XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Призматические и цилиндрические модели материалов из ауксетиков
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В настоящее время необходимость изучения материалов-ауксетиков связана с созданием принципиально новой продукции, например, новых заклёпок. Если бы у авиаконструктора В.М.Мясищева была заклёпка-ауксетик, то тяжёлые самолёты М-4 и М-5- имели бы другой вид. Ауксетиками называют материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона. При растяжении обычного материала в продольном направлении, происходит сжатие образца в поперечном направлении, но для материала-ауксетика наблюдается противоположное явление. Классическим примером ауксетика служит известная модель [1,2]. Такая модель приводится практически во всех работах по ауксетикам [1,2,3]. Цель исследования заключается в создании трёхмерной призматической структуры ауксетика. Кубическая трёхмерная структура тоже известна [4]. В этой работе задача похожая, но требуется предложить призму, кольцо, трубку, цилиндр, которые при растяжении вдоль продольной оси увеличат диаметр поперечного сечения [5,6.7]. Решение задачи началось самым простым и очевидным способом. За основу была взята классическая модель двумерного ауксетика. Склейка звеньев проведена не в одной плоскости, а с постоянным углом поворота друг относительно друга. Изготовлены модели ауксетиков с различным числом боковых граней в призме, от четырёх до двадцати. Цель работы достигнута, предложена призматическая модель трёхмерной структуры ауксетика. Следующий этап работы – измерение коэффициентов Пуассона предложенных моделей.
Введение - история старой заклёпки
Казалось бы, заклёпка должна остаться далеко в истории. Наверное, ни у кого не получится найти информацию о первой заклёпке. Заклёпки, как вид соединения деталей, хорошо видны и на старинных рисунках, и на первых фотографиях различной техники. Например, в средние века заклёпками прикрепляли тяжёлые ставни ворот к пластинам поворотных петель. Заклёпками крепили листы железа или меди к ставням. Деревянные конструкции обивали железными листами или медью не только гвоздями, но и заклёпками. Корпусы кораблей до 20-го века оставались деревянными, но тоже постепенно стали обиваться медью или железом с помощью всё тех заклёпок.
Рис. 1. Гвоздь и заклёпка (авторский рисунок)
Отличие заклёпки от гвоздя существенное. Гвоздь можно вытащить. Более того, на старых конструкциях видно, как гвозди сами вышли из доски из-за подвижности деталей. В авиации гвозди никогда не применяли, разве что где-то на вспомогательных деталях первых самолётов. Заклёпка, в отличие от гвоздя, относится к неразъёмным соединениям [1]. Если гвоздь можно вытащить клещами, пусть даже с большим усилием, то заклёпку придётся спиливать или срезать. Если гвоздь после вытаскивания и распрямления опять готов к применению, то заклёпку со спиленной шляпкой можно только выбросить. Заклёпка – это одноразовая крепёжная деталь. Схема гвоздевого и заклёпочного крепления показана на рис.1.
Гвозди ушли в прошлое. Даже появилась информация, что в России прекращено производство гвоздей, потому что их заменили шурупы, которые не выходят из конструкции при небольшой подвижности деталей. Современные гвозди, в основном, произведены в Китае. Заклёпки, напротив, применяются всё шире. Например, при строительстве заборов. Однако предметом изучения в школьной исследовательской работе стали не заборы, а конструкции самолётов. Почему в современной технике до сих пор применяют заклёпки даже на истребителях пятого поколения, управляемых искусственным интеллектом? Почему информационные технологии ушли далеко вперёд, по при этом никак нельзя забыть о заклёпке с историей в несколько тысячелетий?
Казалось бы, есть современные сварочные технологии. Приложил один лист обшивки самолёта к другому, провёл горячей дугой, и листы сразу сварены. Причём сварены герметично, в отличие от негерметичного заклёпочного соединения. На самом деле сварке в авиации препятствует много причин.
1. В самолётах часто применяют сплавы алюминия, дюралюминий. Если такой сплав нагреть, то он теряет свои свойства.
