Введение. Наполненные композиты на основе политетрафторэтилена обладают свойствами, позволяющими работать при высоких контактных давлениях, возвратно-поступательном характере сдвиговых нагрузок и в широком диапазоне температур. Благодаря этому их применяют в качестве антифрикционных слоев опорных частей с шаровым сегментом. Для моделирования механического поведения таких материалов в условиях эксплуатации нужны адекватные определяющие уравнения упруговязкопластичности и методы их идентификации по данным базовых экспериментов.

Материалы и методы. Тензорно-линейную модель упруговязкопластичности предлагается идентифицировать по данным экспериментов на свободное сжатие образцов. Их подвергают нагружению до максимальной деформации 10 %, выдерживают, разгружают и проводят аналогичный цикл нагружения до 160 МПа при стесненном сжатии. Эксперимент с композитом на основе политетрафторэтилена, наполненного 40 масс. % мелкодисперсной бронзы, проходил при комнатной температуре. Испытания на стесненное сжатие выполнялись для двух, на свободное сжатие – для трех значений скорости деформации в диапазоне 10^-6 – 10^-3 с^-1. Для описания рассматривались две модели упруговязкопластичности, представляющие собой модификации моделей Свейна и Клечковски и соответствующие соединению вязкоупругого либо упругого нелинейновязкого элемента с пластическим или эндохронным элементом. В качестве вязкоупругого элемента рассматривался интегральный оператор с ядром Кольрауша.

Результаты исследования. Итоги испытаний по стесненному сжатию позволили отделить от определяющих соотношений упругую связь объемных деформаций и средних напряжений. Данные циклов свободного сжатия при различных скоростях деформации использовали для определения материальных констант модели. С этой целью реализован эффективный поисковый алгоритм на основе симплекс-метода минимизации невязки. Обе модели обнаружили важность пластической составляющей (не зависящей от скорости деформации) для качественного описания циклического изменения напряжений, сопровождающего циклическое изменение деформаций, а также их зависимость от скорости деформаций.

Обсуждение и заключения. Обе модели упруговязкопластичности корректно описывают поведение исследованного фторкомпозита в условиях нагружения, близких к условиям эксплуатации антифрикционных слоев опорных частей с шаровым сегментом, и могут рассматриваться в качестве основы для их дальнейшего обобщения с учетом зависимости от температуры.

Введение. Для эффективного применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) необходимо учитывать воздействия атмосферных факторов внешней среды. На основе существующего уровня развития научно-методического аппарата невозможно определить вероятность повреждения БЛА в условиях комплексного воздействия атмосферных факторов внешней среды и оценить целесообразность дальнейшего выполнения полётного задания. Нарушение процесса функционирования БЛА обусловлено воздействием атмосферных осадков, ветровых и температурных условий среды. Целью работы является разработка методики определения вероятности повреждения БЛА в результате воздействия атмосферных факторов среды, а также оценка быстродействия работы программного комплекса, реализующего разработанный алгоритм при использовании треугольных, трапециевидных, пятиугольных и Гауссовых функций принадлежности.

Материалы и методы. Предложена методика, позволяющая с использованием теории нечеткой логики определить вероятность повреждения БЛА при неточностях и неопределённостях описания атмосферных воздействий внешней среды. Она учитывает возможные атмосферные факторы и позволяет определить вероятность повреждения БЛА при различных воздействиях. Вычислительная сложность алгоритма, реализующего методику, существенно зависит от количества качественных оценок атмосферных воздействий на БЛА.

Результаты исследования. Предложена и протестирована методика определения вероятности повреждения БЛА в результате воздействия атмосферных факторов среды на базе нечетких множеств (треугольных, трапециевидных, пятиугольных, Гауссовых). Описано использование нечетких множеств для оценивания условий среды применения БЛА. Разработан алгоритм определения вероятности повреждения БЛА в результате воздействия атмосферных факторов среды. Проведён вычислительный эксперимент для определения сложности расчёта вероятности повреждения БЛА в результате атмосферных воздействий при различных условиях среды: «умеренных условиях» при скорости ветра 3 м/с, интенсивности атмосферных осадков 0,8 мм/ч и температуре воздуха 5 ºС; «очень сложных условиях» внешней среды при скорости ветра 12 м/с, интенсивности атмосферных осадков 3,5 мм/ч и температуре воздуха –6 ºС. Установлено, что использование треугольных функций принадлежности для расчёта вероятности повреждения БЛА в результате атмосферных воздействий обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению с остальными (трапециевидными, пятиугольными, Гауссовыми).

