ФИЗИКА

Дан краткий обзор основных теоретических понятий и соотношений, необходимых для решения задач по разделу «Механические волны». Приведены примеры решения типовых задач. Предложены задачи для самостоятельного решения.

Дан краткий обзор основных понятий и соотношений теории, необходимых для решения задач по разделу «Статистическая физика». Изложена методика решения типовых задач.

Содержится краткий обзор основных понятий и соотношений, необходимых для решения задач по разделу «Термодинамика». Изложена методика решения типовых задач. Даны условия задач, приведены примеры их решения.

Рассмотрен один из численных методов расчета параметров газа на поверхности заостренных тел вращения при малых углах атаки и небольших сверхзвуковых скоростях. С его помощью получена система алгебраических уравнений, позволяющих найти функции распределения источников и диполей вдоль оси обтекаемого тела при выполнении условий непротекания на поверхности тела. Изложение материала ориентировано на применение вычислительной техники.

Даны рекомендации к выполнению лабораторной работы, посвященной изучению микрорельефа изломов и механизмов разрушения материалов. Описаны методы микроскопического исследования изломов на примере образцов, испытанных на растяжение, ударную вязкость и вязкость разрушения. Представлена специальная терминология, используемая для описания строения изломов и результатов их анализа.

Даны рекомендации к выполнению лабораторной работы, посвященной изучению макрорельефа изломов и признаков очагов разрушения образцов и деталей. Описаны методы макроскопического исследования изломов на примере образцов, испытанных на растяжение, ударную вязкость и вязкость разрушения. Представлена специальная терминология, используемая для описания строения изломов.

Пособие посвящено одному из важнейших этапов конструирования плазменных установок различного назначения – математическому моделированию комплекса процессов, протекающих как в самой высокотемпературной среде – плазме, так и в элементах конструкции, обеспечивающих работоспособность технических устройств. Рассмотрены методы аналитического и численного решения систем уравнений различных типов, приведены решения ряда практически важных задач, которые встречаются студентам при выполнении домашних заданий по основным дисциплинам специальностей 140403 и 140505, курсовом и дипломном проектировании. Пособие основано на материалах лекций, семинарских и лабораторных занятий по методам математического моделирования процессов в плазменных установках, проводимых автором в течение ряда лет в МГТУ им. Н.Э. Баумана

Рассмотрено численное моделирование течения воздуха в лабиринте в плоской двумерной постановке с применением программного комплекса Star-CD.

Рассмотрены устройство, принцип работы и основные характеристики магнетронных распылительных систем (МРС). Изложены физические процессы и особенности работы МРС. Перечислены основные типы и конструктивные схемы МРС. Дан пример конструкции МРС с электромагнитной системой.

Подробно рассмотрены особенности моделирования раскрытия крупногабаритных солнечных батарей (СБ) космических аппаратов и экспериментальной отработки их раскрытия. Приведены однофазные и многофазные схемы раскрытия СБ и модель установки элементов конструкции СБ на упоры и фиксаторы. Дан пример расчета трех кинематических схем раскрытия СБ.

Приведены математические модели механики деформирования оболочек - тонкостенных элементов аэрокосмических систем, на основании которых исследуется концентрация напряжений. Рассмотрены научные основы методов анализа математических моделей и обоснован выбор тех, которые соответствуют задаче исследования напряжений в местах концентрации с контролируемой погрешностью. Даны формулы решения дифференциальных уравнений математических моделей, эффективные алгоритмы методов исследования напряжений в тонкостенных элементах аэрокосмических систем, в местах их концентрации: краевые задачи приведены к начальным, напряжения определены решением задачи Коши мультипликативным методом по рекуррентным соотношениям.

В методических указаниях представлены материалы для самостоятельной проработки дисциплины «Прикладная механика сплошных сред» и для подготовки к теоретическим коллоквиумам по ее первому разделу «Основы механики сплошных сред» (модуль 3). Приведены вопросы и задачи для самоконтроля. Даны билеты для подготовки к теоретическим коллоквиумам рубежного контроля.

В методических указаниях представлены материалы для самостоятельной проработки дисциплины «Прикладная механика сплошных сред» и для подготовки к теоретическим коллоквиумам по ее первому разделу - «Основы механики сплошных сред» (модули 1 и 2). По каждому модулю приведены вопросы и задачи для самоконтроля. Даны билеты для подготовки к теоретическим. коллоквиумам рубежного контроля.