2. Сварка требует сильно нагреть металл, расплавить, а потом остудить. При нагревании металл расширяется, появляются напряжения. При остывании металл сжимается, появляются другие напряжения. В результате конструкция изгибается. Достаточно провести простой опыт, чтобы убедиться в этом. Берём полиэтиленовый пакет и слегка нагреваем. Не обязательно над газовой плитой, можно положить на стол и быстро потереть пальцем. Поверхность искривляется. Так будет и в листах обшивки после сварки, согнутся.
3. Сварка алюминия требует применять специальное оборудование, которое не всегда можно разместить в малых авиационных конструкциях даже в заводских и лабораторных условиях.
4. Сварка нержавеющих сталей тоже затруднительна, изменяет состав материала.
5. Всё чаще начинают применять титан, но для работы с ним нужны специальные технологии. Сейчас появилось новое направление в исследованиях и производстве, получившее название «Титановые технологии».
В таких условиях заклёпка продолжает надёжно работать в авиации даже в самых современных конструкциях.
Если посмотреть на любой самолёт, то сразу бросается в глаза его не особо ровная и красивая поверхность. После этого появляется вопрос о сопротивлении заклёпок во время полёта. Выступающие части, шляпки должны мешать полёту, создавать сопротивление. Но на самом деле это не так. Во время полёта рядом с поверхностью крыла, или любой другой части самолёта, образуется слой, который прилипает к поверхности. Это пограничный слой воздуха. О пограничном слое очень доступно рассказывают в лаборатории «Авиастроение» в Московском авиационном институте (НИУ). На истребителе МиГ-23 воздухозаборники реактивных двигателей немного отодвинуты от корпуса, примерно сантиметров на пять, а не вплотную прикреплены к нему. Отодвинуты потому, что в этих пяти сантиметрах воздух прилипает к корпусу в пограничном слое, двигается вместе с самолётом, значит, не попадёт в двигатель. Напротив, на некотором расстоянии от фюзеляжа воздух летит навстречу самолёту и, как положено, попадает в двигатель. На заклёпку тоже надо смотреть с учётом прилипшего к крылу воздуха. Высота шляпки заклёпки не превышает 3-5 мм. Значит, шляпка и подавно находится в прилипшем к самолёту воздухе, в пограничном слое. Пограничный слой двигается вместе с крылом, шляпка заклёпки внутри него почти не трётся о воздух. Значит, заклёпка не мешает движению самолёта. А пограничный слой – это отдельная наука. Пока он есть, заклёпка не мешает полёту. Когда научатся устранять пограничный слой, тогда вместо заклёпки изобретут новую технологию. Но пока заклёпки прекрасно работают в авиации, никому не мешая и облегчая работу технологов и конструкторов.
Но оказалось, что заклёпки не всегда удобны. Пример этому – новая технология самолёта М-50, по сравнению с бомбардировщиком М-4.
Старая заклёпочная технология в самолёте В.М.Мясищева М-4
В 1953 году в воздух поднялся первый самолёт М-4 конструкции Владимира Михайловича Мясищева. Это тяжёлый стратегический бомбардировщик с возможностью дозаправки во время полёта. Слово «дозаправка» тоже будет предметом изучения в этой работе, но немного позднее. Сейчас речь идёт о древнем изобретении человечества, о заклёпке.В самолёте М-4 тоже применена заклёпочная технология. Конечно, это не единственная технология, не единственный вид соединения деталей. Там есть и сварка, и винты, и шпильки, и шурупы. Это тоже предмет исследования, но заклёпка наиболее типична для обшивки самолёта. На рис.2 заклёпки хорошо видны на краях металлических листов, охватывающих носовую часть самолёта. Оконная рама для стёкол кабины тоже заклёпочная.
Рис. 2. Заклёпочная технология тяжёлого бомбардировщика М-4
Ссылка на фотографию: https://i.pinimg.com/originals/34/36/63/343663c470509a2f6c2e6428cd50a42d.jpg
Интересно, сколько заклёпок ушло на один самолёт М-4? Вряд ли кто сможет ответить на этот вопрос, даже создатели конструкции. Необходимости считать заклёпки нет, потому что всех убеждает единственная фраза: «Очень много!» Но тогда появляется другой вопрос: «Как долго длится заклёпочная сборка?» Чтобы ответить на этот вопрос, надо самому сделать одно заклёпочное соединение. Инструмент-заклёпочник показан на рис.3.
