Nasibullayev I.Sh., Nasibullaeva E.Sh
Investigation of the cavitational stability of an aluminum piston surface based on a three-dimensional model.
Proceedings of the Mavlyutov Institute of Mechanics. 2017. 12(2). 143–151.
Investigation of the cavitational stability of an aluminum piston surface based on a three-dimensional model
Nasibullayev I.Sh., Nasibullaeva E.Sh.
Mavlyutov Institute of Mechanics, Ufa
Abstract
The problem of determining the optimal material for manufacturing the surface of a movable
element (piston) is considered, which has an increased resistance to cavitation failure,
in order to justify the expediency of using structural materials for the manufacture
of pistons in fuel automatics elements. On the basis of three-dimensional numerical modeling
of the elasticity equations, the conditions under which a cavitation bubble collapse
on the surface of a piston made of various structural materials can lead to irreversible
deformations of the piston. The pressure acting on the piston determined from the model
of nonspherical bubble collapse with the formation of a cumulative stream. The impact
on the surface of the collapse of both a single bubble and a pair of bubbles located
at different distances from each other is studied. Calculations showed that with special
treatment the surface of the piston will become more resistant to erosion destruction.
Deformations are localized near the region to which the force is applied, at a distance
of the order of two bubble diameters. Cavitation destruction of the material is associated
with the yield threshold and grain size, is independent of the Young's modulus and inversely
proportional to the Poisson's ratio. The simultaneous collapse of two bubbles at a distance
of the order of one or two sizes of the bubble increases the maximum pressure on the surface
and, consequently, increases the probability of irreversible deformation of the surface.
Keywordsbubble collapse,
elastic deformation,
yield stress,
piston
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты №№14-01-97019-р_поволжье_а,
14-08-97027-р_поволжье_а, 17-41-020582-р_а), АН РБ (договора №№ 40/11-П, 40/59-П, 40/10)
Article outline
Purpose: To justify the expediency of using structural materials for the manufacture of
pistons in fuel automatics elements.
Methodology: The elasticity equations in three-dimensional space were solved numerically
in the variational formulation by the finite element method using the FreeFem++ numerical
simulation package. The pressure acting on the piston was determined analytically from the
collapse model of a nonspherical bubble with the formation of a cumulative stream.
The findings of research:
1. the Young's modulus at the stage of achieving the yield stress does not affect the surface;
2. an increase in the Poisson's ratio slightly decreases the magnitude of the displacements,
and the equivalent stresses decrease in proportion to the Poisson's ratio;
3. a pair collapse of bubbles at a distance of the order of one or two bubble diameters
increases the pressure on the surface, and therefore has a higher deformation potential.
Originality/value: Thus, special treatment of the piston surface increases the yield
strength, and therefore reduces the probability of irreversible deformation of the piston.
Irreversible deformation occur on the surface of the piston in the applied pressure of the
jet boundary that occurs due to the collapse of the bubble.
References
- Большаков Г.В., Гулин Е.И., Торчиев Н.Н. Физико-химические основы применения моторных,
реактивных и ракетных топлив. М.: Химия, 1965. 270 с.
- Хватов Б.Н. Влияние состояния поверхностного слоя на кинетику кавитационного разрушения
гидротурбинной стали // Вестник ТГТУ. 2002. Т. 8, №3. С. 507–512.
- Патент на изобретение No 2550287, приоритет изобретения 30.12.2013 г. «Поршень с
антикавитационной обработкой поверхности для устройства дозирования топлива», авторы:
Урманчеев С.Ф., Насибуллаева Э.Ш., Денисова Е.В., Черникова М.А., Мурашкин М.Ю., Насибуллаев И.Ш.
- Аганин А.А., Малахов В.Г., Халитова Т.Ф., Хисматуллина Н.А. Расчет силового воздействия
кавитационного пузырька на упругое тело // Вестн. Тат. гос. гуманит.-пед. ун-та. 2010. №4(22).
С. 6–13.
- Аганин А.А., Ильгамов М.А., Хисматуллина Н.А. Упруго-пластические деформации в теле при
ударном воздействии кавитационного пузырька // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки.
2013. Т. 155, кн. 2. С. 131–143.
- Kornfeld M., Suvorov L. On the destructive action of cavitation // J. Appl. Phys. 1944.
V. 15, No. 3. P. 495–497.
- Lord Rayleigh. On pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity //
Philosophial Magazine. 1917. V. 34, No. 200. P. 94–98.
- Кулагин В.А., Грищенко Е.П. Гидрогазодинамика [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие.
Красноярск: ИПК СФУ, 2009.
- Маркушев М.В., Мурашкин М.Ю. Механические свойства субмикрокристаллических алюминиевых
сплавов после интенсивной пластической деформации угловым прессованием // ФММ. 2000. T. 90,
№5. C. 92–101.
- Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение,
структура и свойства. М.: Академкнига. 2007. 398 с.
- Денисова Е.В., Мурашкин М.Ю., Насибуллаев И.Ш., Насибуллаева Э.Ш. Применение
наноструктурных материалов в топливной автоматике // Нано- и микросистемная техника. 2014. №8.
С. 47–52.
- Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ.
изд. / М: Металлургия. 1984. 528 с.
- Hecht F. New development in FreeFem++ // J. Numer. Math. 2012. V. 20, no. 3–4. P. 251–265.
- Насибуллаев И.Ш., Насибуллаева Э.Ш. Исследование чувствительности поверхности
наноструктурного алюминиевого поршня к эрозийному разрушению // XI Всероссийский съезд по
фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов (20–24 августа
2015 г., Казань). Казань: Издательство Казанского (Приволжского) федерального университета, 2015.
С. 2733–2735.
- Аганин А.А., Ильгамов М.А., Хисматуллина Н.А. Деформация поверхности тела при ударе водяной
струи // Известия Уфимского научного центра РАН. 2015. №3. С. 12–18.