Рассмотрены положения науки о трении, износе и смазке машин, новые направления и проблемы износостойкости конструкционных материалов. Описаны характеристики экспериментальной базы для оценки трибологических свойств конструкционных и смазочных материалов. Представлены методы контроля микрогеометрии поверхности, оценки механических свойств поверхностных слоев, методология исследования структурного состояния зоны поверхностной пластической деформации при трении. Проанализированы критерии оценки триботехнических свойств. Дан пример экспериментального подхода к оценке макро- и микроскопических характеристик качества антифрикционных покрытий, полученных методом триботехнологии.

Изложены основы метода асимптотического осреднения (метода Бахвалова — Победри) для задач теории упругости, а также основы метода конечных элементов для решения локальных задач теории упругости на «ячейке периодичности» и расчета эффективных упругих характеристик композитов. Даны вариационные формулировки задач теории упругости и задач на «ячейке периодичности». Представлены оригинальные результаты относительно метода решения локальных задач. Приведены примеры численного решения локальных задач и результаты моделирования полей микронапряжений для различных типов композиционных материалов: однонаправленно-армированных, 3D ортогонально-армированных, армированных по диагоналям куба и тканевых. Представлены результаты численного расчета полей концентрации микронапряжений в компонентах композитов.

Рассмотрены принцип действия, основные погрешности и конструкция микромеханического датчика угловой скорости на базе вибрационного гироскопа L-L-типа, приведены методика его испытаний, описание лабораторной установки. Работа рекомендована к публикации кафедрой «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» и методическим советом факультета «Информатика и системы управления».

Даны рекомендации к выполнению лабораторной работы, посвященной изучению макрорельефа изломов и признаков очагов разрушения образцов и деталей. Описаны методы макроскопического исследования изломов на примере образцов, испытанных на растяжение, ударную вязкость и вязкость разрушения. Представлена специальная терминология, используемая для описания строения изломов.

В учебном пособии дано математическое описание некоторых процессов, протекающих в дуге и сварочной ванне. Показано влияние параметров режима сварки на тепловые и силовые характеристики дуги и на электрическое поле в изделии и сварочной ванне.

Экспериментально и теоретически исследуются отклонения от закона Ома в лампе накаливания с вольфрамовой нитью. Показано, что эти отклонения связаны с нагревом нити до определенной температуры, которая лимитируется различными механизмами теплообмена с окружающей средой: при относительно малых напряжениях преобладает конвективный механизм теплообмена, при больших – лучистый теплообмен. Построены вольтамперные характеристики.

В методической разработке изучаются оптические свойства для оптоэлектронных приборов и волоконно-оптических линий связи. Приводится описание лабораторного макета и метода измерения показателя преломления. В приложении рассматриваются теоретические вопросы: понятие диэлектрики, неорганические стекла, механизм получения стекол, классификация стекол по техническому назначению, ситаллы, волновая теория света и законы геометрической оптики.

На основании общей теории пологих оболочек решена задача оценки напряжений и деформаций цилиндрической ортотропной оболочки при действии ударной сосредоточенной нагрузки, направленной по нормали к поверхности оболочки. Первоначально задача решается путем выделения в зоне контакта элементарной площадки на срединной поверхности оболочки. Найдена главная часть решения и определены асимптотические формулы для перемещений и внутренних силовых факторов при условии, что зона контакта стремится к нулю.

Предложена схема контакта цилиндрических тел с упругими мягкими покрытиями, позволяющая учитывать явления, протекающие в области контакта. С помощью выражения для описания нелинейного трения цилиндрических поверхностей получена формула для температуры в области контакта.

Предложен вариант теории упругопластического течения пористой среды для расчета спекания порошковых композитов. Представлены примеры конечно-элементного расчета неоднородных процессов прессования и спекания. Принято во внимание влияние термомеханических условий на окончательную форму и распределение пористости спекаемого изделия с учетом контактного взаимодействия со стенками пресс-формы.

Приведена методика математического моделирования малоцикловой усталости, основанная на использовании термомеханической модели поведения кривой деформирования и модели оценки повреждаемости малоцикловой усталости материала при неизотермическом циклическом упругопластическом деформировании. Результаты математического моделирования циклического нагружения образцов и деталей как до момента возникновения трещины, так и до полного разрушения получены с помощью конечноэлементного моделирования с использованием технологии «отмирающих» элементов.