Рис. 3. Заклёпочник
Ссылка на фотографию: https://main-cdn.sbermegamarket.ru/hlr-system/-8/08/66/52/77/52/6/100022763390b0.jpg
Для одного заклёпочного соединения надо выполнить следующие технологические работы.
1. Просверлить отверстие в корпусе конструкции самолёта (5 секунд).
2. Просверлить такое же отверстие в листе обшивки (5 секунд).
3. Вставить заклёпку в заклёпочник (5 секунд).
4. Вставить заклёпку в заклёпочнике в отверстия (5 секунд).
5. Расплющить заклёпку заклёпочником (5 секунд).
6. Удалить остаток от заготовки заклёпки (5 секунд).
Продолжительность работ приблизительная, но реальная. Получилось полминуты на одну заклёпку. Квалифицированный рабочий выполнит всё быстрее, пусть в три раза. Всё равно на одну заклёпку надо не менее десяти секунд. Если в самолёте 10.000 заклёпок, то нужно 100.000 секунд – это 27-28 часов работы только заклёпочником, не считая времени на подходы к деталям, которое в десятки раз больше. Не считая перемещения деталей в цехе завода, которое в десятки и сотни раз больше.
Следовательно, заклёпочная технология очень долгая, особенно при большом количестве деталей и больших размерах конструкции. А если деталей будет ещё больше? А если размеры самолёта увеличатся? Получается, что большие самолёты придётся строить не то что месяцами, а даже годами. Вряд ли руководство поддержит такие планы, особенно при создании военной техники, которую надо постоянно совершенствовать.
Владимир Михайлович Мясищев смог решить противоречие между большим объёмом работ работы и временем изготовления тяжёлого самолёта. Он применил совершенно новую технологию при изготовлении стратегического бомбардировщика М-50.
Новое технологическое решение В.М.Мясищева в самолёте М-50
Новизна технологии изготовления самолёта М-50 выходит за рамки предмета исследования школьной работы. Предмет изучения – это заклёпка, как обычная, так и не совсем обычная, перспективная. Однако никак нельзя обойти вниманием новое технологическое решение.
Рис. 4. Часть конструкции самолёта М-50 (заклёпок мало)
Ссылка на фотографию: https://imgproc.airliners.net/photos/airliners/5/6/3/1193365.jpg?v=v40
При создании сверхзвукового стратегического бомбардировщика М-50 было решено отказаться от заклёпочной технологии. Конечно, не полностью. Где-то заклёпки хорошо видны, но их явно меньше, чем на самолёте М-4, который буквально усеян грибками-шляпками заклёпок. Владимир Михайлович Мясищев принял решение перейти от заклёпочной технологии к прессованию блоков конструкции. Конечно, пресс-формы изготавливать долго, дорого, трудно. Но зато после изготовления пресс-формы детали можно штамповать сколько угодно и очень быстро. Таким способом сейчас изготавливают корпусы автомобилей, доводя количество заготовок до десятков тысяч. Получилось, что передовая технология сложнее, но потом позволяет неограниченно нарастить выпуск военных самолетов. При такой технологии заклёпка осталась, но отошла на второй план
Дальнейшее изучение штамповки больших частей конструкции самолёта в специальных пресс-формах не входит в рамки исследования. Не входит, потому что в исследовательской работе внимание направлено на заклёпку, а также на другие виды крепёжных материалов. Но теперь заклёпка предлагается совершенно другая, причём намечается возможность её изготовления и практического применения, пока на этапе научно-исследовательских работ.
Откуда появилась идея работы?
Идея работы появилась из «правила четырёх заклёпок». Опытные мастера и специалисты утверждают, что не надо ставить много заклёпок при сдвигающих напряжениях. Много заклёпок нужно только для плотного прилегания листа к каркасу, там каждая шляпка препятствует расслоению конструкции. При сдвиге листа работает только первая заклёпка, немного вторая, чуть-чуть третья, и практически перестаёт работать четвёртая заклёпка. Расшатывание конструкции происходит постепенно, по очереди ослабевает ряд заклёпок, они начинают шататься в просверленных отверстиях, детали отходят друг от друга, появляются зазоры.