Обсуждение и заключения. Полученные при реализации методики значения вероятностей повреждения БЛА в условиях атмосферных воздействий внешней среды могут использоваться на этапе предполётной подготовки и в процессе полёта для оценки целесообразности дальнейшего выполнения полётного задания. На основе проведенного анализа применения рассмотренных форм функций принадлежности даны рекомендации по их применению. Использование алгоритмов с треугольными функциями принадлежности обеспечит высокое быстродействие работы систем управления БЛА (СУ БЛА).

Введение. Исследуется задача управления движением экзоскелета нижних конечностей. Для ее решения предлагается задействовать программное управление и управление в виде обратной связи. Формирование управления в виде обратной связи требует оценки состояния экзоскелета (углы поворота, угловые скорости и ускорения звеньев). Рассматривается возможность применения блока инерциальных датчиков для оценки угловых скоростей и ускорений звеньев экзоскелета. Цель работы — определить законы формирования управления движением экзоскелета, которые обеспечат устойчивость программного движения и будут использовать измерения энкодеров, микромеханических гироскопов и акселерометров.

Материалы и методы. Ранее выполненное математическое моделирование динамики экзоскелета задействовали при формировании программного управления. Предложили оснастить экзоскелет блоками инерциальных датчиков. Это решение позволяет оценивать вектор состояния экзоскелета и использовать данные оценки в цепи обратной связи. Описали математическую модель измерений указанных датчиков. Предложенный вариант пригоден для систем управления трехзвенными экзоскелетами нижних конечностей и может быть расширен для многозвенных.

Результаты исследования. Предложены новые законы управления движением экзоскелета, основанные на математической модели динамики системы и использующие измерительную информацию с энкодеров и инерциальных датчиков. В математическом пакете Wolfram Mathematica выполнено численное моделирование движения экзоскелета. Его итоги подтвердили работоспособность предложенного управления и возможность использования блока инерциальных датчиков для оценки состояния экзоскелета. Приводятся результаты численного моделирования для следующих программных движений: подъем экзоскелета из положения сидя в вертикальное и стабилизация вертикального положения равновесия.

Обсуждение и заключения. Предлагаемое управление применимо в экзоскелетах для медицинских приложений (например, в задаче вертикализации пациентов с нарушениями функций опорно-двигательного аппарата). Показана возможность использования измерительной информации, полученной от блоков инерциальных датчиков, в задаче оценки состояния звеньев экзоскелета. Применение инерциальных датчиков позволит определять угловое ускорение звеньев экзоскелета, избегая численного дифференцирования измерительной информации, полученной от энкодеров. Оценки углового ускорения позволяют вводить в систему управления обратную связь по угловым ускорениям, что открывает возможность улучшить переходные процессы при управлении движением экзоскелета.

Введение. Рассматривается задача о критических нагрузках сжатой ортотропной прямоугольной пластины на упругом основании. Для пластины заданы параметры ортотропии: коэффициенты Пуассона, модули Юнга для главных направлений и модуль сдвига материала пластины. Составляющие сжимающей нагрузки равномерно распределены по двум противоположным краям пластины и действуют параллельно осям координат. Края пластины свободно защемлены или шарнирно оперты. Рассмотрены также случаи, когда два параллельных края пластины свободны от нагрузок, а два других свободно защемлены или шарнирно оперты.

Материалы и методы. Задача рассматривается на основе системы нелинейных уравнений равновесия типа Кармана. Критические значения параметра нагрузки определяются из линеаризованной на тривиальном решении задачи. При этом для решения краевой задачи на собственные значения применяется вариационный метод в сочетании с конечно-разностным методом.

Результаты исследования. Задача сведена к решению параметрической линейной краевой задачи на собственные значения. В случае краевых условий подвижного шарнирного опирания приведены точные формулы собственных значений и собственных функций, а в случае свободного защемления краев применен вариационный метод в сочетании с конечно-разностным методом и построена компьютерная программа решения задачи. Установлено, что критическому значению параметра сжимающей нагрузки, при котором происходит потеря устойчивости сжатой пластины, может соответствовать одна или две собственные функции, выражающие прогиб пластины. Приведены результаты численных расчетов критических значений сжимающей нагрузки при различных значениях параметров ортотропии и построены графики соответствующих форм равновесия. Для случая длинной ортотропной пластины на упругом основании установлено, что главный член асимптотического разложения решения линейной задачи на собственные значения определяется из задачи о критических нагрузках сжатой балки на упругом основании с модулем упругости, совпадающим с модулем упругости пластины по продольному направлению.