Представлен аналитический метод расчета структурных технологических остаточных напряжений в волокнистом композиционном материале (ВКМ), основанный на использовании модели регулярно армированного ВКМ, геометрия и напряженное состояние которого полностью определяются микроструктурой фундаментальной ячейки. Приведены результаты расчетов для стеклопластика с гексагональной решеткой по предложенной методике.

Рассматриваются особенности построения алгоритма численного решения поликонтактных задач термомеханики деформируемого твердого тела в сложных двумерных областях. Решение строится в рамках конечно-элементной технологии на основе альтернирующего метода Шварца. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния системы тепловыделяющих элементов.

Дано описание схемы решения задач гидроаэродинамики в свободно распространяемом прикладном пакете OpenFOAM. Отмечены некоторые особенности в случае моделирования обтекания цилиндрических профилей. Сделан краткий обзор используемых совместно с OpenFOAM свободно распространяемых препроцессоров. Приведены примеры решения задач моделирования обтекания профилей с применением описанных прикладных программных средств.

Рассмотрена упрощенная схема контакта тел с упругими мягкими покрытиями в целях возможно большего учета явлений, протекающих в области контакта. Предложена формула для описания нелинейного трения. С использованием этой формулы получено выражение для расчета температуры в области контакта.

Предложена математическая модель процессов микроразрушения тканевых композиционных материалов, основанная на методе асимптотического усреднения и конечно-элементном решении локальных задач на ячейках периодичности. В качестве критерия прочности матрицы используется модифицированная модель Писаренко—Лебедева, а критерия прочности армирующих нитей — двухуровневая модель повреждаемости пучка моноволокон. Модель обеспечивает определение зоны распространения микроразрушения в композите при изменении действующей нагрузки. Приведены численные примеры, показывающие возможности разработанной модели для численного исследования процессов микроразрушения тканевых композитов.

Учебное пособие представляет собой руководство к выполнению необходимого физического эксперимента и обработке результатов измерений. Содержит описания лабораторных работ по разделам "Поступательное движение", "Вращательное движение", "Механические колебания" и "Упругие силы". Данное издание является логическим продолжением учебного пособия "Механика. Измерительный цикл", подготовленного теми же авторами.

Работа посвящена исследованию первичного радиационного повреждения бикристаллитов альфа-железа с двойниковой границей зерна путем молекулярно-динамического моделирования. Моделирование проведено на основе многотельного межатомного взаимодействия. Рассмотрены атомарные модели шести типов протяженных двойниковых межзеренных границ в ОЦК-железе, рассчитаны их удельные энергии и определены размеры межзеренных областей. Проведено моделирование развития каскадов атомных смещений в бикристаллах альфа-железа с симметричной межзеренной границей [сигма]5 (310) [001]. На основе полученных результатов проведен сравнительный анализ числа образующихся радиационных дефектов в идеальной кристаллической решетке и бикристаллитах, содержащих межзеренную границу.

Настоящая работа посвящена моделированию каскадов атомных смещений в сплаве Fe-9ат. %Cr, содержащем обогащенные хромом преципитаты. Моделирование проведено методом молекулярной динамики при начальной температуре кристаллита 300 К для энергий первично выбитого атома (ПВА) 15 и 20 кэВ. Были рассмотрены сферические преципитаты диаметром 1 и 5 нм, содержащие 95ат% хрома. Изучены особенности развития каскадов вблизи обогащенных хромом преципитатов. Установлено, что такие преципитаты склоны к растворению при прохождении каскада. При этом форма и состав преципитатов диаметром 5 нм меняется незначительно, и, следовательно, их можно считать стабильными. Параметры небольших преципитатов диаметром 1 нм изменяются существенно, а иногда они растворяются полностью.

Показано, что анизотропная передача импульса фотона в электронной подсистеме приводит к появлению ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки, что подтверждает существующее в литературе предположение о том, что возникновение данного эффекта при наличии внешнего магнитного поля возможно не только в 2D-системах, но и в нанотрубках со спиральной симметрией. Рассмотрен один из возможных механизмов возникновения ЭДС, связанной с пространственной асимметрией электрон-фононного взаимодействия в спиральной нанотрубке, состоящий в том, что такая ЭДС может появляться при разогреве электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения электронов.