Рис. 5. Распределение срезающей нагрузки в заклёпках
Традиционный ряд заклёпок вдоль соединения деталей показа на рис.5. Напряжение предполагается срезающее, горизонтальное на рисунке. Вертикальное напряжение обычно не вызывает проблем, потому что на него рассчитывается материал и толщину заклёпки. Срезающее напряжение очень часто критично, потому что расшатывает не только заклёпку, но и отверстия в деталях, просверленные под неё.
Появилась техническая задача: «Как устранить постепенное раскачивание заклёпок?» В настоящее время это можно сделать применением принципиально новых материалов-ауксетиков.
Принцип действия материалов-ауксетиков
В настоящее время необходимость изучения материалов-ауксетиков связана с созданием принципиально новой продукции, обладающей свойствами, которые не укладываются в традиционное, устоявшееся веками представление о природных явлениях.Ауксетиками называют материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона. В свою очередь, коэффициент Пуассона – это отношение поперечной деформации тела к его продольной деформации, умноженное на минус единицу. Умножение этой дроби на (-1) было выполнено Пуассоном, чтобы привести в соответствие обыденным природным явлениям положительный коэффициент, не прибегая к отрицательным числам. Деформация предполагается положительной в случае растяжения, то есть увеличения размера тела. Например, растяжение резинового жгута означает положительную деформацию в продольном направлении. Но если происходит сжатие, уменьшение размера тела, то деформация предполагается отрицательной. Коэффициент Пуассона связывает деформации тела, которые происходят в продольном и поперечном направлениях. Если посмотреть на растяжение того же резинового жгута, то в продольном направлении его длина увеличивается, но в поперечном направлении диаметр уменьшается. Значит, в продольном направлении деформация положительная, а в поперечном отрицательная. Разделив одну величину деформации на другую, поперечную на продольную, получается отрицательное число. Чтобы устранить знак минус, в определение коэффициента Пуассон ввёл множитель (-1). Получается, что при растяжении обычного, традиционного материала в продольном направлении, происходит сжатие образца в поперечном направлении, но умножение на (-1) приводит к положительному коэффициенту Пуассона для обычного материала.
Для материала-ауксетика наблюдается противоположное явление. При растяжении в продольном направлении он увеличивает размер в поперечном направлении. И наоборот, при сжатии в продольном направлении ауксетик сжимается в поперечном направлении. Следовательно, обе деформации имеют одинаковые знаки, одновременно обе положительные или обе отрицательные, поэтому коэффициент Пуассона будет отрицательным.
Классическим примером ауксетика служит модель, представленная на Физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета [2]. Такая модель хорошо известна, приводится практически во всех работах по ауксетикам[1,2,3]. На рис.6 показана классическая картонная модель. Если такую структуру растянуть в вертикальном направлении, то боковые зигзагообразные стенки распрямятся, надавят на горизонтальные перегородки, которые разойдутся и увеличат боковой размер модели. Получилось, что модель одновременно увеличит и длину, и ширину. При сжатии картина будет обратной. Это явные, демонстрационные свойства ауксетика.
Рис.6. Классическая модель ауксетика
Ведущий специалист Института проблем механики имени Александра Юльевича Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) доктор физико-математических наук, профессор Дмитрий Сергеевич Лисовенко привёл актуальный пример практического применения ауксетика – гвоздь, который элементарно забивается, но который чрезвычайно трудно вытащить[2]. Схема этого примера показана на рис.7.
Рис. 7. Пример Д.С.Лисовенко о гвозде-ауксетике
Оказывается ауксетик вполне может заменить шурупы, требующие специальных инструментов, при этом произойдёт возвращение истории к гвоздям, легко забиваемым простым молотком, но со свойствами, присущими шурупам – не выходит из конструкции, прочно удерживается в ней.
