+™m-u2 = д ^
qt — 10 * (ехр{Аа * и) — ехр(Ас * и)^ = 0 (11)
q2t — 10 * (ехр(Аа * и2) — ехр{Ас * и2)^ = 0 (12)
где С - удельная ёмкость ДЭС на заготовке; U(aV) - напряжение на электроде; u и u2 - изменение перенапряжения на зазорах; q и q2 - заряд, пошедший на анодное растворение при зазорах.
В результате определяются значение перенапряжений на зазорах S и S2 в конце паузы.
C*yt + I0* (ехр(Аа * у) -ехр(Ас * у)) - = 0 (13)
C*y2t + I0* (ехр(Аа * у2) -ехр(Ас * у2))- = 0 (14)
qyt — 10 * (ехр(Аа * у) — ехр{Ас * у)) = 0 (15)
qy2t — 10 * (ехр{Аа * у2) — ехр{Ас * у2)^ = 0 (16)
Переменные y и y2 - перенапряжения на зазорах S и 2S, соответственно - для периодического режима (когда перенапряжение в конце и в начале периода совпадают). Для периодического режима необходимо было выполнять расчеты только для одного периода.
Результаты и обсуждение [3]. На рис.1 показано распределение плотностей тока в зависимости от времени, где ic - плотность тока заряда-разряда ДЭС (емкостной ток); iF - плотность тока анодного растворения (ток Фарадея); i=ic+iF - суммарный ток.
На рис.2 представлен график перенапряжения в зависимости от времени на зазорах S и S2. Перенапряжения являются одинаковыми вначале и в конце периода.
На рис.3 показано значения коэффициента локализации, который влияет на точность электрохимической обработки Kl=34.
На рис.4 представлен график значения фарадеевских зарядов (количество электричества, пошедшее на анодное растворение). Исходя из этого можно вычислить: среднюю и постоянную плотность тока, относительную производительность ЭХО:
Средняя плотность тока за период:
lav = qF/tper (17)
Расчёт по формуле (17):
0.007/(200e-9) = 35000 А/м2 = 3.5 А/см2
Плотность постоянного тока:
Idc = sig * Uon (18)
Расчёт по формуле (18):
1*2/1e-6=2e6 А/м2 = 200 А/см2
Относительная производительность импульсной ЭХО Q (по отношению к обработке на постоянном токе):
Q = lav/Idc (19)
Расчёт по формуле (19):
3.5/200= 0.0175.
C помощью заданных параметров и результатов моделирования в ПО COMSOL 5.3а был произведен анализ процесса электрохимической обработки c импульсами наносекундной длительности.
Current Density 1 (A/cm л 2
xlO
0 50 100 150
Time (ns)
Рис. 1. График распределения плотностей тока.
Overpotential
— Overpotential at S Overpotential at 2*S
50 100 150
Time (ns)
Рис.2. График перенапряжения от времени на разных зазорах.
KL
90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
— KL -localization coefficient
100 Time (ns)
150
Рис.3. График коэффициента локализации (Kl).
239
Faradic charge
0.007 0.0065 0.006 0.0055 0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0
100 Time (ns)
Рис.4. График значения фарадеевских зарядов.
Построение графиков производилось с учетом омического сопротивления электролита, ёмкости ДЭС на заготовке и сопротивления, связанного с электрохимической реакцией. На основе результатов была выявлена зависимость различных параметров на процесс.
Список литературы
1. Давыдов А.Д., Волгин В.М., Любимов В.В. Электрохимическая обработка металлов: основы электрохимической обработки металлов //Электрохимия. 2004. Т.40(12). С.1230-1265.
2. Schuster R., Kirchner V., Allongue P., Ertl G. Electrochemical micromachining // Science. 2000. V.289. P.98-101.
3. Kenney J.A., Hwang G.S. Electrochemical machining with ultrashort voltage pulses: modelling of charging dynamics and feature profile evolution // Nanotechnology. 2005. V.16(7). P. S309-S313.
Пеньков Андрей Андреевич, магистр, оператор ВИТ «ЭРА», andreypenkow@mail.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ«ЭРА»
ELECTROCHEMICAL TREATMENT WITH NANOSECOND PULSES
A.A. Penkov
The analysis of electrochemical processing with nanosecond pulses is presented and mathematical modeling of electrochemical processing with nanosecond pulses is carried out using COMSOL 5.3a software.
Key words: electrical processing, double electric layer, nanosecond, pulses, COMSOL 5.3a, research results.
Penkov Andrey Andreyvich, magister, operator of MIT «ERA», andreypenkow@mail.ru, Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»