Разработан метод статических флуктуаций применительно к модели Хаббарда. Показано также, что данный метод применим при исследовании наноструктур. В приближении статических флуктуаций вычислены антикоммутаторные функции Грина для двухподрешеточной модели Хаббарда, а также для пентагона, гексагона, димера и фуллерена C[60]. Показано, что концентрация электронов на узлах разных подрешеток двухподрешеточной модели Хаббарда различна.

Выполнено математическое моделирование отклика жесткого сверхпроводника второго рода на приложенное внешнее гармонически модулированное магнитное поле. Сверхпроводник имел форму короткого цилиндра (таблетки). В рамках модели Кима и в приближении экранировки поля в центре образца рассчитаны гистерезисные кривые и гармоники намагниченности. Результаты расчета сравниваются с результатами ранее выполненного эксперимента на поликристаллах высокотемпературного сверхпроводника.

Предложен новый метод поиска чистых мод упругих волн в кристаллах из анализа 3D-поверхностей фазовых скоростей. От известных методов данный метод отличается учетом пьезоэффекта, что существенно влияет на результаты, особенно для сильных пьезоэлектриков. Разработана компьютерная программа, позволяющая строить указанные поверхности и их сечения базовыми плоскостями кристалла, а также указывать на их направления распространения чисто продольных и чисто поперечных упругих волн. Данную информацию можно получить, если известен класс симметрии кристалла, его упругие, диэлектрические, пьезоэлектрические константы и плотность.

Представлены результаты компьютерного моделирования процессов первичной радиационной повреждаемости сплава Fe-1. 8ат%Ni методом молекулярной динамики. Моделирование проведено с использованием многотельных потенциалов межатомного взаимодействия. Рассмотрены каскады атомных смещений для энергий первично выбитого атома от 0, 1 до 20 кэВ. Получены оценки количества дефектов, переживающих рекомбинацию в каскаде, а также результаты по количеству и размерам кластеров вакансий и межузельных атомов, образующихся в таких каскадах. Не выявлено заметного влияния никеля в рассматриваемой концентрации на число точечных дефектов, выживающих в каскаде смещений. В то же время обнаружено, что для энергии 20 кэВ число межузельных атомов, образующих кластеры размером не более трех межузельных атомов на кластер, оказывается в чистом железе примерно в полтора раза выше, чем в сплаве с никелем.

С помощью новой измерительной установки, в которой кольцевой сверхпроводящий образец взаимодействует только с магнитным полем собственного сверхпроводящего тока, впервые выявлены особенности реакции на него поликристаллического (керамического) высокотемпературного сверхпроводника.

Рассмотрен обобщенный вариант модели Кронига-Пенни для полимерной молекулы в виде регулярной цепочки D{0}-центров в квантовой проволоке, моделируемых потенциалами нулевого радиуса. Получены уравнения, определяющие границы примесной зоны. Показана возможность управления шириной примесной зоны и эффективной массой локализованного электрона путем варьирования величины внешнего магнитного поля.

Теоретически рассмотрена модель кубита на полупроводниковой точке (КТ) с D{-}[2] - центром с управляемой внешним электрическим полем передислокацией двухцентровой волновой функции. Ортонормированный базис кубита 0 и 1 выбран таким образом, чтобы соответствовать локализованным состояниям электрона на центрированном доноре и на доноре, смещенном к границе КТ. Показано, что эффект передислокации двухцентровой волновой функции связан со смещением центра тяжести электронного облака как по энергии (кванторазмерный эффект Штарка), так и по координате. Показана возможность реализации в таком кубите квантового вентиля HE (NOT).

В работе рассматривается зависимость приведенной скорости туннельной рекомбинации R[пp] от напряжения прямого смещения. Приводятся два приближения, описывающие зависимость R[пp] от напряжения: при условии ограничения процесса рекомбинации туннелированием и условием ограничения скоростью рекомбинации в квантовой яме. Показано, что из обобщенной модели рекомбинации можно получить ступенчатое возрастание тока от напряжения при увеличении напряжения смещения на образце.

Предложен перспективный метод контролируемого роста квантовых точек из коллоидного золота, основанный на трансформации осцилляторного двухъямного потенциала во внешнем электрическом поле.