Работа заклёпки в просверленных отверстиях ничем не отличается от приведённого примера, причём в любом направлении. Если происходит небольшой сдвиг заклёпки, то она сразу расширяется и препятствует перемещению в самом начале, когда перемещение только-только началось. Плоские, двумерные структуры ауксетиков известны. Но для создания заклёпки-ауксетика нужна трёхмерная цилиндрическая форма. В Институте проблем механики имени Александра Юльевича Ишлинского была предложена школьная исследовательская задача: создать цлиндрическую модель материала ауксетика, склеить картонную конструкцию предложенной модели, проверить её свойства.
Школьное изучение цилиндра-ауксетика для новой заклёпки
Цель школьного исследования заключается в создании трёхмерной цилиндрической структуры ауксетика. Кубическую трёхмерную структуру на основе механизма Саррюса предложила в школьном кружке Валерия Алексеевна Екимовская[4]. В этой работе задача похожая, но требуется предложить кольцо, трубку, цилиндр, которые при растяжении вдоль продольной оси увеличат диаметр поперечного сечения. Цилиндрическая форма нужна для многих технических приложений. Например, шланг высокого давления под нагрузкой увеличивает поперечный диаметр, пусть даже немного, но тогда его длина тоже возрастает, он сильнее надавит на прокладку или стыковочный штуцер, обеспечивая плотное соединение деталей, устраняя утечку газа или жидкости. Это очень важно особенно при работе с токсичными и пожароопасными веществами. Именно этот пример важен для системы дозаправки самолётов в воздухе.
Решение исследовательской задачи началось самым простым и очевидным способом. За основу была взята классическая модель двумерного ауксетика, показанная на рис.6. Было изготовлено больше ста картонных звеньев. Но потом склейка звеньев была проведена не в одной плоскости, а с постоянным небольшим углом поворота друг относительно друга, 360/20=18 градусов.
Рис.8. Авторская фотография с цилиндрическим ауксетиком
На рис.8 показан процесс склейки цилиндрической картонной модели ауксетика. Вдоль длины окружности расположено 20 звеньев, поэтому угловое смещение двух соседних картонных ячеек равно 360/20=18 градусов. Для первого опыта было изготовлено 100 картонных ячеек, поэтому высота цилиндрической модели оказалась сравнительно небольшой, равной высоте пяти ячеек. Но даже такой, не очень высокой, модели оказалось достаточно не только для наблюдения свойств ауксетика, но дополнительно для исправления ошибок при создании второй модели, с более явной иллюстрацией поперечной деформации.
При создании второй модели ауксетика было решено не увлекаться большим количеством ячеек в кольце, а вместо этого увеличить высоту цилиндра. Кроме этого, было решено применить более плотный картон (200 г/кв.м вместо 80 г/кв.м). Было решено сделать поперечное сечение цилиндра в виде восьмиугольника, то есть применить восемь ячеек вместо двадцати. Более плотный картон позволяет основное внимание направить на увеличение высоты цилиндра. Однако недостатком является большое отклонение от окружности. Конечно, постепенно продолжается наращивание высоты первой модели, обладающей гибкостью в продольном направлении, что позволяет моделировать гибкие шланги и трубы. Вторая модель из плотного картона более жёсткая в продольном направлении, но тоже позволяет немного изгибать продольную ось. На рис.9 показана болёё жёсткая модель-восьмиугольник новой структуры ауксетика. Слева показана фотография модели сверху, справа приведён снимок сбоку склеенной картонной конструкции.
Рис.9. Восьмиугольная модель цилиндрического ауксетика
Достоинством восьмиугольной высокой модели является возможность явной демонстрации свойств ауксетика: расширяется при растяжении, сжимается при сжатии. Следующий этап работы – измерение коэффициента Пуассона и более детальное исследование свойств таких ауксетиков.
Цель работы достигнута, предложена цилиндрическая модель трёхмерной структуры ауксетика с явно выраженным главным свойством, то есть расширением материала при растяжении.