Обсуждение и заключения. Исследована задача о критических нагрузках сжатой в двух направлениях ортотропной пластины, лежащей на упругом основании. При повышении составляющей сжимающей нагрузки вдоль одного направления снижается величина критического значения нагрузки, сжимающей пластину вдоль другого направления. Если ортотропная пластина сжимается нагрузкой вдоль направления, которое соответствует большей изгибной жесткости, то критическое значение потери устойчивости больше, чем критическое значение действующей вдоль направления меньшей изгибной жесткости сжимающей нагрузки. Наличие упругого основания повышает несущую способность сжатой пластины.

Введение. Одним из часто применяемых методов для оценки динамических характеристик материала является тест Тейлора, который устанавливает связь динамического предела текучести материала цилиндрического образца с его длиной после удара по недеформируемой преграде. Целью данной работы является исследование микротвердости и определение динамического предела текучести медных образцов для различных скоростей удара в тесте Тейлора.

Материалы и методы. Эксперименты проводились с образцами из меди (М1) цилиндрической формы. На баллистическом стенде были подобраны условия метания, которые обеспечивали на выходе из ствола скорость движения образца в диапазоне 150–450 м/с. После удара измерялась микротвердость образцов в плоскости разреза. Расчет динамического предела текучести проводили по классической формуле Тейлора.

Результаты исследования. Представлены экспериментальные данные для медных образцов цилиндрической формы при ударе по жесткой стенке со скоростями в диапазоне 162–416 м/с, включая конфигурации и размеры образов до и после удара. Получены распределения микротвердости в осевом сечении образцов. Для каждого образца были построены зависимости усредненных значений микротвердости, которые позволили выделить четыре области деформирования образцов (область упругих деформаций, пластических деформаций, интенсивных пластических деформаций, область материала, подвергающегося разрушению) и определить их размеры. Рассчитан динамический предел текучести меди в исследованном диапазоне скоростей удара.

Обсуждение и заключения. Значения микротвердости во всей рассматриваемой области и для всех исследованных скоростей удара превышают исходное значение. Имеет место существенное увеличение значения динамического предела текучести по сравнению с его статическим значением. Выявлена корреляция максимальных усредненных значений микротвердости и динамического предела текучести, которые возрастают с ростом скорости удара.

Введение. В листовых и корпусных конструкциях, работающих под давлением, разрушение, как правило, локализуется вдоль линии перехода от основного металла к металлу шва. Рассмотрены методы повышения долговечности сварных стыковых соединений, которые направлены на снижение концентрации напряжений и создание благоприятных остаточных напряжений сжатия.

Материалы и методы. Опыты проводились на установке для двухосного изгиба, создающей двухосное поле напряжений. Испытывались образцы заводского исполнения и образцы с дополнительно обработанной зоной перехода от металла шва к основному металлу. Показана эффективность дополнительной обработки следующими методами:

– зачистка абразивным инструментом;

– дробенаклеп;

– зачистка абразивным инструментом с дробенаклепом;

– оплавление границы шва в аргоне без присадочной проволоки;

– оплавление границы шва в аргоне с присадочной проволокой ЭП-410У;

– оплавление границы шва без присадочной проволоки с пластическим деформированием между узкими роликами.

Результаты исследования. Анализировались зарождение, развитие разрушения и его особенности при разных способах дополнительной обработки сварных соединений. Рассчитаны доверительные интервалы (95 %) зарождения и развития разрушений для сварных соединений и основного металла. Оценивалась эффективность предложенных методов дополнительной обработки.

Обсуждение и заключения. Анализ эффективности методов повышения долговечности стыковых сварных соединений показал, что создание плавного перехода от металла шва к основному металлу значительно снижает концентрацию напряжений. Это позволяет увеличить количество циклов до зарождения разрушений и живучесть соединений. Благодаря сжимающим напряжениям в околошовной зоне можно повысить долговечность сварных соединений. Наиболее результативные методы дополнительной обработки сварных швов сочетают уменьшение концентрации напряжений и создание остаточных напряжений сжатия. Самое технологичное решение – переплав зоны перехода в среде аргона с дополнительной присадочной проволокой ЭП-410У.

