МОДЕЛЮВАННЯ ПОРИСТОЇ СТРУКТУРИ В БАГАТОШАРОВИХ ФІЛЬТРУЮЧИХ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛАХ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ENGINEERING SCIENCES

моделювання пористо! структури в

багатошарових ф1льтруючих порошкових

матер1алах

1к. т. н., доцент Повстяной О. Ю.

2к. т. н., ст. н. с. Кузьмов А. В.

1 Украина, м.Луцьк, Луцький НТУ, кафедра комп'ютерного проектування верстат1в та

технологш машинобудування

2Украгна, м.Кигв, 1нститут проблем матер1алознавства тЛ.М.ФранцевичаНАНУ, в1дды

мшромехатки, реологи i обробки тиском порошкових та композицшних матер1ал1в

Abstract. Based on the authors previously proposed model density distribution radius porous permeable material simulation porous structure in multilayer powder materials. The program «FiltrN», which determines the distribution of porosity and radial velocity multilayer porous permeable material.

Keywords: porosity, radial velocity, porous permeable material, radial isostatic pressing, deviator stress

Вступ та актуальшсть дослщження.

Науково-техшчний прогрес у машинобудуванш, приладобудуванш, авiацiйнiй, xiMi4Hrn та шших галузях промисловосп у значнш Mipi визначаеться досягненнями у створенш та застосуванш нових матерiалiв: пористих, проникних, композитiв, керамiки тощо [1-3]. На даний час частка нових матерiалiв у загальнiй структурi конструкцiйних матерiалiв складае 30% та мае тенденщю до приросту.

Одним з найбшьш перспективних видiв нових матерiалiв е пористi проникнi матерiали (ППМ), якi використовують в якост фiльтрiв, що забезпечують очищення рщини та газiв практично у вшх галузях промисловостi [4].

Велика потреба на сучасному еташ розвитку технiки у фiльтруючих матерiалах, з одше! сторони, та успiшне !х використання у конструкцiях для кожно! конкретно! областi застосування, з шшо!, зумовлюють наявнiсть рiзних видiв таких матерiалiв iз широким дiапазоном експлуатацшних властивостей [5]. Переваги пористих проникних матерiалiв з металевих порошкiв над неметалiчними полягають ще й у !х вiдносно високiй фiльтруючiй здатностi, високiй продуктивностi, можливостi багаторазово! регенераци, легко! механiчно! обробки та великому термш служби

Для отримання фшьтруючих ППМ з високою проникливiстю необхщно використовувати порошки з великим розмiром частинок, в той же час як для отримання високо! тонкост очистки необхiдно використовувати порошки з малим розмiром частинок. Цi протирiччя зумовлюють необхiднiсть пошуку нових технолопчних прийомiв i методiв, якi б дозволили створювати такi структури ППМ, що забезпечать найбшьш оптимальне поеднання експлуатацшних характеристик.

Крiм того, слщ вщзначити, що практика застосування нових матерiалiв на основi металевих порошюв показуе, що реалiзацiя у повному об'емi !х мiцнiсних i експлуатацшних характеристик потребуе суттевого збiльшення рiвня прогнозування фiзико-механiчних властивостей матерiалiв та розробки нових методiв моделювання, який включае комплексний аналiз процесiв формування матерiалiв.

Як свiдчить вiтчизняний та св^овий досвiд останнiх рокiв, устх розв'язання проблем, якi виникають при створенш нових матерiалiв, вимiрюеться яюстю та ступенем прогнозування процесiв та явищ, якi супроводжують цi технологи. В^м, прогнозування та моделювання в порошковш галузi потребують подальшого вдосконалення теоретичних уявлень та !х втшення у виглядi якiсних методiв та алгоршмв, якi реалiзуються за допомогою сучасних обчислювальних середовищ, програм та вiзуальних пакетiв iз застосуванням вщповщно! комп'ютерно! технiки.

Тому метою даноI роботи е розробка сучасного програмного забезпечення для прогнозування, моделювання, ан^зу та дослiдження структури пористо! структури багатошарового фiльтруючого матерiалу з металевих порошкiв, який отриманий методом сухого равдально^зостатичного пресування.

Основний змiст роботи.

Сучасш проблеми технологiй деформацшно! переробки пористих середовищ сьогоднi вирiшуються на основi застосування комп'ютерного моделювання. Його впровадження стало можливим завдяки ютотному прогресу в розумiннi основних особливостей поведшки порошкових матерiалiв у процес !х компактування, ущiльнення та пресування досягнутого в останнi десятилiття.

Для практичного створення потрiбно! пористо! структури ППМ, яка буде вiдповiдати оптимальному поеднанню експлуатацiйних характеристик, необидно встановити взаемозв'язок мiж технологiчним режимами !х отримання i експлуатацiйними характеристиками.

