CC BY
18
неупорядоченных полупроводников, резко снижают электронно-дырочную проводимость и не обеспечивают достаточно высокой скорости переноса ионов (катионов).
Впервые изучен состав и химическое состояние поверхности халькопирита в условиях выщелачивания кислыми растворами нитрата железа (III). Избыток серы полисульфидного типа в составе поверхностного металлдефицитного слоя, постепенно распадающегося в вакууме при рентгеновском облучении, более высокий по сравнению с обработкой сульфатом и хлоридом железа, однако пассивирующее действие такого нестехиометрического слоя на выщелачивание относительно невелико.
Библиографические ссылки
1. Buckley A. N., Woods R. An X-ray photoelectron spectroscopic study of the oxidation of chalcopyrite // Aust. J. Chem. 1984. Vol. 37. P. 2403-2413.
2. Hackl R. P., Dreisinger D. B., Peters E., King J. A. Passivation of chalcopyrite during oxidative leaching in sulfate media // Hydrometallurgy. 1995. Vol. 39. P. 25-48.
3. Mikhlin Yu. L., Tomashevich Ye. V., Asanov I. P., Okotrub A. V., Varnek V. A., Vyalikh D. V. Spectroscopic and electrochemical characterization of the surface layers of chalcopyrite (CuFeS2) reacted in acidic solutions // Appl. Surf. Sci. 2004. Vol. 225. P. 395-409.
4. Harmer S. L., Thomas J. E., Fornasiero D., Gerson A. R. The evolution of surface layers formed during chalcopyrite leaching // Geochim. Cosmochim. Acta. 2006. Vol. 70. P.4392-4402.
5. Klauber C. A critical review of the surface chemistry of acidic ferric sulphate dissolution of chalcopyrite with regards to hindered dissolution // Int. J. Miner. Process. 2008. Vol. 38. P. 1-17.
6. Viramontes-Gamboa G., Marycarmen M. Peña-Gomar M., Dixon D.G. Electrochemical hysteresis and bistability in chalcopyrite passivation // Hydrometallurgy. 2010. Vol. 105. P. 140-147.
7. Михлин Ю. Л. Разупорядоченные поверхностные слои сульфидов металлов и их реакционная способность // Физика и химия стекла. 2007. Т. 33. № 4. С. 555-565.
Yu. L. Mikhlin, V. V. Shurupov, A. S. Romanchenko, E. V. Tomashevich, A. A. Karacharov
XPS CHARACTERIZATION OF THE SURFACE OF CHALCOPYRITE LEACHED BY FERRIC NITRATE SOLUTIONS
The reacted surfaces of natural chalcopyrite have been characterized using X-ray photoelectron spectroscopy. The ferric nitrate leaching has been found to result in the formation of non-stoichiometric layer having a lower concentration of iron than copper and the larger content of polysulfide species as compared with analogous ferric sulfate and ferric chloride treatment. The impact of the disordered surface layer on passivation of chalcopyrite is discussed.
Keywords: chalcopyrite, leaching, XPS, passivation, ferric nitrate.
© Михлин Ю. Л., Шурупов В. В., Романченко А. С., Томашевич Е. В., Карачаров А. А., 2012
УДК 689.783
Е. В. Москвичев, О. Ю. Кротов, С. В. Доронин, Ю. П. Похабов, Н. П. Шарин
ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И НАГРУЖЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ АНТЕННЫХ СИСТЕМ*
Представлены основные особенности построения моделей многоэлементных антенных систем. Обоснована многовариантность задач исследования прочности антенных систем и представлены результаты оценки нагруженности конструктивных элементов.
Ключевые слова: антенные системы, моделирование, прочность.
Федеральная целевая программа (ФЦП) «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 20092015 гг.» предусматривает замену оборудования радиотелевизионных передающих центров для перехода на цифровой формат вещания.