В работе представлены результаты компьютерного моделирования процессов первичной радиационной повреждаемости [альфа]-железа методом молекулярной динамики с использованием расчетного кода FRENKLOW. При моделировании использован многотельный потенциал межатомного взаимодействия. Рассчитаны пороговые энергии смещения для различных кристаллографических направлений, промоделированы каскады смещений для энергий первично выбитого атома от 0, 1 до 20 КэВ и проведены оценки количества дефектов, переживающих рекомбинацию в каскаде, получены результаты по количеству и размерам кластеров вакансий и внедрений, образующихся в таких каскадах.

Предлагается оригинальный алгоритм стохастического моделирования роста двухкомпонентного кристалла, в состав которого может входить как основное вещество, так и примесь. Показано, что в зависимости от ряда параметров модели возможно получение как равномерного, так и квазипериодического распределения примеси, т. е. формирование зонарной микроструктуры кристалла. Проведен анализ условий, приводящих к неравномерному распределению примеси. Получено качественное согласие результатов моделирования с экспериментальными данными.

Работа посвящена моделированию медленного движения вязкоупругой жидкости со свободной поверхностью, реализующейся при входе полимерной жидкости в формующую насадку и выходе из нее. Движение жидкости описывается уравнениями сохранения массы, импульса и энергии, дополненными реологическим уравнением состояния среды Гиесекуза. На основе метода конечных элементов разработан устойчивый численный алгоритм решения задачи. Проведены численные исследования по определению формы выходной струи для различных режимов течения и формы насадки. Исследована картина распределения скорости жидкости, давления, напряжений и температуры при увеличении степени нагрева стенки насадки. Получены численные результаты зависимости эффекта разбухания полимера от параметров реологической модели и температурных факторов.

На основе метода дискретных вихрей разработана математическая модель, вычислительный алгоритм и компьютерная программа для расчета вихревых течений воздуха в щелевых неплотностях аспирационного укрытия, снабженных тонкими козырьками, произвольно расположенными в пространстве. Выявлены закономерности изменения характеристик отрывного течения при установке на входе в щелевую неплотность козырька. Производится сравнение полученных расчетных величин с экспериментальными данными и расчетами, выполненными другими методами. Обсуждается вопрос снижения энергоемкости аспирационных укрытий за счет использования эффекта отрыва струи.

Разработан приближенный метод расчета эффективности многослойных вибродемпфирующих покрытий применительно к несущим конструкциям сложной формы. Конструкция с покрытием рассматривается как многослойная гетерогенная вязкоупругая структура. Метод основан на задании форм собственных колебаний несущей конструкции, локальной аппроксимации этих форм, локальной аппроксимации покрытия на криволинейной поверхности плоским покрытием и вычислении относительного рассеяния энергии с использованием квазистатического приближения для поля деформаций в покрытии. Показана удовлетворительная точность предложенного метода.

Гетерогенная структура рассматривается как трехмерная периодическая структура, в которой выделяется ячейка в виде прямоугольного параллелепипеда (автономного блока) с вязким и сжимаемым неоднородным заполнением. Для автономного блока из решения краевых задач для уравнений Навье-Стокса определяется дескриптор в виде матрицы импеданса. Из условий теоремы Флоке для матрицы импеданса получено характеристическое уравнение определения комплексных постоянных распространения волн в периодической структуре.

Гетерогенная структура расчленяется условными границами на подобласти в виде прямоугольных параллелепипедов с неоднородным заполнением, которые рассматриваются как автономные блоки, для которых из решения краевых задач определяются дескрипторы - математические описания в виде матриц импеданса или рассеяния. Решение волновой задачи для гетерогенных структур ищется как объединение дескрипторов автономных блоков по правилам, которые следуют из уравнения непрерывности.

Разработана математическая модель распространения электромагнитных волн в гиромагнитных наноструктурированных средах на основе декомпозиционного подхода с применением автономных блоков (АБ) с магнитными нановключениями и каналами Флоке. Получено характеристическое уравнение для определения постоянных распространения волн в трехмерной периодической решетке, включающее матрицу расеяния (дескриптор) АБ. Рассчитаны постоянные распространения правополяризованной и левополяризованной волн (при продольном подмагничивании) и обыкновенной и необыкновенной волн (при поперечном подмагничивании), и комплексные значения эффективных электромагнитных параметров магнитного наноматериала.