Применение материала-ауксетика в заклёпках
(обратно, от М-50 к М-4)
Сборка самолёта из больших фрагментов, как это сделал Владимир Михайлович Мясищев в самолёте М-50, уже освоена, применяется в новых конструкциях, например встратегическом бомбардировщике Ту-160 «Белый лебедь». Это новое направление не исключило применение заклёпок. В больших конструкциях заклёпки делают большими, не только из-за нагрузки, но ещё из-за расшатывания. Как препятствовать расшатыванию? На рис.10 показан принцип сопротивляемости деталей расшатыванию конструкции с заклёпкой-ауксетиком.
Рис.10. Принцип действия заклёпки-ауксетика
Совершенно другим направлением является замена стандартных крепёжных деталей на новые образцы. Пример Д.С.Лисовенко с гвоздём-ауксетиком уже был приведён ранее. Цилиндрическая модель ауксетика создана, проверена, испытана. Список материалов-ауксетиков быстро пополняется. Это не только циклические полимеры и композиционные материалы, но ещё неорганические соединения и кристаллические структуры, вполне пригодные для изготовления крепёжных деталей. Две трети материалов с кубической кристаллической решёткой обладают свойствами ауксетиков, в том числе металлы, пригодные для изготовления заклёпок. Значит, в настоящее время нет препятствий к изготовлению нового инновационного продукта, в том числе для авиационной техники.
Выводы
1. Доказана возможность создания цилиндрической и призматической структуры трёхмерного ауксетикана основе известного двухмерного аналога.
2. Изготовлены модели 20-угольтной и 8-угольной структур ауксетика.
3. Экспериментально проверены свойства структур созданных цилиндрическихауксетиков.
4. Перспектива работы заключается в поиске химических структур и определении физических характеристик предложенных ауксетиков.
5. Предложено перейти к поиску ауксетиков для крепёжных деталей, важных для авиационной и космической техники, прежде всего, заклёпок.
6. Заклёпка-ауксетик препятствует не только разрушающей нагрузке, но и расшатыванию в течение длительного времени.
7. Если бы во время работы Владимира Михайловича Мясищева были известны заклёпки-ауксетики, то, несомненно, они были бы меньше по размерам, изменив общий вид крепления листов обшивки.
Список использованных источников
1. Новый политехнический словарь / Под ред. А. Ю. Ишлинского. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. — С. 671. — ISBN 5-7107-7316-6.
2. Ауксетики – материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона. Кафедра Статистической физики Физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. – Электронный ресурс: https://vk.com/video-3519369_163344968
3. Лаврентьев С.Ю., Лисовенко Д.С., Ченцов А.В. Механические свойства двумерной ауксетической конструкции / Сборник трудов. Международная молодёжная научная конференция "44-е Гагаринские чтения 2018". - М.: НИУ МАИ, 2018. - С. 76-78.
4. Екимовская В.А. Научный руководитель Лебедев В.В. Механизм Саррюса с внутренним сложением - модель ауксетика / Г12 "Гагаринские чтения - 2020": Сборник тезисов докладов. - М.: МАИ, 2020. - 1731 с. - ISBN 978-5-4465-2716-8. - УДК 629.7.01. - ББК 39.6 Г12. - С.1150-1152. - Электронный ресурс: https://gagarin.mai.ru/files/2020/abstracts2020.pdf
5. Цуркан А. Призматическая модель новогоматериала-ауксетика. V Всероссийская с международным участием школа-конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Материалы и технологии XXI века». 30 ноября – 2 декабря 2022 г. - Отв. ред. А.В. Герасимов. [Электронный ресурс] – Казань.: КФУ, 2022. – С.302. - https://kpfu.ru/portal/docs/F2043986325/Book.of.abstracts.MT21_2022._1_.pdf
6. Цуркан А. Призматические и цилиндрические модели материалов-ауксетиков. Конкурс «Гении Подмосковья 2022. Осенняя сессия». 20 ноября 2022 г. –Электронный ресурс: https://vk.com/geniemo2022?w=wall-199377489_618%2Fall
7. Цуркан А. Модели материалов-ауксетиков. – Электронный ресурс (видеоролик 8:11): https://youtu.be/IaZ8pcvhGfk