В рамках ФЦП Красноярский край определен в четвертую очередь перехода на цифровой формат
передачи телевизионного сигнала. С 2013 г. необходимо заменить оборудование и антенны почти 450-ти радио- и телевизионных передающих станций на территории края. Серийный выпуск многоэлементных антенных систем (МАС) с улучшенными эксплуатационными характеристиками позволит занять естественную краевую рыночную нишу и претендовать на
* Работа выполнена при финансовой поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (проект «Исследование и оптимизация электрических и механических параметров многоэлементных антенных систем для цифрового телевидения»).
больший сегмент рынка России и стран СНГ в силу высокой готовности к поставкам.
В связи с этим есть необходимость в проведении модернизации выпускаемой линейки антенн с улучшенными эксплуатационными характеристиками по цене (качеству) в целях создания конкурентоспособных импортозамещающих МАС для перехода на цифровой формат вещания и современного производства этих антенн с оперативной реакцией на потребности рынка. Это предполагает решение серии многовариантных оптимизационных задач для принятия обоснованных решений относительно конфигурации и технических параметров конструктивных вариантов антенн.
Известен положительный опыт использования численного моделирования в расчетах антенных конструкций космических аппаратов [1-3]. Вместе с тем, до настоящего времени не исследованы методические аспекты конечно-элементного анализа при расчетах МАС. В настоящей работе представлен и обоснован методический подход к расчету напряженно-деформированного состояния (НДС) и оценки несущей способности конструкций МАС. Практическая апробация и внедрение в конструкторскую практику данного подхода были проведены в ОАО «Прима Телеком» с целью обоснования направлений модернизации МАС с учетом особенностей их деформирования.
Характеристика объекта и многовариантность расчетных схем. Механическая часть МАС представлена следующими основными составляющими:
- трубостойка, представляющая собой трубу 0325x16 мм и длиной 15 000 мм;
- комплект антенных панелей, расположенных на одном уровне по высоте трубостойки («этаж»). Таких комплектов («этажей») в составе МАС может быть от одного до двенадцати.
Комплект антенных панелей, в свою очередь, состоит:
- из суппортов (кронштейнов), изготовленных из стальных прокатных профилей в виде уголков и швеллеров, соединенных жестко между собой, а также шпилек для крепления комплекта на трубостойке;
- антенных панелей с одним (размерами 1000^450x228 мм) или четырьмя (размерами 302x156x170 мм) стеклопластиковыми чехлами (колпаками), расположенных на алюминиевом основании.
Суппорты, в свою очередь, могут быть двух типоразмеров: с размерами в плане 720x720 мм (большой суппорт) и 490x490 мм (малый суппорт).
Таким образом, в качестве объектов исследования рассматриваются следующие конструктивные варианты:
конструкция 1 - четыре антенные панели с че-
тырьмя малыми чехлами каждая, размещенные на большом суппорте;
конструкция 2 - четыре антенные панели с одним большим чехлом каждая, размещенные на большом суппорте;
конструкция 3 - четыре антенные панели с четырьмя малыми чехлами каждая, размещенные на малом суппорте;
конструкция 4 - четыре антенные панели с одним большим чехлом каждая, размещенные на малом суппорте.
Для каждого из этих конструктивных вариантов необходимо рассмотрение четырех расчетных случаев нагружения. В связи с этим возникает необходимость решения серии задач с целью установления тенденций и закономерностей формирования прочности и работоспособности силовых элементов многоэлементных систем (см. таблицу).
Для решения этих задач разработаны численные модели с использованием пакета конечно-элементного анализа АШУ8 (рис. 1).
