Компьютерное моделирование процесса разряда конденсаторной батареи через образец в виде медной проволоки

В работе проведено комплексное изучение путём численного (математического) и имитационного (компьютерного) моделирования процесса разряда конденсаторной батареи через образец в виде медной проволоки в установке для изучения эффекта электропластичности. Электропластический эффект – это явление, при котором происходит снижение предела текучести под воздействием электрического тока. Представлена запатентованная установка для изучения эффекта электропластичности. Получены первые результаты, выполненные на данной установке, которые относятся к сравнению степени влияния эффекта электропластичности на образцы из меди и алюминия. Из-за более высокой удельной электропроводности и меньшего скин-эффекта медных образцов эффект электропластической деформации в них проявлялся более наглядно, в результате чего было принято решение начать более детальные исследования именно с образцами в виде медной проволоки. Приведены дифференциальные уравнения, описывающие токовые кривые, получающиеся при разряде заряженной батареи конденсаторов через образец в виде медной проволоки без учета изменений внутренней структуры образцов. При помощи метода наименьших квадратов и дискретного преобразования Фурье были оценены параметры индуктивности и сопротивления всей системы, соответственно. Численно, с погрешностью не более 2%, определена общая емкость рабочей батареи конденсаторов. Разработаны две идентичные имитационные модели для вычисленных параметров в пакете программ MatLab и среде SimInTech, состоящие из последовательно соединенных RLC элементов, измерительных блоков (амперметр и вольтметр) и осциллографов. Произведено сравнение результатов моделирования с полученной токовой кривой в ходе натурных испытаний при тех же начальных условиях. Сделаны выводы о практически полном предсказании обеими моделями таких параметров, как пиковое значение тока и длина импульса в пределах погрешности измерительного оборудования.

1. Troitskii OA. Electromechanical effect in metals. JETP Letters. 1969;1:18-22.

2. Conrad H. Electroplasticity in metals and ceramics. Materials Science and Engineering A. 2000;287(2):276-287. DOI: 10.1016/s0921-5093(00)00786-3.

3. Lu Y, Chen G, Zhang B. et al. Application of electroplastic effect in mechanical processing. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024;135:25-48. DOI: 10.1007/s00170-024-14574-9.

4. Conrad H, Sprecher AF, Cao WD. et al. Electroplasticity - the effect of electricity on the mechanical properties of metals. JOM. 1990;42:28-33. DOI: 10.1007/BF03221075.

5. Cao WD, Conrad H. On the effect of persistent slip band (PSB) parameters on fatigue life. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 1992;15(6):573-583. DOI: 10.1111/j.1460-2695.1992.tb01296.x.

6. Zhou Y, Zeng Y, He G, Zhou B. The healing of quenched crack in 1045 steel under Electropulsing. Journal of Materials Research. 2001;16:17-19. DOI: 10.1557/JMR.2001.0005.

7. Zhou Y, Guo J, Gao M, He G. Crack healing in a steel by using electropulsing technique. Materials Letters. 2004;58(11):1732-1736. DOI: 10.1016/j.matlet.2003.10.049.

8. Hosoi A, Nagahama T, Ju Y. Fatigue crack healing by a controlled high density electric current field. Materials Science and Engineering A. 2012;533:38-42. DOI: 10.1016/j.msea.2011.11.024.

9. Брызгалов В.А., Моркина А.Ю., Абдуллина Д.У. и др. Обзор исследований по залечиванию макротрещин в металлах под действием импульсного тока высокой плотности. Materials. Technologies. Design. 2024;6(2):38-58. DOI: 10.54708/26587572_2024_621738.

10. Абдуллина Д.У., Бебихов Ю.В., Татаринов П.С., Дмитриев С.В. Обзор последних достижений в области электропластической обработки металлов давлением. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2023;20(4):469-483. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2023.04.006.

11. Бошкова К.В., Бебихов Ю.В., Кугушева Н.Н., Татаринов П.С. Электропластическая деформация: теоретические объяснения эффекта. В кн.: Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире: Сборник материалов XII-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Москва: Спутник+; 2023:68-70.

12. Morkina AY, Tarov DV, Yakushev IA, et al. Effect of electroplasticity studied for aluminum wires under tension. Procedia Structural Integrity. 2024;65:158-162. DOI: 10.1016/j.prostr.2024.11.025.

13. Татаринов В.П., Татаринов П.С., Бебихов Ю.В. и др. Разработка способа измерения импульсных токов большой величины. Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова. 2024;21(1):81-88. DOI: 10.25587/2222-5404-2024-21-1-81-88.

14. Дмитриев С.В., Татаринов П.С., Семёнов А.С. и др. Патент на изобретение RU2843809: Автоматизированная лабораторная установка для исследования эффекта электропластичности. 2025.

15. Morkina AY, Tarov DV, Khalikova GR, et al. Comparison of the effect of electroplasticity in copper and aluminum. Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. 2024;22(4):615-632. DOI: 10.22190/fume240920049m.

16. Dmitriev SV, Morkina AY, Tarov DV, et al. Effect of repetitive high-density current pulses on plastic deformation of copper wires under stepwise loading. Spectrum of Mechanical Engineering and Operational Research. 2024;1(1):27-43. DOI: 10.31181/smeor1120243.

17. Семёнов А.С. Моделирование режимов работы асинхронного двигателя в пакете программ MatLab. Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова. 2014;11(1):51-59.

18. Shchemeleva YB, Sokolov AA, Labazanova SH. Development of hardware and a system for analyzing energy parameters based on simulation in SimInTech. Journal of Physics: Conference Series. 2022;2176:012082. DOI: 10.1088/1742-6596/2176/1/012082.

19. Дмитриев С.В., Татаринов П.С., Татаринов В.П. и др. Программа для ЭВМ 2025660558: Программа для автоматической нормировки импульса тока по величине заряда батареи конденсаторов. 2025.