Исследование влияния геометрии твердосплавных опор и наковален из КНБ на напряженно-деформированное состояние камеры высокого давления

1.

Исследование влияния геометрии
твердосплавных опор и наковален из
КНБ на напряженно-деформированное
состояние камеры высокого давления
ГПА и ГП ФГБОУ ВО «КГТУ им. В.А.Дегтярёва»
Ковров 2026
1

2. Актуальность и цель

Проблема: Отсутствие доступных отечественных решений для
рентгеновских исследований при высоких давлениях (1,5-3 ГПа) с
фиксированным углом рассеяния.
Цель: Разработка компактных камер высокого давления для
исследования магнитных свойств при низких температурах и в высоких
магнитных полях с оптимизированным дизайном и подбором материала.
Задачи: Создать 3D-модель сборки в Kompas 3D.
Подобрать материалы (стали, твердые сплавы, cBN).
Провести расчет напряженно-деформированного состояния при нагрузке
3 ГПа.
2

3. Объект исследования

3

4. Материалы

Сталь 40Х
(закалённая)
Сталь 45
Сплав WC-Co
cBN (кубический
нитрид бора)
Предел прочности,
Н/мм²
800
350
1100
350
Модуль упругости,
Н/мм²
210 000
210 000
550 000
750 000
1000
600
3800
4500
0.000008
0.000008
0.000001
0.000003
0.3
0.3
0.22
0.17
Параметр
Предел прочности при
сжатии, Н/мм²
Плотность, г/см³
Коэффициент Пуассона
4

5. Методология расчёта

Тип расчета: Статический, линейно-упругий.
Конечно-элементная сетка:
Тип элементов: 10-узловые тетраэдры.
Количество элементов: 24 772.
Количество узлов: 47 613.
Размер элемента: до 2.5 мм.
Граничные условия:
Нагрузка: Давление 1500-3000 Н/мм²
(1.5-3 ГПа) приложено к верхней грани
наковальни.
Закрепление: Жесткая заделка нижней
грани (UX=UY=UZ=0).
Критерий прочности: Эквивалентные
напряжения по Мизесу.
6

6. Результаты

1.5 ГПа
2 ГПа
2.5 ГПа
Карты распределения напряжений по Мизесу
7
3 ГПа

7. Анализ

Экстремальная нагрузка: Давление 3 ГПа
является предельным для камер такого
размера.
Концентраторы напряжений:
Отсутствие радиусов скругления (галтелей) в
углах переходов.
Грубая сетка (3.5 мм) в зонах малых
контактов дает завышенные пики.
Хрупкость cBN: Нитрид бора не
перераспределяет напряжения пластически,
как сталь, что ведет к хрупкому разрушению
при превышении предела.
Упрощение контактов: В текущей модели
контакты заданы как жесткие, что усиливает
пики.
Карты распределения напряжений
8

8. Требования & Преимущества

Требования & Преимущества
Преимущества программно-аппаратного комплекса
Использование связки КОМПАС-3D и APM FEM позволило:
Выполнить полный цикл проектирования в отечественном ПО
(импорт сборки .a3d без конвертации). Задать анизотропные
свойства для 4-х различных материалов: сталь 40Х, сталь 45,
твердый сплав WC-Co и кубический нитрид бора (cBN).
Использовать сертифицированное ядро расчета APM
Structure3D (Аттестат Ростехнадзора №488). Автоматически
сгенерировать сетку из 24 772 тетраэдров для сложной
контактной задачи.
9
Соответствие конструкции
расчетным требованиям Нагрузка:
Приложено давление 1500-3000 Н/мм²
(1.5-3 ГПа).Реакция системы:
Конструкция восприняла нагрузку 763
383 Н (76 тонн) без потери
устойчивости. Деформации:
Максимальное перемещение
составило 0.17 мм, что подтверждает
высокую жесткость узла. Прочностной
анализ: Выявлена концентрация
напряжений до 8654 Н/мм² в зонах
контакта хрупких элементов (cBN).
Минимальный коэффициент запаса
прочности составил 0.046.

9. Пути оптимизации конструкции

Геометрическая оптимизация:
Введение радиусов скругления (R0.2–R0.5) в местах
перехода конусов.
Увеличение площади опорных поверхностей
наковален.
Уточнение модели МКЭ:
Сгущение сетки в зонах контакта (до 0.2–0.5 мм).
Настройка нелинейных контактов «со трением».
Материальное решение:
Использование монокристаллических алмазов для
наковален (при наличии ресурсов).
Термоупрочнение стальных опор.
10

10.

Заключение
1. Выполненные работы:
• Разработана 3D-модель рентгеновской камеры высокого давления (габариты Ø55×73 мм, угол
рассеяния 60°) в среде КОМПАС-3D.
• Сформирована расчетная схема в APM FEM для сборки из 9 деталей с использованием 4 различных
материалов: сталь 40Х, сталь 45, твердый сплав WC-Co и кубический нитрид бора cBN.
• Проведен статический прочностной расчет при экстремальной нагрузке 1500-3000 Н/мм² (1.5-3 ГПа).
2. Основные результаты расчета:
• Конструкция воспринимает суммарную нагрузку 763 383 Н (≈76 тонн) с максимальным перемещением
узлов 0.17 мм.
• Выявлена высокая концентрация напряжений в зонах контакта хрупких элементов (наковальни из
cBN): пиковое значение по Мизесу достигло 5894 Н/мм².
• Минимальный коэффициент запаса прочности составил 0.046 (по текучести) и 0.29 (по прочности).
3.Вывод:
• Текущая геометрия камеры не обеспечивает работоспособность при давлении 3 ГПа из-за хрупкого
разрушения наковален из cBN в зонах концентрации напряжений.
• Полученные данные определяют необходимость геометрической оптимизации: введения радиусов
скругления в переходных зонах и сгущения конечно-элементной сетки для уточнения результатов.
• Подтверждена эффективность использования отечественного программно-аппаратного комплекса
(КОМПАС-3D + APM FEM) для решения задач проектирования оборудования высокого давления.
11

11. Назначение

SANS
Упругое рассеяние
Small Angle Neutron Scattering
NSE
Образование
Neutron Spin Echo
Макроскопические
исследования
Метод Фарадея
|||||
5
Дифракция

12. Спасибо за внимание

Время задать вопросы
12