У данш роботi на основi континуально! теорп пластичностi пористого тiла виготовленого методом радiально-iзостатичного пресування розроблена теоретична методика прогнозування розподiлу пористостi за перерiзом ППМ. При цьому був отриманий результат, який мае вщносно простий анал^ичний вигляд, що дозволяе аналiзувати фактори, якi сприяють неоднорщност розподiлу густини пористого тiла [6].

За щеею та рекомендащею член-кор. М.Б.Штерна поведiнку пористого пустотшого фiльтрувального матерiалу описано визначальними сшввщношеннями наступним чином: припускаемо, що пористий пустотший цилiндр (рис.1) перебувае тд дiею радiального обтиснення, яке прикладене на його зовнiшнiй поверхнi г=Я2 . Його внутрiшня поверхня також цилiндрична з радiусом г=Я1 е нерухомою. Завдяки опору, який чинить металевий порошок

радiальному перемiщенню, у ньому виникають напруження Гг, Г2, Г ^.

<<г <г

Рис. 1. Геометрична модель процесу прикладання напружень на пористий цил1ндр

Внаслщок певних розрахункiв та спрощень [6] набувають конкретного вигляду вирази для середнього тиску та штенсивносп девiатора напружень:

_ 1 ^ег(о-г+2сгф)-еф(2о-г+о-ф) 3 er—efp

(1)

Т =

Jer2 + (er-e<p)2+e<p2 ^^

vf :

Г

(2)

Далi використовуеться т еорiя пластичностi iзотропних пористих тш, фiзичнi рiвняння яко!, згiдно [7, 8], подано у виглядк

р _ гр е г <ру

(3)

(4)

MaTepianbm функци пористостi ф, щ приймаються у виглядi ф = \ w = a. Вщм^имо, що

г щ в

прийнятий вигляд цих функцiй не суперечить вщомим експериментальним даним [9, 10], а з шшого боку сприяе отриманню простого розв'язку, який легко aнaлiзуeться.

Пiдстaвляючи значення ф та у та знаючи, що пористють вiдповiдae рiвномiрному И розподiлу, отримаемо:

Prad = -Vl-ÖoОт h + J- (5)

Пюля нескладних математичних розрахунюв та знаючи, що значення пористост 9 вже е наступним наближенням до iстинного поля густини, отримаемо рiвняння уточненого поля густини:

0=fe!zl!) (6)

р2+аат2

Пiсля пiдстaновки у нього отриманих значень дляp, т, prad, маемо:

Í ( ÍZ^Z \2\

Prad

1+бх

»= V ,-^ (7)

ferrad) +аат2

Для конкретних обчислень перш за все необхщно знаити величину Од, яка g нульовим наближенням до пористостi. 1з цiGЮ метою використовуGмо закон збереження маси:

6o = 1-7TU-0É) (8)

к2

Тут i надалi R2i - це початковий радiус заготовки перед радiально-iзостатичним навантаженням, 0i - початкова пористють.

Параметр а визначаGться iз експерименту на всебiчне стиснення, апроксимуючи криву

а

«тиск-пористють» у виглядi p = — .

Параметр g т доцiльно вважати рiвним тиску, який вiдповiдаG зменшенню пористостi

на 25% вiд початкового значення.

Моделювання пористо! структури конкретного багатошарового ППМ зi порошку сталi ШХ15 здiИснювалося у пакетi прикладних програм MatLab. За описаною вище методикою авторами статтi було розроблено програмне забезпечення на мовi програмування С++ (програма «FiltrN»), що i дало змогу змоделювати процес радiально-iзостатичного пресування зi заданою пористiстю ППМ. Оскшьки фiльтр маG форму витягнутого кругового цилiндру (рис.2), то моделювання проводилось для наступних параметрiв технолопчного процесу: дiаметр оправки — 40 мм, дiаметр армовано! еластично! оболонки — 80 мм.

Порошок засипаGться в прост1р мiж оправкою та еластичною оболонкою. Вiдносна насипна густина порошку ШХ15 становила 20% , тобто початкова пористють становить 0,8.

Для початку роботи з програмою необхщно ввести початковi данi для моделювання. Для цього редагуGмо файл Begin.txt, вводячи необхщш параметри для моделювання багатошарового фшьтру (рис.3).

Визначений за результатами наших розрахунюв розподш пористосп та радiально! швидкостi при моделюванш радiально-iзостатичного пресування багатошарового ППМ показаний на рис.4.

Рис. 2. Багатошаровий ППМз порошку стал1 ШХ15 040*220 мм виготовлений методом

сухого рад1алъно4зостатичного пресування

Файл Правка Формат

Rl= // Внешний радиус

1

maxtime = // конечный момент времени 0.2

epsilon = // Точность решения уравнений равновесия 0.00001

Ш= // РЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР N ! ! !