Введение. С ростом объемов добычи и транспортировки газа и нефти повышается актуальность проблемы герметичности соединения труб нефтегазового сортамента. Наиболее распространены муфтовые и безмуфтовые резьбовые соединения. Используются резьбы типа «Батресс», конические трапецеидальные и треугольные резьбы. От их качества напрямую зависит герметичность соединения. На процесс производства труб и муфт влияют многие факторы. В качестве примеров можно привести технологическую наследственность, жесткость технологического оборудования, его наладку и подналадку. Требуемое качество соединения обеспечивается качеством элементов. Сборка должна учитывать возможность полной взаимозаменяемости. Второй рекомендуемый вариант — групповая сборка. Во всех случаях обязательны контрольные операции. В работе приводятся результаты исследований распределения в партии параметров качества резьб труб и муфт.

Материалы и методы. Исследовались фрагменты (патрубки) обсадных труб с трапецеидальной резьбой и повышенной герметичностью (ОТТГ) и с трапецеидальной резьбой профиля «Батресс». Их произвольно выбрали из различных партий. При измерении образцы закреплялись в патрон токарного станка 1И611П. Средством измерения был индикатор часового типа 0 класса точности со стойкой. Для оценки полученных данных использовали общепринятые статистические методы.

Результаты исследования. Эксперименты позволили выявить, как на герметичность соединения методом полной взаимозаменяемости влияет радиальное биение поверхностей вершин профиля резьбы, фасок патрубка и уплотнительного пояска.

Обсуждение и заключения. Обнаружены существенные отклонения значений параметров резьбы от допустимых, что может стать причиной разгерметизации соединения. Получение качественного и надежного соединения возможно при сборке по методу неполной или групповой взаимозаменяемости.

Введение. Толстостенные корпусные конструкции, работающие под давлением, относятся к наиболее распространённому типу сварных конструкций ответственного назначения. При нагружении названных конструкций внутренним давлением в них возникает сложное двухосное поле напряжений, которое суммируется с полями остаточных сварочных напряжений. Поэтому для выбора технологии изготовления сварных ответственных конструкций результатов, полученных при обычных одноосных испытаниях образцов, бывает недостаточно. Многообразие факторов, влияющих на работоспособность конструкций, и трудности раздельной оценки их влияния привели к необходимости максимального приближения условий эксперимента к реальным условиям работы конструкции.

Материалы и методы. Испытания натурных конструкций имеют ряд достоинств, но они чрезвычайно дороги и, как правило, выявляют только одно, наиболее слабое звено, несущая способность остальных элементов конструкции остаётся невыясненной. Для испытания были использованы радиометрические установки УДИ, разработанные для разных типоразмеров образцов. Такие установки позволяют испытывать образцы различных форм и типов сварных соединений (стыковых, тавровых), изменять положение привариваемых деталей.

Результаты исследований. Не отвергая результатов, полученных при испытаниях натурных конструкций в работах МВТУ им. Баумана, ДГТУ, ЦНИИ КМ «Прометей», авторы предложили основной объём исследований провести на отдельных элементах конструкций, которые отражали бы характерные особенности нагружения, технологию изготовления и условия эксплуатации. Была применена конструкция соединений «штуцер — лист», позволяющая увеличить показатели зарождения и развития разрушения до уровня основного металла.

Обсуждение и заключения. Представлены схемы конструкций для получения в образцах двухосного поля растяжения или изгиба. Испытанные по предложенным схемам образцы позволяют сделать выводы о работоспособности сварных соединений в условиях, приближенных к реальной работе исследуемых конструкций. Такая схема испытаний используется исследовательскими лабораториями в нашей стране и во всем мире.

Введение. После обнаружения на медицинских снимках узла (опухоли) необходимо определить его форму, локализацию и тип. Это важно для выбора вида клинического вмешательства и других аспектов работырадиологов. Системы компьютерного обнаружения эффективно выявляют узлы с помощью 2D-обработки изображений компьютерной томографии (КТ) легких. Однако более подробное описание узла (опухоли) по-прежнему представляет собой большую проблему.