Рис. 1. Твердотельная модель фрагмента («этажа» на трубостойке) одного из конструктивных вариантов МАС
Моделирование условий контактного взаимодействия. Основной физической особенностью рассматриваемых объектов является то, что элементы конструкции антенной системы крепятся на трубо-стойке за счет сил трения между трубостойкой и швеллерами суппорта, величина которых зависит от усилия затяжки шпилек суппорта. Это затрудняет определение начальных условий задачи, поскольку напряженно-деформированное состояние (НДС) конст-
Варианты расчетных схем
Особенности конструкции и ветрового воздействия № расчетных схем
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Суппорт большой x x x x x x x x
малый x x x x x x x x
Панель с 1 чехлом x x x x x x x x
с 4 чехлами x x x x x x x x
Ветер поперек шпилек x x x x x x x x
вдоль шпилек x x x x x x x x
рукции зависит, среди прочего, от усилия затяжки шпилек, которое, в свою очередь, требуется определить для предотвращения проскальзывания МАС по трубостойке.
Эти факторы приводят к тому, что постановка задачи, ее решение и анализ результатов осуществляются в условиях значительной неопределенности относительно условий закрепления и нагружения конструкции.
Для учета контактного взаимодействия, в определенном приближении, возможно использование закона Кулона-Амонтона, в соответствии с которым силу сухого трения считают постоянной по величине и противоположной по направлению равнодействующей приложенных сил. Для этого в конечно-элементной модели был использован конечный элемент СОКТА178, моделирующий контактное взаимодействие между двумя узлами и их возможное проскальзывание относительно друг друга. Условие закрепления суппортов к трубостойке, принимаемой абсолютно жесткой, моделировалось серией таких контактных элементов, расположенных по периметру выреза в швеллерах (рис. 2).
Рис. 2. Расположение контактных элементов
Моделирование условий предварительного натяжения шпилек суппортов. Для учета предварительного натяжения использовался конечный элемент РЯЕТ8179, расположенный в поперечном сечении шпилек (рис. 3).
РР?ЕТ5179 Шпилька
Рис. 3. Моделирование предварительного натяжения шпилек и условий контактного взаимодействия швеллеров суппорта с трубостойкой
В связи с указанной неопределенностью начального условия преднатяжения шпилек осуществлялось многовариантное решение каждой задачи в соответствии со следующим алгоритмом:
1) задание произвольного усилия предварительного натяжения шпилек;
2) определение на первом шаге обусловленного этим предварительным натяжением шпилек начального НДС модели;
3) нагружение модели комплексом внешних нагрузок (собственный вес, снег, гололед, ветер);
4) определение на втором шаге НДС модели и проверка условия надежного крепления суппорта на трубостойке;
5) в случае срыва контакта возврат к п. 1 с увеличением усилия предварительного натяжения шпилек; в случае удержания контакта возврат к п. 1 с уменьшением усилия предварительного натяжения шпилек. Таким образом, осуществляется определение минимального усилия предварительного натяжения шпилек для обеспечения надежного крепления суппорта к трубостойке.
Моделирование элементов конструкции и их взаимодействия. Конечно-элементная модель антенной секции создавалась из балочных элементов ВЕАМ188, моделирующих уголки и шпильки суппорта, а также оболочных элементов 8ИЕЬЬ181, моделирующих опорные швеллера суппорта, основание и защитные чехлы антенн. Расположение балочных элементов выбиралось с учетом центра тяжести и ориентации сечений для обеспечения жесткости в необходимом направлении.
Принималось, что связи между элементами суппорта и антенными панелями являются абсолютно жесткими, для чего накладывались условия равенства перемещений в соответствующих узлах.
Резьбовое соединение шпилек и швеллеров моделировалось путем передачи усилий и моментов от крайнего узла шпильки к узлам швеллера, расположенных в кольце. Диаметр кольца соответствовал используемым шайбам.