0.1

maxiter = // максимальное число итераций в решении уравнений равновесия

90000

max_teta_increas = // Максимально возможное увеличение пористости за один шаг по времени

max_teta_decreas = // максимально возможное уменьшение пористости за один шаг по

времени

0.995

begin_teta = // начальное значение пористости 0.6

PL0= // Удельное Лапласовское давление

О

Ez= //Скорость осевой деформации

I MflpŒiPCbKAVWbTIViltef КУЗЬМО№П№оЧЬ<М2.е* !'

rtt L73 ] ■ tins - а stcp оt itei>=2É2 IGr*d I -в us i ion»: rttEMi t ina ж И ïtcii of itcr~165 IGrod ! ° epsilon": M[75]■ t int - 0 £tep ai

ittr ¡Grftd! -tpsilon ■ Bt[76> Hm - Q stcp oF

Iter

!(ii'ird ! -rallin1 а

u.t)ui3iai»

.n?nsnns

time - 73

le-UU5

. 071843 tfM - 74

9.14M7i-0nb le-DOS 0.00131218

.шзша

time ■ 75 Ï.534S1C-OD6

О. ВИЗ 4218

273 time - 7b

le-OOE

а) б)

Рис. 3. Вв1д початкових даних (а) та процес обчислення (б) структурных характеристик

багатошарового ППМ

Рис. 4. Виведення граф1чних залежностей впливу рад1алъног швидкост1 та розподыу пористост1 при моделюванм рад1алъно4зостатичного пресування багатошарового ППМ

Висновки.

Розроблений метод комп'ютерного моделювання дозволив не тшьки визначити розподш пористосп та шших характеристик порошкового проникного матерiалу, але й встановити взаемозв'язок мiж технологiчним режимами !х отримання i експлуатацiйними характеристиками.

Радiальна швидюсть дае можливiсть керувати розподiлом пористост у багатошаровому ППМ та дозволяе аналiзувати фактори, якi сприяють неоднорщносп розподiлу густини.

Л1ТЕРАТУРА

1. Витязь П. А. Фильтрующие материалы: свойства, области применения, технология изготовления / Витязь П. А., Капцевич В. М., Кусин Р. А. /- Мн.: НИИ ПМ с ОП, 1999.- 304 с.

2. Антонов В. Н., Львович Н. Я., Чопоров О. Н. и др. Высокоэффективные технологии как неотъемлемая часть развития современного общества / Повстяной А. Ю., Куц Ю. В. и др. // авт.кол.монография. - Одесса: КУПРИЕНКО С.В., 2015. - 220с.: ил.табл.

3. Технологи, структура, властивосп пористих проникних матерiалiв: / Монографiя. / Рудь В. Д., Повстяной О. Ю., Заболотний О. В., Богшський Л. С. / Луцьк: РВВ ЛНТУ. - 2016. -200с.

4. Повстяной О. Ю. Удосконалення технологи виготовлення пористих порошкових матерiалiв з використанням вiдходiв промислового виробництва: дис. ... канд. техн. наук. -Луцьк, 2007. - 170 с.

5. Пористые проницаемые материалы / Справочник / С. В.Белов, П. А.Витязь, В. К. Шелег. и др. - М.: Металлургия, 1987. - 332 с.

6. Повстяной О. Ю. Визначення розподшу густини пористого проникного цилшдра за радiусом при радiально-iзостатичному пресуванш / Повстяной О. Ю., Рудь В. Д. // Науковi нотатки. - Випуск 54. - Луцьк: РВВ Луцький НТУ, 2016. - С.246-252.

7. Штерн М. Б. Развитие теории пластичности пористых тел // Порошковая металлургия. - № 9. - 1992. -С. 19 - 29

8. Штерн М. Б., Дудунов В. Д. Определение ресурса пластичности порошковых материалов на основе модели пластического течения пористых тел. I. Критерий исчерпания ресурса пластичности //Порошковая металлургия. - 1999. - №11/12. - С.31-40.

9. Штерн М. Б. Про залежшсть густина-тиск та розподш густини при пресуванш порошив / Штерн М. Б. // Порошкова металурпя. - 2014 - №03/04. - С.19-29.

10. А. В. Кузьмов Влияние третьего инварианта на свойства и структуру определяющих соотношений порошковых материалов / А. В. Кузьмов, М. Б. Штерн // Порошковая металлургия. - 2003. - №7-8. - С.1-10.

influence of vegetation and park furniture on sanitary-hygiene environment and the comfort of green areas in spaces between

residential blocks

Ph. D. Vesselin Petrov Rangelov Prof. dr Vladimir Shtiliyanov

UNIVERSITY OF FORESTRY, School "Ecology and Landscape Architecture", Department "Park

and landscape design", Sofia , Bulgaria

Abstract. Juggling landscaping activities with other measures to modernize spaces between residential blocks imposes a more detailed analysis on the use and maintenance of alleys, available and newly designed tree and shrub vegetation and park furniture.

Keywords: Spaces, courtyard, residential complex, landscaping, living, urbanism, urban planning, public works

Object of research: Spaces between blocks of flats in old residential complexes in Bulgaria.