Материалы и методы. В рамках данной работы трехмерная кластеризация выполнялась на объемных КТ изображениях, которые дают представление об узле и его структуре. Эти материалы использовались для описания развития узла по последовательным срезам легкого.

Результаты исследований. Объединены алгоритмы кластеризации и определения характеристик узлов в 3D-визуализации. Некоторые трехмерные функции применили к объектам, сгруппированным методом K-средних КТ изображений легких. Такой подход обеспечивает визуальное изучение трехмерной формы и местоположения узла. Данное исследование в основном сосредоточено на кластеризации в 3D с целью получения сложной информации, пропущенной в отчете рентгенолога. Кроме того, для оценки предлагаемой системы в работе применили 3D плотностный алгоритм кластеризации пространственных данных с присутствием шума и еще одно 3D приложение – график. Предлагаемый метод обнаружил сложный случай и автоматически предоставил информацию о типах узлов (шаровидный, юкстаплевральный и плеврально-хвостовой). Алгоритм проверен на стандартных данных, состоявших из сканов компьютерной томографии легких с узлами размером более и менее 3 мм.

Обсуждение и заключения. На основе предложенной модели можно кластеризовать узлы легких при объемной КТ и определять набор таких характеристик, как форма, расположение и тип.

Введение. Одной из важнейших задач, стоящих перед специалистами-дорожниками, является поддержание транспортной сети в нормативном состоянии. Достаточно сложно выбрать адекватный подход, обеспечивающий достижение таких целей. Для этого, в частности, необходимо учесть такие параметры, как: текущее состояние дорожной одежды, категория дороги, погодные условия, интенсивность движения. Цифровизация отрасли, внедрение интеллектуальных систем дают результаты, которые можно применить в практике организаций, контролирующих состояние автомобильных дорог. Суть работы системы управления – достоверное прогнозирование эксплуатационного состояния автомобильной дороги в средней и долгосрочной перспективе.

Материалы и методы. Изучается возможность использования искусственных нейронных сетей для оценки дорожных одежд, в том числе при разработке стратегий технического обслуживания дорог. Реализована нейронная сеть обратного распространения, обученная по данным 1614 участков трассы М-4 «Дон» с 2014 по 2018 год. С помощью программы «Матлаб» (Matlab) построены и обучены модели с разным количеством нейронов в скрытых слоях.

Результаты исследования. Результаты моделирования показали сходимость предполагаемых и фактических показателей, описывающих состояние дорожной одежды. Значения множественного коэффициента корреляции (R2) превышали 92 % для большинства моделей на всех этапах обучения.

Обсуждение и заключения. Итоги научных изысканий позволяют утверждать, что организации, управляющие объектами дорожно-транспортной инфраструктуры, могут задействовать представленные модели в своей работе. Такие решения помогут составить оптимальные планы по содержанию дорог, спрогнозировать эффективность мероприятий по восстановлению их несущей способности и эксплуатационного состояния.

Введение. Определение механических свойств слоистых конструкций автомобильных дорог является актуальной задачей. Это обусловлено, во-первых, необходимостью контроля качества новых участков при строительстве автомагистралей. Во-вторых, представляет интерес оценка состояния действующих дорог при накоплении повреждений и дефектов. Образование множественных дефектов (трещин) меняет осредненные вязкоупругие свойства составляющих конструкции, особенно поверхностных асфальтобетонных слоев. В статье рассматривается использование нейросетевых технологий для повышения точности восстановления вязкоупругих свойств. Данный подход базируется на экспериментальных методах. В качестве примера можно привести определение динамического прогиба конструкции от падения груза (англ. determining the dynamic deflection of a structure from a falling weight, FWD).

Материалы и методы. На основе нейронной сети определены модули упругости трехслойной конструкции. Для выяснения точности решения его сопоставили с результатами математического моделирования и экспериментальными данными.

Результаты исследования. Экспериментальные и расчетные показатели модулей упругости отдельных слоев дорожной конструкции оказались очень близкими. Предложенный подход к определению механических свойств материалов дорожных конструкций позволяет применить полученные результаты для определения состояния отдельных элементов и всей дорожной конструкции.

Обсуждение и заключения. Показана перспективность использования искусственного интеллекта для определения механических свойств слоистых конструкций. Дальнейшее совершенствование методов и средств анализа поведения дорожной конструкции при динамическом нагружении позволит расширить существующие подходы к оценке состояния дорожных конструкций.