Основные результаты
1. В ходе выполнения многовариантных расчетов в зависимости от размеров суппортов, конфигурации антенных панелей и условий нагружения установлены минимальные значения предварительного натяжения шпилек в диапазоне от 3400 до 6000 Н, обеспечивающие надежное крепление элементов МАС на трубостойке. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1) для конструкций с малым суппортом наблюдается больший по сравнению с конструкциями с большим суппортом разброс требуемых усилий предварительного натяжения шпилек в зависимости от применяемых панелей и условий ветрового нагружения. Это обусловлено меньшими размерами, и, как следствие, большей жесткостью малого суппорта. В связи с этим меньшая часть энергии ветрового воздействия демпфируется металлоконструкцией суппорта и большая ее часть оказывает влияние на условия контактного взаимодействия швеллеров и трубостойки;
2) при эксплуатационном нагружении происходит перераспределение усилий в шпильках. При этом наблюдаются следующие закономерности:
- верхняя пара шпилек (шпильки 1 и 2 на рис. 4) оказываются менее нагруженными по сравнению с нижней парой шпилек (шпильки 3 и 4);
- при действии ветра вдоль шпилек совместно работающие пары шпилек (1 и 2, 3 и 4) нагружены одинаково, а при действии поперек шпилек происходит дополнительное перераспределение усилий между 1 и 2, 3 и 4 шпильками.
2. В качестве основной характеристики напряженного состояния рассматриваются эквивалентные напряжения по критерию Мизеса. Анализ результатов по всем рассмотренным конструктивным вариантам МАС позволяет сделать следующие обобщенные выводы:
1) при прочих одинаковых конструктивных решениях и условиях нагружения уголки большого суппорта более нагружены (на 8-76 %), чем уголки малого суппорта;
Рис. 4. Принятая нумерация шпилек суппорта
2) минимальные коэффициенты запаса по пределу текучести пт и пределу прочности пв для уголков составляют: конструкция 1 - пт = 1,87, пв = 3,13; конструкция 2 - пт = 4,91, пв = 8,25; конструкция 3 -пт = 2,02, пв = 3,39; конструкция 4 - пт = 8,68, пв = 14,58. Таким образом, минимальные коэффициенты запаса прочности для уголков наблюдаются в случае использования большого суппорта, панелей с
четырьмя малыми чехлами, действии ветра вдоль шпилек;
3) в целом швеллеры являются высоконагружен-ными элементами конструкций, содержащими зоны упругопластического деформирования в области контакта, и характеризуются минимальными запасами прочности.
В результате анализа фактических запасов прочности силовых элементов суппортов МАС в рассмотренном диапазоне условий нагружения установлено, что уровни имеющихся запасов прочности уголков позволяют сделать вывод о возможности уменьшения размеров поперечного сечения уголков для снижения металлоемкости конструкции. Условия деформирования швеллеров таковы, что они содержат зоны упру-гопластических деформаций и не имеют резервов снижения металлоемкости.
Полученные результаты являются предпосылкой снижения металлоемкости конструкций при одновременном обеспечении надежного их функционирования.
Библиографические ссылки
1. Евдокимов А. С., Пономарев С. В., Буянов Ю. И. Совместный расчет напряженно-деформированного состояния и диаграммы направленности космических рефлекторов // Вестник Томского гос. ун-та. 2011. № 1. С. 74-82.
2. Моделирование динамики раскрытия ферменного каркаса трансформируемого рефлектора антенны космического базирования методом конечных элементов / Гутовский И. Е. и др. // Современное машиностроение. Наука и образование : материалы 2-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб. : Изд-во Поли-техн. ун-та, 2012. С. 276-285.
3. Канунникова Е. А., Пугач И. Ю. Расчетно-экспериментальное исследование динамических характеристик антенных устройств космических аппаратов // Вопросы электромеханики. 2009. Т. 109. С. 16-20.
E. V. Moskvichev, O. Yu. Krotov, S. V. Doronin, Yu. P. Pokhabov, N. P. Sharin
THE FEATURES OF NUMERICAL MODELING OF ANTENNA SYSTEMS FOR STRENGTH AND LOADING ESTIMATION
The main features of modeling multi-element antenna systems are discussed. The multivariate research of strength problems of antenna systems was justified and the loadings of structural elements were estimated.
Keywords: antenna system, modeling, strength.
© Москвичев Е. В., Кротов О. Ю., Доронин С. В., Похабов Ю. П., Шарин Н. П., 2012
